CN110041015A

CN110041015A - 一种全固废生态胶凝材料

Info

Publication number: CN110041015A
Application number: CN201910240025.1A
Authority: CN
Inventors: 常杰善; 卢勇; 赵凯; 王光
Original assignee: Guangdong Datong Datong Environmental Protection Technology Co Ltd
Current assignee: Guangdong Datong Datong Environmental Protection Technology Co Ltd
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2019-07-23

Abstract

本发明提供一种全固废生态胶凝材料，涉及建筑材料领域。包括如下质量份的原料：固体废弃物100份，化学激发剂1‑5份，减水剂0.5‑1份，消泡剂0.5‑1份，其中固体废弃物的质量配比如下：镍铁渣50％‑70％，矿渣10％‑30％，粉煤灰5％‑10％，石膏0‑10％，钢渣5％‑10％。本发明以镍铁渣、矿渣和钢渣为原料，将其作为胶凝材料的熟料来源，辅以工业副产石膏和粉煤灰等工业固废，通过机械激发和化学激发制备出的一种可以部分取代硅酸盐水泥的低水化热生态胶凝材料。本发明实现了工业冶金废渣镍铁渣、矿渣和钢渣的高效资源化利用，有效降低硅酸盐水泥熟料的使用量。与硅酸盐水泥相比，本发明的全固废生态胶凝材料具有低水化热、抗硫酸盐侵蚀性能好的特点。

Description

一种全固废生态胶凝材料

技术领域

本发明提供一种全固废生态胶凝材料，涉及固废处理及资源化利用、建筑材料领域。

背景技术

镍铁渣是还原提取镍和部分铁后水淬急冷产生的工业废渣。随着我国冶炼镍铁合金规模逐步扩大，镍铁渣排放量也逐渐增大。近年来，我国镍铁渣年排放量超3000万吨，已成为我国继铁渣、钢渣、赤泥之后第四大冶炼渣。大量镍铁渣堆砌处理或深海填埋，不仅占用土地、污染环境，还给镍铁冶炼的可持续发展带来严峻挑战。因此，开展镍铁渣综合利用的研究对我国镍铁行业意义重大。镍铁渣也叫水淬镍铁渣，主要成分及含量如下表所示，镍铁渣中可回收有价金属较少、镁高钙低，导致镍铁渣活性低、稳定性差、综合利用渠道少、利用成本高。

成分	SiO<sub>2</sub>	MgO	FeO	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	CaO	Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
							含量(％)	49.7	32.8	7.6	3.7	1.8	1.3

制备镍铁渣建筑材料是资源化利用镍铁渣的重要途径之一。中国专利CN108218269A公开了一种镍铁渣胶凝材料及其制备工艺，该制备工艺中将镍铁渣原料作为水泥掺合料使用，镍铁渣综合掺量为仅18％左右，固废资源利用率较低；该制备方法包括强碱活化、水热反应、低温煅烧等工艺，制备工艺复杂，物料及综合能耗较高，经济性较差。中国专利CN106477925A公开了一种少熟料水泥，该专利以镍铁渣微粉作为水泥混合材使用，但镍铁渣微粉活性较低，需加入大量激发剂以提高镍铁渣及矿渣的活性，而大量激发剂的引入，容易导致胶凝材料中碱含量过高，增大胶凝材料需水量，而应用到混凝土中，会增加混凝土碱集料破坏的风险。

综上所述，镍铁渣中可回收有价金属较少、镁高钙低、活性低、致使镍铁渣的综合利用渠道少。镍铁渣本身的活性较低，为保证产品的机械强度，镍铁渣作为掺和料时投料量一般不能超过总灰量的20％，难以同时保证镍铁渣的利用率和产品性能。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种全固废生态胶凝材料及其制备方法，以镍铁渣、矿渣和钢渣为原料，将其作为胶凝材料的熟料来源，辅以工业副产石膏和粉煤灰等工业固废，制备出的一种可以部分取代硅酸盐水泥的低水化热生态胶凝材料，具体技术方案如下：

一种全固废生态胶凝材料，包括如下质量份的原料：固体废弃物100份，化学激发剂1-5份，减水剂0.5-1份，消泡剂0.5-1份，水15-30份。

固体废弃物的质量配比如下：镍铁渣50％-70％，矿渣10％-30％，粉煤灰5％-10％，石膏0-10％，钢渣5％-10％。

进一步地，化学激发剂为石灰石、熟石灰、六偏磷酸钠、无水硫酸钠和氟硅酸镁中的一种或多种。

进一步地，化学激发剂的质量配比如下：熟石灰50％-70％，石灰石30％-50％，六偏磷酸钠0-3％、无水硫酸钠0-5％、氟硅酸镁0-2％。

进一步地，减水剂为木质素磺酸盐类、萘系高效减水剂类、三聚氰胺系高效减水剂类、氨基磺酸盐系高效减水剂类、脂肪酸系高减水剂类、聚羧酸盐系高效减水剂类中的一种或多种。

进一步地，石膏为脱硫石膏、磷石膏、硬石膏。

进一步地，全固废生态胶凝材料的制备方法为：(1)将各固体废弃物和化学激发剂分别球磨后按比例称取并混合均匀，将得到的混合料转移至搅拌机中，(2)将减水剂、消泡剂溶于一定量的水并加入到混合料中，搅拌均匀得净浆并养护。

进一步地，球磨后的固体废弃物和化学激发剂比表面积均≥400m²/kg。

进一步地，步骤(1)中混合时间为5-30min，步骤(2)中搅拌速度为300-600r/min，搅拌时间为5-30min。

进一步地，养护过程为常温下养护3-28天。

本发明旨在利用工业冶金固废镍铁渣、矿渣和钢渣等制备水硬性生态胶凝材料，解决冶金行业固废资源化利用问题。本发明以具有潜在活性的工业冶金废渣——镍铁渣为主要的原料，辅以大宗工业冶金废渣粒化高炉矿渣和钢渣，通过机械激发和化学激发制备得全固废生态胶凝材料。首先将工业冶金废渣通过粉磨至比表面积≥400m²/kg的细粉，机械激发废渣的反应活性，然后通过添加高活性激发剂化学激发镍铁渣、矿渣和钢渣的水化反应活性。

物理激发是通过机械力将冶金渣粉磨成高细粉和超细粉的方法，用机械力使矿渣的热力学性质、结晶学性质、物理化学性质等都会发生规律性变化。镍铁渣、矿渣和钢渣等工业冶金废渣因金属冶炼工艺条件不同，导致生产过程中产生的镍铁渣、矿渣和钢渣的易磨性存在较大的差异，联合粉磨一方面会造成易磨性较大的钢渣和镍铁渣粉体细度较粗，粉体活性较低，不利于水化反应；另一方面由于粉体密度存在差异化，在粉磨机后端选粉过程会造成粉体的不均匀性，影响胶凝材料水硬性。因此，为提高工业冶金废渣的粉磨效率，各渣均采用单独粉磨工艺。以上原料在机械粉磨活性激发过程中均可采用水泥助磨剂和矿渣助磨剂等，提高镍铁渣、钢渣和矿渣的粉磨效率和细粉活性。

本发明额外添加化学激发剂，实现水化反应的碱激发和硫酸盐激发。本发明所采用镍铁渣中玻璃相较少，结晶相较多。在胶凝材料制备中，玻璃体解离后易与石膏、硫酸钠、氢氧化钙和石灰石形成钙矾石及类钙矾石相，而结晶体需在碱性条件下进一步激发，生成水化硅(铝)酸盐凝胶产物。因此，造成胶凝材料早期强度较低及凝固时间较长的主要原因是胶凝材料水化反应初期碱浓度较低，因此本发明采用熟石灰、石灰石和少量无水硫酸钠、六偏磷酸钠或氟硅酸镁配制复合碱激发剂。在配置碱激发剂过程中未使用氢氧化钠、碳酸钠等常用的碱性物质的原因是这两种碱性物质易破坏胶凝材料在水化过程中的流动性，并且容易与骨料反应，造成碱骨料反应不合格。

本发明具有如下有益效果：

1.合理选用化学激发剂，适当提高胶凝材料水化反应初期的碱浓度，促进了镍铁渣中结晶体的解离和水化，缩短凝固时间，提高早期机械强度。

2.采用单独粉磨工艺，提高了镍铁渣、矿渣和钢渣的粉磨效率和细粉水化反应活性。

3.镍铁渣使用量超过原料总量的50％，镍铁渣、矿渣和钢渣的用量之和超过了原料总量的90％，充分解决了工业冶金废渣的处理及利用问题。

4.利用工业冶金废渣制备无熟料的全固废生态胶凝材料，可代替水泥使用，生产过程简单，改善了水泥生产过程中“两磨一烧”的高耗能和环境污染问题。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明采用的镍铁渣原料的扫描电镜图，其中A区域为结晶相，B区域为玻璃相。

图2为实施例1中配比1制备的胶凝材料养护3天的扫描电镜图；

图3为实施例1中配比1制备的胶凝材料养护7天的扫描电镜图

具体实施例

下面将结合具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例1

一种全固废生态胶凝材料，包括如下表所示的质量份的原料,其中石膏采用脱硫石膏，化学激发剂的质量配比为熟石灰50％，石灰石50％。全固废生态胶凝材料的制备方法为：将各固体废弃物和化学激发剂分别球磨至比表面积均≥400m²/kg，按表1中配比称取磨料并充分混合30min，将混合减水剂、消泡剂溶于一定量的水并加入到混合料中并以300r/min的速度搅拌30min，搅拌均匀得净浆并常温养护28天。

表1

以上配比按照GB/T175确定的物理性能参数如表2所示。养护时间对胶凝材料的机械强度有较大影响，抗压轻度均随养护时间的延长而增大。按配比1制得的全固废生态胶凝材料在养护3天和7天后的扫描电镜图如附图2和3所示，养护3天的胶凝材料表面有大量水化产物和钙矾石生成，养护7天后胶凝材料形成大量网络状水化胶凝产物，样块的致密性大幅增加，胶凝材料的机械性能明显提升。

表2

实施例2

一种全固废生态胶凝材料，包括如表3所示的质量份的原料：镍铁渣50份、矿渣30份、粉煤灰10份、钢渣10份、脱硫石膏5份、化学激发剂2.5份、木质素磺酸盐类减水剂1份、消泡剂1份、水24份以及化学激发剂，化学激发剂的质量配比如下表所示，全固废生态胶凝材料的制备方法同上。

表3

以上配比按照GB/T175确定的物理性能参数如表4所示。化学激发剂的加入可在一定程度上缩短凝固时间，提高产品抗压强度。由不同化学激发剂的配比分析可知，石灰石在化学激发剂中具有主导作用，石灰石的质量配比越大，胶凝材料的凝固时间越短，抗压和抗折强度越高。此外，少量六偏磷酸钠、无水硫酸钠、氟硅酸镁的加入可提高化学激发剂的作用，其中六偏磷酸钠效果相对更明显。

表4

对比例1

一种全固废生态胶凝材料，不加入化学激发剂，其余原料和制备方法同实施例1的配比1，本对比例按照GB/T175确定的物理性能参数如表5所示：

本发明的全固废生态胶凝材料的制备在不添加化学激发剂的情况下，胶凝材料的凝固时间具有延长特性，可用于使用缓凝水泥领域，如道路等；添加化学激发剂可降低胶凝材料的凝固时间，提高胶凝材料早强的同时，有利于胶凝材料后期强度的增加，可以提高混凝土早、后期强度和抗渗性、抗冻性等，可代替部分硅酸盐水泥使用。

对比例2

一种全固废生态胶凝材料，以磷石膏代替实施例1配比1中的脱硫石膏，其它原料和制备方法相同。

本对比例和实施例1配比1的胶凝材料按照GB/T175确定的物理性能参数如表6所示。采用脱硫石膏为原料制备的全固废生态胶凝材料的抗压和抗折强度在养护后期增长明显，这是因为相较于磷石膏，脱硫石膏可供更多的可溶性Ca²⁺，有利于含Ca²⁺、Mg²⁺的硅(铝)酸盐凝胶产物在体系中的不断形成，进而提高胶凝材料的机械强度。

Claims

1.一种全固废生态胶凝材料，包括如下质量份的原料：固体废弃物100份，化学激发剂1-5份，减水剂0.5-1份，消泡剂0.5-1份；其中固体废弃物的质量配比如下：镍铁渣50％-70％，矿渣10％-30％，粉煤灰5％-10％，石膏0-10％，钢渣5％-10％。

2.根据权利要求1所述的全固废生态胶凝材料，其特征在于，所述化学激发剂为熟石灰、石灰石、六偏磷酸钠、无水硫酸钠和氟硅酸镁中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的全固废生态胶凝材料，其特征在于，所述化学激发剂的质量配比如下：熟石灰50％-70％，石灰石30％-50％，六偏磷酸钠0-3％、无水硫酸钠0-5％、氟硅酸镁0-2％。

4.根据权利要求1所述的全固废生态胶凝材料，其特征在于，所述减水剂为木质素磺酸盐类、萘系高效减水剂类、三聚氰胺系高效减水剂类、氨基磺酸盐系高效减水剂类、脂肪酸系高减水剂类、聚羧酸盐系高效减水剂类中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的全固废生态胶凝材料，其特征在于，所述石膏为脱硫石膏或磷石膏。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的全固废生态胶凝材料，其特征在于，制备方法为：(1)将各固体废弃物和化学激发剂分别球磨后按比例称取并混合均匀，将得到的混合料转移至搅拌机中；(2)将减水剂、消泡剂溶于一定量的水并加入到混合料中，搅拌均匀得净浆并养护。

7.根据权利要求6所述的全固废生态胶凝材料，其特征在于，球磨后的固体废弃物和化学激发剂比表面积均≥400m²/kg。

8.根据权利要求6所述的全固废生态胶凝材料，其特征在于，步骤(1)中混合时间为5-30min，步骤(2)中搅拌速度为300-600r/min，搅拌时间为5-30min。

9.根据权利要求6所述的全固废生态胶凝材料，其特征在于，养护时间为3-7天。