CN108883985A - 具有改进的强度和耐水性的建筑材料及其形成方法 - Google Patents

具有改进的强度和耐水性的建筑材料及其形成方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有改进的抗压强度和耐水性的含矿山尾矿和粉煤灰的建筑材料。含矿山尾矿和粉煤灰的材料包含矿山尾矿、粉煤灰、含有氢氧化钠和任选的氢氧化钙的碱溶液以及水。本发明还提供了形成含矿山尾矿和粉煤灰的建筑材料的地质聚合方法。

Description

具有改进的强度和耐水性的建筑材料及其形成方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年2月19日提交的美国临时专利申请第62/297,560号的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及含有矿山尾矿(MT)和粉煤灰(FA)的建筑材料以及形成该建筑材料的地质聚合方法。
背景技术
地质聚合是通过在升高的温度下将至少一种硅铝酸盐源溶解在强碱溶液如氢氧化钠(NaOH)溶液中而由硅铝酸盐材料获得聚合结构的过程。在升高的温度下固化特定时间后，由地质聚合过程形成的产物表现出增强的抗压强度。因此，所得产物可用作建筑材料，例如砖或路面。常规的建筑材料如混凝土需要添加骨料以提高抗压强度，但地质聚合产品则不需要。此外，常规建筑材料的制造导致大量的温室气体排放，这在地质聚合产品的制造过程中不会发生。因此，地质聚合过程提供了一种非常有前景的方法，以利用基于硅铝酸盐的材料如矿山尾矿和粉煤灰来代替常规的建筑材料。
矿山尾矿是在常规采矿过程中从矿石中提取有价值的材料如金属时作为副产物产生的材料。粉煤灰是在煤燃烧过程中作为副产物产生的材料。这些材料中的每一种被视为工业废料，并且由于可能对环境产生有害影响，而需要谨慎堆存。例如，矿山尾矿必须储存在尾矿坝中，该坝占据了大面积的土地并导致高昂财政、环境和生态成本。
在过去的二十年中，由于各种原因，已经努力尝试利用矿山尾矿和粉煤灰作为建筑材料来代替常规的建筑材料，例如波特兰水泥。首先，这些材料是富含二氧化硅/氧化铝的硅铝酸盐源，这使它们成为用于地质聚合过程的理想来源。其次，由于这两种材料均对环境造成有害影响，因此找到它们的替代用途不仅从环境角度来看是有利的，而且也有助于降低与其储存和处置相关的成本。
粉煤灰用作建筑材料更是有利的，因为其粒度通常非常小(<50微米)，这对于用来形成建筑材料是理想的。另一方面，水泥通常必须经过研磨以实现小的粒径，这增加了制造时间和成本。粉煤灰也是地质聚合过程的理想来源，因为其相比于其它地质聚合材料在相对更低的温度，即约60-150℃下与碱反应。然而，现有的处理粉煤灰的方法存在一些缺点。首先，在大多数提出的地质聚合方法中，不得不加入显著量的硅酸钠。这使得难以确定所得产物所获得的机械强度是由于粉煤灰和碱之间的地质聚合，还是由于金属硅酸盐在升高温度下在空气中的固化，从而使得其在制造期间的可预测性变得困难。其次，在加入硅酸钠并且所得的地质聚合产物浸泡在水中的情况下，溶液pH急剧增加并且产物逐渐失去其抗压强度。这对材料暴露于如雨或雪的外部环境情况下的建筑应用是有害的。
由于矿山尾矿存在许多缺点，在利用它作为建筑材料方面几乎没有取得进展。首先，与其它硅铝酸盐源相比，矿山尾矿的粒径相对较大，这在地质聚合过程中是不期望的，因为它所需的固化时间长，从而增加制造成本。矿山尾矿还具有低碱反应性，因此需要消耗大量的碱以实现所期望的反应。与其它硅铝酸盐源相比，矿山尾矿还具有高硅/铝比，这往往会导致较低的抗压强度和较弱的耐水性。
因此，需要改进的用粉煤灰和/或矿山尾矿形成建筑材料的地质聚合方法。特别是需要无需任何附加组分并且产生具有改进的强度和耐水性的产品的方法。出于上述环境原因，还需要使用这些材料来形成建筑材料。
发明内容
因此，本发明提供了由粉煤灰和/或矿山尾矿形成的具有改进的强度和耐水性的地质聚合建筑材料。在一个实施方案中，本发明涉及基本上由矿山尾矿、粉煤灰、包含氢氧化钠的碱溶液和水组成的建筑材料，其中矿山尾矿和粉煤灰的重量比为约5:100至约20:100。
在另一个实施方案中，提供了形成建筑材料的地质聚合方法。该方法的步骤包括将矿山尾矿、粉煤灰、包含氢氧化钠的碱溶液和水组合以形成混合物，搅拌混合物，将混合物倒入模具中，压缩混合物，以及固化混合物，其中矿山尾矿与粉煤灰的重量比为约5:100至约20:100。
附图说明
当结合附图考虑时，参照以下具体描述可以更全面地领会本发明及其附带的许多优点，同时也可以更好地理解本发明，其中：
图1A是根据本发明实施方案的反应的矿山尾矿样品的显微图像；
图1B是图1A中的反应的矿山尾矿样品的SEM/EDS分析图；
图2是表示根据本发明实施方案的示例性矿山尾矿/粉煤灰建筑材料的测量的抗压强度、活化温度和活化时间之间关系的图；
图3是表示根据本发明实施方案的示例性矿山尾矿/粉煤灰建筑材料的抗压强度随NaOH浓度变化的图；
图4是表示根据本发明实施方案的示例性矿山尾矿/粉煤灰建筑材料的抗压强度随Ca(OH)2浓度变化的图；
图5是表示根据本发明实施方案的示例性矿山尾矿/粉煤灰建筑材料的抗压强度随应变变化的图；
图6是表示根据本发明实施方案的示例性矿山尾矿/粉煤灰建筑材料的抗压强度随粉煤灰含量变化的图；
图7是表示根据本发明实施方案的示例性矿山尾矿/粉煤灰建筑材料的抗压强度随固化时间和固化温度变化的图；和
图8是表示根据本发明实施方案的示例性矿山尾矿/粉煤灰建筑材料的抗压强度随浸泡时间和活化温度变化的图。
具体实施方式
本发明涉及含有矿山尾矿和粉煤灰的混合物、具有改进的抗压强度和耐水性的建筑材料。本文公开的建筑材料在其形成过程中不需要使用任何其他组分，例如骨料或硅酸钠。还提出了形成含有矿山尾矿和粉煤灰的建筑材料的方法，该方法减少了制造时间和成本。
利用本文所述的方法，制备了具有远高于常规混凝土建筑材料(约高两倍)的约40MPa至65MPa的抗压强度的地质聚合产物。此外，形成建筑材料的固化时间仅为约2天至3天，这比常规混凝土的固化时间短得多。该建筑材料可以在与其它常规建筑材料相比相对较低的温度，即约90℃至170℃下形成。最后，本文公开的含矿山尾矿和粉煤灰的建筑材料表现出与常规建筑材料相比改进的耐水性，在水中浸泡30天后保持其抗压强度的超过80％。许多常规建筑材料或那些使用粉煤灰和/或矿山尾矿制备的建筑材料在这样长时间浸泡在水中后，即使不是全部丧失也大部分丧失其抗压强度。
本文所述的含有矿山尾矿和粉煤灰的建筑材料通常包含四种组分：(1)矿山尾矿；(2)粉煤灰；(3)碱溶液，例如NaOH和/或Ca(OH)2溶液；和(4)水。不添加额外的组分，例如骨料(在常规混凝土中是典型的)或硅酸钠(在当前含有粉煤灰的材料中是典型的)。
可以使用任何类型的矿山尾矿来形成本文所述的建筑材料。在一个实施方案中，使用从铜矿收集的矿山尾矿。
两种类型的粉煤灰，即F类和C类，可用在组合物中。在一个实施方案中，可以使用F类和C类粉煤灰的混合物。在优选的实施方案中，使用C类粉煤灰。这些类别之间的主要区别在于粉煤灰中钙、二氧化硅、氧化铝和铁的含量以及非晶质的含量。
在优选的实施方案中，粉煤灰与矿山尾矿的重量比为约5:100至20:100。对于碱溶液，在一个实施方案中，NaOH与矿山尾矿的重量比为约70:100至约80:100。在另一实施方案中，Ca(OH)2与矿山尾矿的重量比为约5:100至15:100。水与矿山尾矿的重量比为约150:100至200:100。
在一个实施方案中，碱溶液如NaOH溶液可以重复使用，因为其仅被纳入用来在地质聚合过程中活化矿山尾矿和粉煤灰。
为了制备组合物并引发地质聚合，首先组合预定量的矿山尾矿和粉煤灰。在一个实施方案中，使用基于矿山尾矿/粉煤灰混合物总重量的80％至95％的矿山尾矿和5％至20％的粉煤灰。向该混合物中加入强碱溶液，例如氢氧化钠(NaOH)溶液。在一个实施方案中，加入约5M至10M、优选约10M量的NaOH溶液以活化地质聚合过程。还可以加入基于矿山尾矿重量的约0％至15％、优选约5％量的其他碱性组分，例如Ca(OH)2。可以在不同的活化温度和活化时间下将NaOH和Ca(OH)2组分的每一种加入到矿山尾矿/粉煤灰混合物中以实现期望的反应。例如，活化温度可以为约90℃至170℃，活化时间可以为约40分钟至80分钟。
一旦混合物被活化，将其搅拌直至所有组分混合均匀。在一个实施方案中，然后将混合物置于模具中，压缩以形成致密结构，并在最后的步骤中固化。在替代实施方案中，不需要模具，混合物可以单独压缩然后固化。在一个实施方案中，在约3MPa至10MPa的形成压力下压缩混合物。固化步骤可以在约80℃至120℃、优选约90℃的温度下进行约2天至3天、优选约3天。在替代实施方案中，固化步骤可以在室温下进行。所得材料适合用作建筑材料。
现在将结合以下非限制性实施例描述本发明。
实施例1
制备示例性的含有矿山尾矿/粉煤灰的建筑材料。研究级氢氧化钠(NaOH，>99％)和氢氧化钙(Ca(OH)2，>95％)从Alfa Aesar商购获得。从亚利桑那州图森的铜矿尾矿坝收集矿山尾矿样品。粉煤灰样品(C类)从美国Boral商购获得。使用这些材料中的每一种，无需进一步处理。
通过将约100克化学颗粒溶解在约250克自来水中制备氢氧化钠溶液以制备碱溶液。同时，将约140克矿山尾矿和约7克至28克粉煤灰(根据不同实验而变化)加入500mL反应瓶中。然后向该混合物中缓慢加入约10M的NaOH溶液以活化地质聚合过程。另外的约7克量的碱性组分Ca(OH)2也与NaOH溶液同时加入。然后将混合物用搅拌器搅拌约3分钟以制备均匀的浆料。通过将反应瓶置于烘箱中来改变活化温度和时间。具体地，使活化在90℃至170℃的温度下进行约40分钟至80分钟。
在本实施例中，矿山尾矿与水的质量比保持在0.6，矿山尾矿与粉煤灰的质量比保持在6.7。
碱活化后，将反应瓶从烘箱中取出并在通风柜中冷却约40分钟，在此期间，矿山尾矿和粉煤灰沉降到反应瓶的底部。将上清液从瓶中倒出并收集以供再使用。将经活化的矿山尾矿和粉煤灰糊料从瓶中取出，搅拌2分钟并装入高约6.4cm，内部直径约3.2cm的圆柱形模具中。然后通过液压泵以约3MPa至10MPa的压力手动逐渐压缩模具中的尾矿糊料。压缩后，将样品脱模并在约90℃的烘箱中固化约3天。最后，将固化的样品从烘箱中取出，在环境条件下冷却约12小时，并为抗压强度测试做好准备。
还使用FEI INSPEC-S50/Thermo-Fisher Noran 6显微镜分析反应的矿山尾矿样品，如图1A所示。相应的SEM/EDS分析在图1B中示出。可以看出，矿山尾矿的主要元素是Si、Al、K和O，矿山尾矿的主要元素的重量百分比列于下表1中。矿山尾矿中矿物的组成如下表2所示，可以看出矿山尾矿主要由石英、钾长石和斜长石组成。矿山尾矿的Si/A1比高于由粉煤灰获得的Si/A1比。
表1矿山尾矿的主要元素组成
元素 重量％
Si 31.60
Al 7.31
Ca 1.53
Fe 1.80
S 0.96
K 3.82
Mg 0.42
表2矿山尾矿的主要矿物组成
矿物 重量％
石英 28.66
钾长石 26.44
斜长石 31.65
白云母 4.03
黑云母 1.51
膨胀土 2.39
高岭石 1.09
方解石 1.78
黄铁矿 0.61
然后使压缩和固化的样品经受单轴压缩试验。在每次测量之前，用一块砂纸抛光试样的两端，以确保它们足够平坦，用于压缩试验。通过Versa Tester 30M试验机以0.0003英寸/秒的恒定位移速率测量样品的抗压强度。测量样品上施加的载荷并用于计算抗压强度。在给定的实验条件下，总共进行三次测量并取平均值。与抗压强度表征相关的实验误差通常为±3MPa。
如上所述，在不同的活化时间和温度下制备样品。图2示出了测量的抗压强度、活化温度和活化时间之间的关系。可以看出，当活化温度相对较低时，例如90℃或110℃时，获得的最大压缩强度为约52MPa。进一步增加活化时间似乎不会增加抗压强度。另一方面，当活化温度相对较高，即130℃时，增加活化时间似乎确实增加了抗压强度。例如，活化时间为40分钟时压缩强度为约42MPa，而当活化时间增加至60分钟时压缩强度增加至接近60MPa。对于在170℃下进行的活化，活化时间为40分钟时获得最大抗压强度，并且在60分钟时获得相同的值。因此，活化温度优选在90℃至170℃之间变化，活化时间为约40分钟至80分钟。在这些变量下，矿山尾矿/粉煤灰建筑材料的抗压强度为40MPa至65MPa，远高于常规建筑材料。
实施例2
用不同量的NaOH制备另一组示例性矿山尾矿/粉煤灰建筑材料样品，以确定其对材料抗压强度的影响。根据实施例1中所述的相同参数制备组合物，不同之处在于初始混合物包括重量比为100:15的矿山尾矿和粉煤灰，然后用5％Ca(OH)2(基于矿山尾矿的重量按重量计)和各种浓度的NaOH溶液在130℃下活化1小时。然后将样品在10MPa形成压力下进行模塑并在90℃下固化约3天。
然后使样品经受压缩试验，结果如图3所示。可以看出，随着NaOH浓度的增加，抗压强度明显增加。当将浓度为约1M的NaOH溶液加入到矿山尾矿/粉煤灰混合物时，抗压强度为约7MPa，而当NaOH浓度增加至10M时，抗压强度增加至接近60MPa。因此，NaOH的优选浓度为约10M。
实施例3
用不同量的Ca(OH)2制备另一组示例性矿山尾矿/粉煤灰建筑材料样品，以确定其对材料抗压强度的影响。根据实施例1中所述的相同参数制备组合物，不同之处在于初始混合物包括重量比为100:15的矿山尾矿和粉煤灰，然后用10M NaOH和不同浓度的Ca(OH)2在170℃下活化1小时。然后将混合物在10MP形成压力下进行模塑并在90℃下固化约3天。
然后使这些样品经受压缩试验，结果如图4所示。如图所示，当Ca(OH)2从0重量％增加至5重量％(基于矿山尾矿的重量)时，压缩强度从约41MPa增加至约60MPa。在优选的实施方案中，建筑材料包括约5重量％的Ca(OH)2。
还针对这些示例性材料研究了形成压力对应力-应变行为的影响。一旦材料制成，就在各种形成压力(即3MPa、6MPa和10MPa)下对它们进行模塑并在90℃下固化3天。结果如图5所示。可以看出，含有矿山尾矿和粉煤灰的建筑材料的抗压强度随着形成压力的增加而增加。在3MPa下，抗压强度为约37MPa，但在10MPa下，抗压强度增加至约60MPa。因此，在优选的实施方案中，形成压力为约10MPa。
实施例4
用不同量的粉煤灰制备另一组示例性矿山尾矿/粉煤灰建筑材料样品，以确定其对材料抗压强度的影响。根据实施例1中所述的相同参数制备组合物，不同之处在于初始混合物包括不同重量比的矿山尾矿和粉煤灰，并将这些混合物用10M的NaOH和5重量％(基于矿山尾矿的重量)的Ca(OH)2在130℃或170℃下活化1小时。然后将材料在10MPa形成压力下进行模塑并在90℃下固化约3天。
然后使这些样品经受压缩试验，结果如图6所示，其表明压缩强度随着粉煤灰重量百分比的增加而增加。例如，在130℃的活化温度下，粉煤灰为5重量％时的压缩强度为约42MPa。当粉煤灰含量增加至15重量％时，强度增加至接近60MPa。另一方面，粉煤灰的量优选为约20重量％或更低，因为超过20重量％会降低所得糊料的可加工性。在优选的实施方案中，粉煤灰含量为基于矿山尾矿重量的约5重量％至20重量％。
实施例5
制备另一组示例性含矿山尾矿和粉煤灰的建筑材料样品，并在不同的时间和温度下进行固化，以确定固化参数对所得材料的抗压强度的影响。根据实施例1中所述的相同参数制备组合物，不同之处在于初始混合物包括15重量％的粉煤灰，并用10M的NaOH和5重量％(基于矿山尾矿的重量)的Ca(OH)2在130℃下活化1小时。然后将材料在10MPa形成压力下进行模塑并在不同的时间和温度下进行固化。
然后使这些样品经受压缩试验，结果如图7所示。结果表明，约90℃的固化温度和约3天的固化时间表现出最佳的抗压强度。在一个实施方案中，将材料固化至少2天。虽然没有明显的不利影响，但超过3天的固化时间通常导致抗压强度略微降低。与约90℃的固化温度相比，约130℃的固化温度表现出几乎相等的压缩强度，而约45℃的固化温度表现出低得多的抗压强度。因此，在优选的实施方案中，最优选的固化温度为约90℃或更高，且固化时间为至少2天，但优选不超过3天。
实施例6
根据实施例5的相同参数制备另一组示例性含矿山尾矿和粉煤灰的建筑材料，不同之处在于材料在130℃或170℃下活化1小时。然后测试该示例性建筑材料在水中的耐久性。通常，期望的是建筑材料在水中浸泡一段时间后不丧失其抗压强度。将上述制备的示例性样品在水中浸泡0-30天以研究浸泡对抗压强度的影响。
具体地，在密封容器中将示例性材料浸入水与固体的重量比为20倍的量的水中。然后将样品从水中取出并用湿布擦拭样品表面。然后在从浸泡浴中取出后五5分钟内将样品称重。然后将样品在约90℃的烘箱中干燥约10小时至12小时。对于每个实验条件，制备三个样品并测试其抗压强度，结果取平均值。
抗压强度结果如图8所示，从中可以看出在浸泡达到15天或30天后抗压强度仅略微降低。对于每个样品，抗压强度在第0天为约60MPa，在浸泡约7天后降低至约48MPa至50MPa。然而，在此期间之后，额外的浸泡似乎并未进一步降低建筑材料的抗压强度。浸水测试结果表明，与已知的建筑材料相比，该示例性材料具有非常高的耐水性。实际上，先前由矿山尾矿材料形成建筑材料的尝试导致样品在水中浸泡达到30天时丧失其大部分强度。这里，材料保留了其约80％的抗压强度。
尽管已经结合具体形式及其实施方案描述了本发明，但是应当领会，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以采用除上述讨论之外的各种修改。例如，等效元素可以代替那些具体示出和描述的元素，某些特征可以独立于其他特征使用，并且在某些情况下，元素的特定位置可以颠倒或插入，所有这些都不脱离所附权利要求中限定的精神或范围。

Claims (12)

1.一种建筑材料，其基本上含有：
矿山尾矿；
粉煤灰；
含有氢氧化钠的碱溶液；和
水，
其中矿山尾矿与粉煤灰的重量比为约5:100至约20:100。
2.根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述矿山尾矿是基于铜的矿山尾矿。
3.根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述粉煤灰是C类粉煤灰、F类粉煤灰或其组合。
4.根据权利要求1所述的建筑材料，其中氢氧化钠与矿山尾矿的重量比为约70:100至约80:100。
5.根据权利要求1所述的建筑材料，其中所述碱溶液还包含Ca(OH)2。
6.根据权利要求5所述的建筑材料，其中Ca(OH)2与矿山尾矿的重量比为约5:100至15:100。
7.根据权利要求1所述的建筑材料，其中水与矿山尾矿的重量比为约150:100至200:100。
8.一种形成建筑材料的地质聚合方法，其包括以下步骤：
(a)将矿山尾矿、粉煤灰、含有氢氧化钠的碱溶液和水组合以形成混合物；
(b)搅拌所述混合物；
(c)将所述混合物倒入模具中；
(d)压缩所述混合物；和
(e)固化所述混合物，
其中矿山尾矿与粉煤灰的重量比为约5:100至约20:100。
9.根据权利要求8所述的方法，其中步骤(a)在约90℃至170℃的温度下进行约40分钟至80分钟。
10.根据权利要求8所述的方法，其中步骤(d)在约3MPa至10Mpa、优选约10Mpa的形成压力下进行。
11.根据权利要求8所述的方法，其中步骤(e)在温度为约80℃至120℃的烘箱中进行约2天至3天。
12.根据权利要求10所述的方法，其中步骤(e)在温度为约90℃的烘箱中进行约3天。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109580302A (zh) * 2018-12-06 2019-04-05 东北大学 一种单轴压缩实验用尾矿膏体试样制备装置及实验方法
CN111233360A (zh) * 2020-01-16 2020-06-05 湖北三鑫金铜股份有限公司 一种微细粒铜尾矿制备地聚物基再生骨料的方法

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109678404B (zh) * 2019-01-17 2021-04-09 林瑞云 一种自发光透水砖及其制备方法
CN110818350A (zh) * 2019-11-14 2020-02-21 铜陵有色金属集团铜冠建筑安装股份有限公司 铜尾矿在道路用混凝土中的应用
CN113979679B (zh) * 2021-11-17 2022-10-28 上海力阳道路加固科技股份有限公司 一种自修复地聚合物基渗透结晶防水材料及其制备方法
CN114262171A (zh) * 2022-01-18 2022-04-01 云南宏佑投资有限公司 一种增强增韧地聚物及其制备方法
CN116444215A (zh) * 2023-04-24 2023-07-18 东南大学 一种用于刚性混凝土路面的铜尾矿-矿渣基地质聚合物及其制备工艺

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090071374A1 (en) * 2006-03-29 2009-03-19 Zeobond Research Pty Ltd Dry Mix Cement Composition, Methods and Systems Involving Same
CN102344296A (zh) * 2011-04-28 2012-02-08 金立虎 一种铜尾矿粉陶粒的制造方法
WO2012170667A1 (en) * 2011-06-09 2012-12-13 Rutgers, The State University Of New Jersey Synthetic formulations and methods of manufacturing and using thereof
US20130125792A1 (en) * 2009-09-24 2013-05-23 Ash Improvement Technology, Inc. Production of coal combustion products for use in cementitious materials
US20150251951A1 (en) * 2012-10-01 2015-09-10 Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona Production Bricks from Mine Tailings Through Geopolymerization
CN106810188A (zh) * 2016-12-28 2017-06-09 大连青松智慧生态科技有限公司 一种金伯利岩尾矿复合材料及其制备方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL8503127A (nl) 1985-11-13 1987-06-01 Aardelite Holding Bv Werkwijze voor het vervaardigen van bouwmateriaal op basis van kolenas.
EP1801084A1 (en) 2005-12-20 2007-06-27 Pavel Svoboda Fly-ash concrete compositon, method of preparation by geo-polymeric reaction of activated fly-ash and its use.
US8366823B2 (en) 2008-09-25 2013-02-05 United States Gypsum Company Fly ash based lightweight cementitious composition with high compressive strength and fast set
US8562735B2 (en) 2011-08-27 2013-10-22 Louisiana Tech University Research Foundation, a division of Louisiana Tech University Founcation, Inc. Incinerator fly ash geopolymer and method
US9919974B2 (en) 2013-03-14 2018-03-20 The Catholic University Of America High-strength geopolymer composite cellular concrete
US9321687B2 (en) 2013-07-03 2016-04-26 University Of North Dakota Low concentration alkali fly ash cement and method of making
US10247930B2 (en) 2014-09-24 2019-04-02 The United States Of America, As Represented By The Secretary, Department Of Health And Human Services Resolution enhancement for line scanning excitation microscopy systems and methods
EP3365299A4 (en) 2015-10-20 2019-05-01 Arizona Board of Regents on behalf of the University of Arizona CONSTRUCTION MATERIAL CONTAINING FLYING ASH WITH IMPROVED SOLIDITY AND WATER RESISTANCE AND METHODS OF FORMING THE SAME

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090071374A1 (en) * 2006-03-29 2009-03-19 Zeobond Research Pty Ltd Dry Mix Cement Composition, Methods and Systems Involving Same
US20130125792A1 (en) * 2009-09-24 2013-05-23 Ash Improvement Technology, Inc. Production of coal combustion products for use in cementitious materials
CN102344296A (zh) * 2011-04-28 2012-02-08 金立虎 一种铜尾矿粉陶粒的制造方法
WO2012170667A1 (en) * 2011-06-09 2012-12-13 Rutgers, The State University Of New Jersey Synthetic formulations and methods of manufacturing and using thereof
US20150251951A1 (en) * 2012-10-01 2015-09-10 Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona Production Bricks from Mine Tailings Through Geopolymerization
CN106810188A (zh) * 2016-12-28 2017-06-09 大连青松智慧生态科技有限公司 一种金伯利岩尾矿复合材料及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LIANYANG ZHANG 等: "Synthesis and characterization of fly ash modified mine tailings-based geopolymers", 《CONSTRUCTION AND BUILDING MATERIALS》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109580302A (zh) * 2018-12-06 2019-04-05 东北大学 一种单轴压缩实验用尾矿膏体试样制备装置及实验方法
CN111233360A (zh) * 2020-01-16 2020-06-05 湖北三鑫金铜股份有限公司 一种微细粒铜尾矿制备地聚物基再生骨料的方法

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