CN108164247A - 高活性砒砂岩胶凝材料及其制备方法 - Google Patents

高活性砒砂岩胶凝材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高活性砒砂岩胶凝材料及其制备方法，其各组分的组成及质量百分比为：高活性砒砂岩：70%‑90%，矿物掺合料：0%‑20%和改性水玻璃溶液：10%‑25%。本发明所得高活性胶凝材料常温养护的28天抗压强度达到12‑21MPa，塑料密封或蒸汽高温养护下28天抗压强度可达26‑42MPa。其抗压强度显著高于未激活的一般砒砂岩改性材料，其中常温养护的，28天后，其抗压强度会随养护时间的增长而增加，最终其强度也可达到26‑42MPa，而未激活的一般砒砂岩材料，其28天抗压强度仅可达到3‑10MPa，即使养护时间增加也不会超过12‑21MPa。

Description

高活性砒砂岩胶凝材料及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，特别涉及一种高活性砒砂岩胶凝材料及其制备方法。
背景技术
水土流失，黄河淤积，一直是我国黄河中下游地区近百年来面临的严峻问题，究其原因在于黄土高原地区生态退化，土壤侵蚀严重。土壤侵蚀与生态退化二者互相促进，形成恶性循环。生态退化和水土流失产生的大量泥沙汇入黄河导致黄河河床迅速抬高，形成地上悬河，严重威胁黄河中下游地区沿岸人民的生命和财产安全，制约沿岸地区经济发展。
在内蒙古、山西和陕西三省交界地区，分布着一种特殊的风化较为严重的松散、破碎岩层—砒砂岩。砒砂岩在干燥状态下坚硬如石头，遇水则溃散成泥。其原因在于，砒砂岩内部含有大量遇水膨胀的粘土矿物，遇水侵蚀后岩体结构难以承受膨胀作用而发生溃散。砒砂岩分布地区面积约1.67万km2，是黄河中游发生剧烈侵蚀作用的中心，也是黄河粗泥沙的核心来源区。砒砂岩是黄河及其支流粗泥沙的主要来源，也是导致当地水土流失和生态退化的元凶。同时，砒砂岩也是一种潜在的资源，如何利用砒砂岩研制工程材料，来促进当地的水土流失治理和生态修复已成为一个迫在眉睫的问题。
近年来，国内已有不少研究探讨了砒砂岩的资源化利用问题，如利用砒砂岩研制筑坝材料、将砒砂岩与沙复配成土进行农业种植、利用砒砂岩吸固重金属离子等。
然而，砒砂岩是一种含有少量粘土矿物的泥质砂岩、砂页岩，虽然具有一定的火山灰活性，但火山灰活性较低，研制的改性材料一般工程强度较低，难以满足一般工民建工程的需求。
粘土矿物成分既是导致砒砂岩溃散成沙的根源，同时也是一种硅铝资源，具有成为胶凝材料的潜质。因此，将砒砂岩的火山灰活性予以激活，提高其火山灰活性，将其制备成高强度的胶凝材料，这样既能实现砒砂岩的资源化利用，满足当地对高强度砒砂岩改性材料的需求，又能促进当地水土流失的治理和工民建工程建设，促进当地经济和社会发展。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种高活性砒砂岩胶凝材料及其制备方法，解决了工业废弃物带来的环境问题同时达到了提高砒砂岩胶凝材料活性，促进其在工民建及水保工程中应用的效果。
一种高活性砒砂岩胶凝材料，其各组分的组成及质量百分比为：高活性砒砂岩：70%-90%，矿物掺合料：0%-20%和改性水玻璃溶液：10%-25%。
进一步地，高活性砒砂岩是指经高温激发和机械粉磨的砒砂岩。
进一步地，所述高温激发为煅烧，所述煅烧温度：400-900℃，煅烧时间：0.5-6小时。
进一步地，所述机械粉磨为行星磨粉磨，粉磨时间：0.3-6 小时。
进一步地，所述改性水玻璃溶液是指一般工业水玻璃经添加氢氧化钠等碱性试剂改性后的水玻璃，其模数即水玻璃中SiO2与Na2O的比值为Ms=1.0-2.5。
进一步地，所述矿物掺合料是指粉煤灰、矿渣、钢渣、煤矸石、炉渣、高岭土粉、石灰石粉、氧化镁粉中一种或两种以上混合；所述矿渣是指高炉冶炼生铁所得以硅酸钙和铝硅酸钙为主要成分的熔融物，以氧化铝、二氧化硅和氧化钙为主要成分，比表面积大于400m2/kg的粉状物。
本发明所得高活性胶凝材料常温养护的28天抗压强度达到12-21MPa，塑料密封或蒸汽高温养护下28天抗压强度可达26-42MPa。其抗压强度显著高于未激活的一般砒砂岩改性材料，其中常温养护的，28天后，其抗压强度会随养护时间的增长而增加，最终其强度也可达到26-42MPa，而未激活的一般砒砂岩材料，其28天抗压强度仅可达到3-10MPa，即使养护时间增加也不会超过12-21MPa。
本发明还提供了一种高活性胶凝材料的制备方法，包括如下步骤：
向砒砂岩中掺入少量矿物掺合料，与水玻璃溶液按上述比例混合，浇筑成型，进行养护；所述养护温度：20-95 ℃，养护湿度：≥40%，得到高活性砒砂岩胶凝材料。
所述养护方式为进行自然养护、在温度为40℃-60℃的条件下塑料密封养护、或在温度为60℃-95℃蒸汽养护。
本发明的有益效果是
1.本发明通过向砒砂岩中添加具有火山灰活性或潜在水硬性的成岩掺合料制备高活性的砒砂岩胶凝材，所述具有火山灰活性或潜在水硬性的成岩掺合料为工业废弃物包括粉煤灰、矿渣粉等，在我国存在有大量的这些工业废弃物，由于影响环境，亟待处理。将影响环境的工业废弃物应用于砒砂岩胶凝材料的改性不仅可以进行资源化利用获得高活性的砒砂岩胶凝材料带来经济效益，同时，解决了工业废弃物带来的环境问题。另外，高活性砒砂岩胶凝材料能耗低，无污染，是环境友好型材料，同时具有抗压强度高、抗冻性好、成本低、制备工艺简单、原料获取简便等特点，适合在砒砂岩地区推广，有效解决当地建筑材料匮乏的问题，有助于推动国家的新农村政策。
2．本发明还提供了一种高活性的砒砂岩胶凝材的制备方法，通过热激发和机械粉磨的方式，来大幅提高砒砂岩内部的硅铝物质的火山灰活性，进而借助碱激发技术将砒砂岩研制成具有高活性和高强度的胶凝材料。通过加入少量的工业废弃物，如粉煤灰，来改善材料的孔隙结构，增强材料的强度和耐水性。激发剂为改性水玻璃，通过向一般工业用水玻璃中添加氢氧化钠来调节其模数（水玻璃中SiO2与Na2O的比值），提高其碱性（pH值），来提高其与高活性砒砂岩的反应效率，形成更多的胶凝产物，来提高高活性砒砂岩材料的强度；控制水固比，通过浇筑成型，养护（80℃），制成具有高强度的高活性砒砂岩胶凝材料。3、该高活性高强度砒砂岩胶凝材料具有较高的抗压强度和较好的耐久性，能够满足砒砂岩地区对高强度砒砂岩地聚物淤地坝过水材料、行道砖及建筑用砖等材料的需求。
具体实施方式
实施例1
一种高活性砒砂岩胶凝材料，其各组分的组成及质量百分比为：高活性砒砂岩：75%，矿物掺合料：0%和改性水玻璃溶液：25%。
所述高活性砒砂岩是指经高温激发和机械粉磨的砒砂岩；所述高温激发为煅烧，所述煅烧温度：400℃，煅烧时间：0.5小时。
所述机械粉磨为行星磨粉磨，粉磨时间：0.3小时。
所述改性水玻璃溶液是指一般工业水玻璃经添加氢氧化钠等碱性试剂改性后的水玻璃，其模数即水玻璃中SiO2与Na2O的比值为Ms=1.0。
其制备方法，包括如下步骤：
将砒砂岩与水玻璃溶液按上述比例混合，浇筑成型，进行养护；得到高活性砒砂岩胶凝材料。
所述养护方式为进行自然养护，养护湿度：≥40%，温度为常温，常温养护的28天抗压强度达到18MPa。
实施例2
一种高活性砒砂岩胶凝材料，其各组分的组成及质量百分比为：高活性砒砂岩：75%，矿物掺合料：10%和改性水玻璃溶液：15%。
所述高活性砒砂岩是指经高温激发和机械粉磨的砒砂岩。
所述高温激发为煅烧，所述煅烧温度：900℃，煅烧时间：6小时。
所述机械粉磨为行星磨粉磨，粉磨时间：6小时。
所述改性水玻璃溶液是指一般工业水玻璃经添加氢氧化钠等碱性试剂改性后的水玻璃，其模数即水玻璃中SiO2与Na2O的比值为Ms=2.5。
所述矿物掺合料是指粉煤灰、矿渣、钢渣、煤矸石、炉渣、高岭土粉、石灰石粉、氧化镁粉中一种或两种以上混合；所述矿渣是指高炉冶炼生铁所得以硅酸钙和铝硅酸钙为主要成分的熔融物，以氧化铝、二氧化硅和氧化钙为主要成分，其含量为矿渣总量的85%以上，比表面积大于400m2/kg的粉状物。
其制备方法，包括如下步骤：
向砒砂岩中掺入少量矿物掺合料，与水玻璃溶液按上述比例混合，浇筑成型，进行养护；得到高活性砒砂岩胶凝材料。
所述养护方式为在温度为40℃的条件下塑料密封养护，养护湿度：≥40%。
本实施例所得高活性胶凝材料在上述条件下养护的28天抗压强度达到28MPa。
实施例3
一种高活性砒砂岩胶凝材料，其各组分的组成及质量百分比为：高活性砒砂岩：75%，矿物掺合料：5%和改性水玻璃溶液：20%。
所述高活性砒砂岩是指经高温激发和机械粉磨的砒砂岩。
所述高温激发为煅烧，所述煅烧温度：500℃，煅烧时间：3小时。
所述机械粉磨为行星磨粉磨，粉磨时间：3小时。
所述改性水玻璃溶液是指一般工业水玻璃经添加氢氧化钠等碱性试剂改性后的水玻璃，其模数即水玻璃中SiO2与Na2O的比值为Ms=1.5。
所述矿物掺合料是指粉煤灰、矿渣、钢渣、煤矸石、炉渣、高岭土粉、石灰石粉、氧化镁粉中一种或两种以上混合；所述矿渣是指高炉冶炼生铁所得以硅酸钙和铝硅酸钙为主要成分的熔融物，以氧化铝、二氧化硅和氧化钙为主要成分，其含量为矿渣总量的85%以上，经过急冷水淬、破碎成粒后，比表面积大于400m2/kg的粉状物。
其制备方法，包括如下步骤：
向砒砂岩中掺入少量矿物掺合料，与水玻璃溶液按上述比例混合，浇筑成型，进行养护；得到高活性砒砂岩胶凝材料。
所述养护方式为在温度为60℃的条件下塑料密封养护，养护湿度：≥40%。
本实施例所得高活性胶凝材料在上述条件下养护的28天抗压强度可达31MPa。
实施例4
一种高活性砒砂岩胶凝材料，其各组分的组成及质量百分比为：高活性砒砂岩：70%，矿物掺合料：10%和改性水玻璃溶液：20%。
所述高活性砒砂岩是指经高温激发和机械粉磨的砒砂岩。
所述高温激发为煅烧，所述煅烧温度：600℃，煅烧时间：4小时。
所述机械粉磨为行星磨粉磨，粉磨时间：5小时。
所述改性水玻璃溶液是指一般工业水玻璃经添加氢氧化钠等碱性试剂改性后的水玻璃，其模数即水玻璃中SiO2与Na2O的比值为Ms=1.8。
所述矿物掺合料是指粉煤灰、矿渣、钢渣、煤矸石、炉渣、高岭土粉、石灰石粉、氧化镁粉中一种或两种以上混合；所述矿渣是指高炉冶炼生铁所得以硅酸钙和铝硅酸钙为主要成分的熔融物，以氧化铝、二氧化硅和氧化钙为主要成分，其含量为矿渣总量的85%以上，经过急冷水淬、破碎成粒后，比表面积大于400m2/kg的粉状物。
其制备方法，包括如下步骤：
向砒砂岩中掺入少量矿物掺合料，与水玻璃溶液按上述比例混合，浇筑成型，进行养护；得到高活性砒砂岩胶凝材料。
所述养护方式为：养护湿度：≥40%，在温度为50℃的条件下塑料密封养护。
本实施例所得高活性胶凝材料在上述条件下养护的28天抗压强度可达42MPa。
实施例5
一种高活性砒砂岩胶凝材料，其各组分的组成及质量百分比为：高活性砒砂岩：80%，矿物掺合料：2%和改性水玻璃溶液：18%。
所述高活性砒砂岩是指经高温激发和机械粉磨的砒砂岩。
所述高温激发为煅烧，所述煅烧温度：700℃，煅烧时间：5小时。
所述机械粉磨为行星磨粉磨，粉磨时间：2小时。
所述改性水玻璃溶液是指一般工业水玻璃经添加氢氧化钠等碱性试剂改性后的水玻璃，其模数即水玻璃中SiO2与Na2O的比值为Ms=2.2。
所述矿物掺合料是指粉煤灰、矿渣、钢渣、煤矸石、炉渣、高岭土粉、石灰石粉、氧化镁粉中一种或两种以上混合；所述矿渣是指高炉冶炼生铁所得以硅酸钙和铝硅酸钙为主要成分的熔融物，以氧化铝、二氧化硅和氧化钙为主要成分，其含量为矿渣总量的85%以上，经过急冷水淬、破碎成粒后，比表面积大于400m2/kg的粉状物。
其制备方法，包括如下步骤：
向砒砂岩中掺入少量矿物掺合料，与水玻璃溶液按上述比例混合，浇筑成型，进行养护；得到高活性砒砂岩胶凝材料。
所述养护方式为在温度为60℃蒸汽养护，养护湿度：≥40%。
本实施例所得高活性胶凝材料在上述条件下养护的28天抗压强度可达36MPa。
实施例6
一种高活性砒砂岩胶凝材料，其各组分的组成及质量百分比为：高活性砒砂岩：80%，矿物掺合料：8%和改性水玻璃溶液：12%。
所述高活性砒砂岩是指经高温激发和机械粉磨的砒砂岩。
所述高温激发为煅烧，所述煅烧温度：800℃，煅烧时间：1小时。
所述机械粉磨为行星磨粉磨，粉磨时间：0.3小时。
所述改性水玻璃溶液是指一般工业水玻璃经添加氢氧化钠等碱性试剂改性后的水玻璃，其模数即水玻璃中SiO2与Na2O的比值为Ms=2.5。
所述矿物掺合料是指粉煤灰、矿渣、钢渣、煤矸石、炉渣、高岭土粉、石灰石粉、氧化镁粉中一种或两种以上混合；所述矿渣是指高炉冶炼生铁所得以硅酸钙和铝硅酸钙为主要成分的熔融物，以氧化铝、二氧化硅和氧化钙为主要成分，其含量为矿渣总量的85%以上，经过急冷水淬、破碎成粒后，比表面积大于400m2/kg的粉状物。
其制备方法，包括如下步骤：
向砒砂岩中掺入少量矿物掺合料，与水玻璃溶液按上述比例混合，浇筑成型，进行养护；得到高活性砒砂岩胶凝材料。
所述养护方式为在温度为95℃蒸汽养护，养护湿度：≥40%，。
本实施例所得高活性胶凝材料在上述条件下养护的28天抗压强度可达25MPa。

Claims (9)

1.一种高活性砒砂岩胶凝材料，其特征在于，各组分的组成及质量百分比为：高活性砒砂岩：70%-90%，矿物掺合料：0%-20%和改性水玻璃溶液：10%-25%。
2.根据权利要求1所述的高活性砒砂岩胶凝材料，其特征在于，所述高活性砒砂岩是指经高温激发和机械粉磨的砒砂岩。
3.根据权利要求2所述的高活性砒砂岩胶凝材料，其特征在于，所述高温激发为煅烧，所述煅烧温度：400-900℃，煅烧时间：0.5-6小时。
4.根据权利要求2所述的高活性砒砂岩胶凝材料，其特征在于，所述机械粉磨为行星磨粉磨，粉磨时间：0.3-6 小时。
5.根据权利要求1所述的高活性砒砂岩胶凝材料，其特征在于，所述改性水玻璃溶液是指一般工业水玻璃经添加氢氧化钠等碱性试剂改性后的水玻璃，其模数即水玻璃中SiO2与Na2O的比值为Ms=1.0-2.5。
6.根据权利要求1所述的高活性砒砂岩胶凝材料，其特征在于，所述矿物掺合料是指粉煤灰、矿渣、钢渣、煤矸石、炉渣、高岭土粉、石灰石粉、氧化镁粉中一种或两种以上混合。
7.根据权利要求6所述的高活性砒砂岩胶凝材料，其特征在于，所述矿渣是指高炉冶炼生铁所得以硅酸钙和铝硅酸钙为主要成分的熔融物，以氧化铝、二氧化硅和氧化钙为主要成分，其含量为矿渣总量的85%以上，经过急冷水淬、破碎成粒后，比表面积大于400m2/kg的粉状物。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述高活性砒砂岩胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：向砒砂岩中掺入少量矿物掺合料，与水玻璃溶液按上述比例混合，浇筑成型，进行养护；所述养护温度：20-95 ℃，养护湿度：≥40%，得到高活性砒砂岩胶凝材料。
9.根据权利要求8所述的的制备方法，其特征在于，所述养护方式为进行自然养护、在温度为40℃-60℃的条件下塑料密封养护、或在温度为60℃-95℃蒸汽养护。
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