CN109399975B - 一种赤泥固硫灰钢渣粉耦合激发胶凝材料及其应用 - Google Patents

一种赤泥固硫灰钢渣粉耦合激发胶凝材料及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于硅酸盐建筑材料技术领域，具体涉及一种赤泥固硫灰钢渣粉耦合激发胶凝材料及其应用，所述胶凝材料各组分按质量百分比计为：赤泥10～50％，固硫灰5～40％，钢渣40～80％。本发明利用赤泥固硫灰钢渣粉三种固体废弃物耦合激发制备胶凝材料，在水化早期，固体废弃物中的氢氧化钙(或游离氧化钙)和溶出的铝离子以及固硫灰中硫酸根反应生成的钙矾石可以调节胶凝材料的凝结时间，改善早期强度和收缩性能；同时，赤泥和固硫灰提供的碱性和硫酸盐环境有助于钢渣中硅铝离子的溶出，继续水化形成的C‑S‑H凝胶提高后期强度。本发明所述胶凝材料的应用具有工艺简单，控制简便，节能环保，易于工业化应用的特点。

Description

一种赤泥固硫灰钢渣粉耦合激发胶凝材料及其应用
技术领域
本发明属于硅酸盐建筑材料技术领域，具体涉及一种赤泥固硫灰钢渣粉耦合激发胶凝材料及其应用。
背景技术
全世界波特兰水泥年产量多达40亿吨，但其生产过程需要消耗石灰石、黏土等自然矿物资源，同时排放大量温室气体CO2。与此同时，我国每年产生60亿吨的工业固体废弃物，其中，钢渣和固硫灰的利用率都不足20％，赤泥不足5％，因此造成大量固体废弃物露天堆存，这不仅占用大量土地也污染地下水，给环境造成巨大威胁。为了积极应对矿物资源可持续发展及全球气候变暖问题，提高固体废弃物利用率。研究者们致力于开发一种新的胶凝材料体系，碱激发凝胶材料由于其低碳排放及经济和工艺优势，被认为是最有可能替代波特兰水泥的新型胶凝材料。通过掺入碱性氢氧化物、硅酸盐、碳酸盐和硫酸盐提高胶凝体系碱性，促进硅铝酸盐矿物中硅、铝离子的溶出速率和水化产物的形成。
但是一种胶凝材料对环境的负面影响需要综合评价，主要包括水体富营养化、酸雨、臭氧层的破坏、光化学烟雾以及对人类的危害等。尽管碱激发体系需要使用少量的化学激发剂，但这些化学激发剂对环境的某些影响却是波特兰水泥的数十倍。因此应避免使用化学激发剂而尝试将不同固体废弃物合理匹配耦合激发制备新型碱激发胶凝材料。
赤泥是铝土矿制取氧化铝过程中产生的固体废料，其中含有大量的硅铝酸盐物质，同时存在的碳酸钠和铝酸钠可提供较高的碱性水化环境。循环流化床燃煤固硫灰渣(以下简称固硫灰)是循环流化床煤的副产品，其中含有无水石膏和氢氧化钙等矿物。而钢渣中含有硅酸盐矿物，如硅酸三钙、硅酸二钙，还含有游离氧化钙和氧化镁。有研究指出它们各自水化并无胶凝活性。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种利用赤泥固硫灰钢渣粉耦合激发制备胶凝材料的方法。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种赤泥固硫灰钢渣粉耦合激发胶凝材料，各组分按质量百分比计为：赤泥10～50％，固硫灰5～40％，钢渣40～80％。
上述方案中，所述钢渣的化学组成为：CaO：36.96～44.62％，Al2O3：3.76～10.28％，MgO：2.52～7.8％，SiO2：11.20～20.97％，主要组成矿物为：橄榄石、硅酸三钙、硅酸二钙、RO相。
上述方案中，所述固硫灰化学组成为：CaO：17.22～41.95％，Al2O3：5.57～14.89％，SO3：11.61～16.09％，SiO2：12.78～39.8％，主要矿物组成为：方解石、氢氧化钙、氧化钙、石英和石膏。
上述方案中，所述赤泥的化学成分：CaO：13.36～22.34％，Al2O3：20.31～28.96％，Na2O：10.61～16.09％，SiO2：21.43～30.80％，主要矿物组成为：文石、方解石、三水铝石和水玻璃。
上述方案中，所述赤泥、固硫灰和钢渣的比表面积均为350～500m2·kg-1。
上述赤泥固硫灰钢渣粉耦合激发胶凝材料的应用，具体包括如下步骤：
(1)按质量比称取各原料：赤泥10～50％，固硫灰5～40％，钢渣40～80％；
(2)将各原料投入到水泥砂浆搅拌机中，加入拌合水、河砂搅拌均匀，倒入模具成型后，标准养护或蒸汽养护至龄期。
上述方案中，所述拌合水的加入量为赤泥、固硫灰和钢渣总重量的30～60％，所述河砂的加入量为赤泥、固硫灰和钢渣总重量的100～300％。
上述方案中，所述搅拌使用行星式水泥砂浆搅拌机实现，低速搅拌60s，高速搅拌90s，所述低速：自转140±5r/min公转62±5r/min，所述高速：自转285±10r/min公转125±10r/min。
上述方案中，所述标准养护条件为在水中养护或在空气湿度≥96％，养护温度为20℃。
上述方案中，所述蒸汽养护的条件为：蒸汽温度范围为50～80℃，蒸养时间为4～8h，升温速率为10～15℃/h。
本发明的有益效果如下：
1)传统硅酸盐水泥生产过程过度消耗自然矿产资源，同时排放大量CO2，而本发明采用赤泥、固硫灰复合钢渣激发胶凝材料能够充分利用多种固体废弃物，通过合理匹配各固体废弃物耦合激发各自胶凝活性，显著提高固体废弃物的利用率，具有工艺简单，低碳排放，控制简便，节能环保，易于工业化应用的特点；
2)本发明利用赤泥固硫灰钢渣粉三种固体废弃物耦合激发制备胶凝材料，在水化早期，固体废弃物中的氢氧化钙(或游离氧化钙)和溶出的铝离子以及固硫灰中硫酸根反应生成的钙矾石可以调节胶凝材料的凝结时间，改善早期强度和收缩性能；同时，赤泥和固硫灰提供的碱性和硫酸盐环境有助于钢渣中硅铝离子的溶出，继续水化形成的C-S-H凝胶提高后期强度；本发明未使用化学激发剂，有效减轻环境负荷。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
以下实施例中，钢渣化学组成为：CaO：36.96～44.62％，Al2O3：3.76～10.28％，MgO：2.52～7.8％，SiO2：11.20～20.97％，主要组成矿物为：橄榄石、硅酸三钙、硅酸二钙、RO相；固硫灰化学组成为：CaO：17.22～41.95％，Al2O3：5.57～14.89％，SO3：11.61～16.09％，SiO2：12.78～39.8％，主要矿物组成为：方解石、氢氧化钙、氧化钙、石英和石膏。赤泥的化学成分：CaO：13.36～22.34％，Al2O3：20.31～28.96％，Na2O：10.61～16.09％，SiO2：21.43～30.80％，主要矿物组成为：文石、方解石、三水铝石和水玻璃。以上百分含量为相应组分占各固体废弃物重量的百分比。
实施例1～6
将预先烘干至恒重后、通过球磨机粉磨至勃氏比表面积350～500m2·kg-1(勃氏比表面积测定法测得)的固硫灰、赤泥和钢渣粉按表1所示的配比混合均匀，然后加入占三种固体废弃物总重量50％的拌合水和300％的河砂，使用行星式水泥砂浆搅拌机进行搅拌(低速搅拌60s，高速搅拌90s，所述低速：自转140±5r/min公转62±5r/min，所述高速：自转285±10r/min公转125±10r/min)，搅拌结束后成型尺寸为40×40×160mm3的三联模，表面用刮刀刮平并用保鲜膜覆盖于试模表面防止胶砂中水分蒸发。各配比成型试块经标准养护24小时后脱模，然后继续置于标准养护条件下养护至7天，28天。测试各龄期的抗压强度，结果如表2所示。
表1固硫灰赤泥钢渣粉耦合激发胶凝材料配比
配比 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6
钢渣粉 100 - - 70 60 50
赤泥 - 100 - 20 30 40
固硫灰 - - 100 10 10 10
表2耦合激发胶凝材料胶砂的抗压强度
Figure BDA0001880376890000041
从表2可以看出，在28天龄期三种固体废弃物(实施例1～3)各自强度都小于1MPa，且在1天龄期都难以脱模，说明三种固体废弃物单独水化时胶凝性较差。但是将三种固体废弃物按一定配比复合时，制备的胶凝材料具有良好的早期(7天)强度，同时随着龄期的延长，后期(28天)强度也有显著增长。尽管该胶凝材料与波特兰水泥相比，强度较低，但仍可以应用于一些非承重的特殊工程结构中。因此，可以利用赤泥固硫灰钢渣粉耦合激发制备胶凝材料部分代替波特兰水泥在一些特殊服役环境下使用。
为了简化工艺，缩短养护时间，胶砂成型后可经过蒸汽养护，蒸汽温度范围为50～80℃，蒸养时间为4～8小时，升温速率为10～15℃/h。在同样的测试条件下，测得实施例5和实施例6中三种固体废弃物耦合激发胶凝材料7天和28天的抗压强度分别大于5MPa和8MPa。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种赤泥固硫灰钢渣粉耦合激发胶凝材料，其特征在于，各组分按质量百分比计为：赤泥10～50％，固硫灰5～40％，钢渣40～80％；所述钢渣的主要化学组成按质量百分比计：CaO 36.96～44.62％，Al2O3 3.76～10.28％，MgO 2.52～7.8％，SiO2 11.20～20.97％，主要组成矿物为：橄榄石、硅酸三钙、硅酸二钙、RO相；所述固硫灰的化学组成按质量百分比计：CaO 17.22～41.95％，Al2O3 5.57～14.89％，SO3 11.61～16.09％，SiO2 12.78～39.8％，主要矿物组成为：方解石、氢氧化钙、氧化钙、石英和石膏；所述赤泥的主要化学成分按质量百分比计：CaO 13.36～22.34％，Al2O3 20.31～28.96％，Na2O 10.61～16.09％，SiO2 21.43～30.80％，主要矿物组成为：文石、方解石、三水铝石和水玻璃。
2.根据权利要求1所述赤泥固硫灰钢渣粉耦合激发胶凝材料，其特征在于，所述赤泥、固硫灰和钢渣的比表面积均为350～500m2 · kg-1 。
3.权利要求1～2任一所述赤泥固硫灰钢渣粉耦合激发胶凝材料的应用，其特征在于，具体包括如下步骤：(1)将赤泥、固硫灰和钢渣烘干至恒重后，分别球磨至比表面积为350～500m2 · kg-1 ；(2)按质量百分比称取各原料：赤泥10～50％，固硫灰5～40％，钢渣40～80％；(3)将各原料投入到水泥砂浆搅拌机中，加入拌合水、河砂搅拌均匀，倒入模具成型后，标准养护或蒸汽养护至龄期。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述拌合水的加入量为赤泥、固硫灰和钢渣总重量的30～60％，所述河砂的加入量为赤泥、固硫灰和钢渣总重量的100～300％。
5.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述搅拌使用行星式水泥砂浆搅权利要求书拌机实现，低速搅拌60s，高速搅拌90s，所述低速：自转140±5r/min公转62±5r/min，所述高速：自转285±10r/min公转125±10r/min。
6.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述标准养护条件为在水中养护或在空气湿度≥96％，养护温度为50～80℃。
7.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述蒸汽养护的条件为：蒸汽温度范围为50～80℃，蒸养时间为4～8h，升温速率为10～15℃/h。
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