CN110372308A - 一种钛石膏废渣复合胶凝材料及其应用 - Google Patents

一种钛石膏废渣复合胶凝材料及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于建筑材料领域，涉及钛石膏废渣资源化利用，具体涉及一种钛石膏废渣复合胶凝材料，包括以下重量份的原料：钛石膏：20‑80份；碱性催化剂：1‑70份；化学添加剂：0.1‑10份；减水剂：0.1‑5份。本发明复合胶凝材料在建筑材料中的应用方法，包括如下步骤：按照所述重量份配备原料，先将钛石膏和化学添加剂混合搅拌，然后再依次加入碱性催化剂、减水剂和水，控制水和胶凝材料的重量比在0.3‑0.7，搅拌均匀，得到浆体后浇筑、养护即可。所得建筑材料具有良好的力学性能、较好的耐久性；此外，本发明复合胶凝材料还具有生产加工成本低、工艺操作简单、减少环境污染等特点，为合理利用钛石膏废渣资源化提供新的途径。

Description

一种钛石膏废渣复合胶凝材料及其应用
技术领域
本发明属于建筑材料领域，涉及钛石膏废渣资源化利用，具体涉及一种钛石膏废渣复合胶凝材料及其应用。
背景技术
钛石膏是采用硫酸法生产钛白粉时，为治理酸性废水，加入石灰(或电石渣)以中和大量的酸性废水而产生的以二水石膏为主要成分的废渣。钛石膏的产生量和堆存量很大，需要以规模化方式集中进行利用，但其含有一定的杂质，需无害化处置后才可资源综合利用。近年来，我国每年约产生32-48万吨的钛石膏废渣，几乎没有得到有效地利用。钛石膏的排放不仅占用大量土地、污染环境，而且给钛白粉生产企业造成了很大的经济负担。
钛石膏的储藏量巨大，且仍在源源不断的产生新的钛石膏，因此对其资源化管理至关重要，开发出一条切实可行的钛石膏资源化利用途径是迫切需要解决的问题。由于钛石膏含水量高、粘度大、呈弱酸性，其主要成分为二水硫酸钙，其浸出液中的金属元素含量均在0.001-0.05mg/L范围，低于危险废物的限值，即钛石膏浸出毒性这一项不属于危险废物，因此，钛石膏可以研发成为环境友好型高附加值建筑材料。
目前，钛石膏废渣资源化利用还处于试验推广阶段，主要是被用作水泥缓凝剂和建筑材料，也有被用作土壤改良剂复垦造地、高速公路基材、井下采空回填材料项目等。现有技术有将生石灰作为激发剂先与钛石膏共混，这会导致早期产生的物质复杂多样，影响早期的水化速度。
发明内容
针对上述问题，本发明研发一种能提供良好的力学性能、较好的耐久性的建筑用复合胶凝材料，实现钛石膏废渣更好地资源化利用。
为解决上述问题，本发明通过以下技术方案实现：
本发明一种钛石膏废渣复合胶凝材料，包括以下重量份的原料：
钛石膏：20-85份；
碱性催化剂：1-70份；
化学添加剂：0.1-10份；
减水剂：0.1-5份。
所述钛石膏的主要化学成分及比重为CaO：24.86-37.93%，SO3：30.57-39.46%，SO2：1.02-2.56%，Fe2O3：7.36-9.25%，Al2O3：0.78-1.75%，MgO： 0.74-3.78%，TiO2：1.45-5.37%，损失量：10.65-18.90%，结晶水：12.96-15.82%。
所述钛石膏为钛石膏原料经干燥、粉碎、研磨、过筛制备的钛石膏粉体；所述钛石膏干燥温度为100-230℃，干燥时间1-5h，粉碎转速3000-5000rpm，粉碎时间1-3h，过200目以上的筛。
所述碱性催化剂为水泥、碱性矿渣、煅烧白云石及其它碱性灰渣中的一种或一种以上。
所述碱性催化剂，其中水泥为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫酸盐水泥、磷酸盐水泥中的一种或一种以上。
所述碱性催化剂为经粉碎、研磨、过筛制备的粉体；所述碱性催化剂粉碎转速1000-3000rpm，粉碎时间1-3h，过150目以上的筛，比表面积为300-450m2/Kg。
所述化学添加剂为硫酸氢钠、硫酸铁、硫酸钾、磷酸二氢钙、磷酸二氢钠中的一种或一种以上。
所述减水剂为木质素磺酸钠盐减水剂、萘系高效减水剂、脂肪族高效减水剂、氨基高效减水剂、聚羧酸高效减水剂中的一种或一种以上。
本发明钛石膏废渣复合胶凝材料在建筑材料中的应用方法，包括如下步骤：，
按照上述重量份配备原料，先将钛石膏和化学添加剂（置于水泥净浆搅拌机中）混合搅拌，然后再依次加入碱性催化剂、减水剂和水，控制水胶比（水与胶凝材料的重量比值）在0.3-0.7，搅拌均匀，得到浆体后浇筑、养护即可。
钛石膏和化学添加剂的搅拌转速为25-56rpm，搅拌时间为20-60min；加料完全后，搅拌转速为78-200rpm，搅拌时间为30-100min。
本发明具有以下积极有益效果：
（1）本发明复合胶凝材料具有良好的力学性能、较好的耐久性；此外，本发明复合胶凝材料还具有生产加工成本低、工艺操作简单、减少环境污染等特点，为合理利用钛石膏废渣资源化提供新的途径。
（2）本发明采用双激发剂复配提高复合胶凝材料的强度，化学添加剂可以加速复合胶凝材料早期的水化速度，反应过程简单，缩短凝结时间，提高复合材料的水化与硬化能力；而碱性催化剂可显著地增强复合胶凝材料后期的水化与硬化。加入水后，复合胶凝材料发生水化，水泥中的硅酸二钙、硅酸三钙和铝酸三钙等高活性矿物会迅速溶解于水并发生化学反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙和氢氧化钙等水化产物，OH-离子促使矿渣中原先聚合度较高的玻璃态网络中的Si-O键和Al-O键断裂成为不饱和键，进而网络解聚和硅、铝的溶解扩散并成为活性状态，与Ca(OH)2水化产生的Ca2+反应生成水化硅酸钙(CaO·SiO2·nH2O)和水化铝酸钙(CaO·Al2O3·nH2O)，它们都是稳定性较好的凝胶物质，可以在空气中硬化而获得高的强度。与此同时，水化铝酸钙和钛石膏中的溶解出来的二水石膏发生反应，生成钙矾石晶体等胶凝物质。随着钛石膏掺量高，生成的钙矾石数量增长和胶结材料的结构稳定性得到提高。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，但本发明的实施例不限于此。
实施例1
一种钛石膏废渣复合胶凝材料，按以下重量份数计的组分制备：
钛石膏：40份；
碱性矿渣：20份；
硅酸盐水泥：35份；
硫酸铁：3份；
氨基高效减水剂：2份；
将钛石膏原料在210℃下干燥2h，用粉碎机在3500rpm下粉碎2h，研磨、过250目筛；使用粉碎机于1800rpm下粉碎1h，过200目筛，分别获得比表面积为400m2/Kg的矿渣和水泥粉体。
将钛石膏废渣复合胶凝材料应用于建筑材料，包括如下步骤：
（1）按照一定的配比称取复合胶凝材料，先将钛石膏粉体和硫酸铁置于水泥净浆搅拌机在40rpm下搅拌15min，然后再依次加入矿渣、硅酸盐水泥粉体、氨基高效减水剂和水，控制水胶比（水与胶凝材料的比值）在0.4，于200rpm搅拌3min；
（2）将步骤（1）制备的复合胶凝材料均匀浆体浇筑于4*4*4cm3的试模中，浇筑压力为60MPa，保压时间为15s，24h后脱模，并放入标准养护箱中（温度20±2℃，湿度95%）养护至试验龄期。
实施例2
一种钛石膏废渣复合胶凝材料，按以下重量份数计的组分制备：
钛石膏：56.5份；
白云石：30份；
硅酸盐水泥：10份；
磷酸二氢钠：1.5份；
聚羧酸高效减水剂：2份；
将钛石膏原料在200℃下干燥3h，用粉碎机在3000rpm下粉碎2h，研磨、过300目筛；使用粉碎机于2000rpm下粉碎2h，过150目筛，分别获得比表面积为380m2/Kg的白云石和水泥粉体。
将钛石膏废渣复合胶凝材料应用于建筑材料，包括如下步骤：
（1）按照一定的配比称取复合胶凝材料，先将钛石膏粉体和磷酸二氢钠置于水泥净浆搅拌机在25rpm下搅拌20min，然后再依次加入白云石、硅酸盐水泥粉体、聚羧酸高效减水剂和水，控制水胶比（水与胶凝材料的比值）在0.5，于100rpm搅拌10min；
（2）将步骤（1）制备的复合胶凝材料均匀浆体浇筑于4*4*4cm3的试模中，浇筑压力为20MPa，保压时间为5min，24h后脱模，并放入标准养护箱中（温度20±2℃，湿度95%）养护至试验龄期。
实施例3
一种钛石膏废渣复合胶凝材料，按以下重量份数计的组分制备：
钛石膏：70份；
碱性矿渣：14份；
硅酸盐水泥：10份；
硫酸二氢钠：2份；
萘系高效减水剂：4份；
将钛石膏原料在150℃下干燥3h，用粉碎机在4000rpm下粉碎2h，研磨、过280目筛；使用粉碎机于2800rpm下粉碎2h，过210目筛，分别获得比表面积为410m2/Kg的矿渣和水泥粉体。
将钛石膏废渣复合胶凝材料应用于建筑材料，包括如下步骤：
（1）按照一定的配比称取复合胶凝材料，先将钛石膏粉体和硫酸二氢钠置于水泥净浆搅拌机在15rpm下搅拌30min，然后再依次加入矿渣、硅酸盐水泥粉体、萘系高效减水剂和水，控制水胶比（水与胶凝材料的比值）在0.3，于100rpm搅拌6min；
（2）将步骤（1）制备的复合胶凝材料均匀浆体浇筑于4*4*4cm3的试模中，浇筑压力为45MPa，保压时间为7min，24h后脱模，并放入标准养护箱中（温度20±2℃，湿度95%）养护至试验龄期。
实施例4
一种钛石膏废渣复合胶凝材料，按以下重量份数计的组分制备：
钛石膏：50份；
碱性矿渣：20份；
硅酸盐水泥：25份；
硫酸氢钠：2份；
木质素磺酸钠盐减水剂：3份；
将钛石膏原料在180℃下干燥3h，用粉碎机在3500rpm下粉碎2h，研磨、过200目筛；使用粉碎机于2500rpm下粉碎1h，过230目筛，分别获得比表面积为420m2/Kg的矿渣和水泥粉体。
将钛石膏废渣复合胶凝材料应用于建筑材料，包括如下步骤：
（1）按照一定的配比称取复合胶凝材料，先将钛石膏粉体和硫酸氢钠置于水泥净浆搅拌机在25rpm下搅拌10min，然后再依次加入矿渣、硅酸盐水泥粉体、木质素磺酸钠盐减水和水，控制水胶比（水与胶凝材料的比值）在0.35，于180rpm搅拌5min；
（2）将步骤（1）制备的复合胶凝材料均匀浆体浇筑于4*4*4cm3的试模中，浇筑压力为30MPa，保压时间为8min，24h后脱模，并放入标准养护箱中（温度20±2℃，湿度95%）养护至试验龄期。
对比例1
一种钛石膏废渣复合胶凝材料，按以下重量份数计的组分制备：
钛石膏：40份；
矿渣：55份；
硫酸氢钠：3份；
木质素磺酸钠盐减水剂：2份；
将钛石膏原料在160℃下干燥4h，用粉碎机在3000rpm下粉碎2h，研磨、过200目筛；使用粉碎机于3000rpm下粉碎1h，过230目筛，获得比表面积为410m2/Kg的矿渣。
将钛石膏废渣复合胶凝材料应用于建筑材料，包括如下步骤：
（1）按照一定的配比称取复合胶凝材料，先将钛石膏粉体和硫酸氢钠置于水泥净浆搅拌机在20rpm下搅拌15min，然后再依次加入矿渣、木质素磺酸钠盐减水和水，控制水胶比（水与胶凝材料的比值）在0.4，于180rpm搅拌3min；
（2）将步骤（1）制备的复合胶凝材料均匀浆体浇筑于4*4*4cm3的试模中，浇筑压力为30MPa，保压时间为8min，24h后脱模，并放入标准养护箱中（温度20±2℃，湿度95%）养护至试验龄期。
对比例2
一种钛石膏废渣复合胶凝材料，按以下重量份数计的组分制备：
钛石膏：40份；
硫酸氢钠：5份；
木质素磺酸钠盐减水剂：2份；
将钛石膏原料在160℃下干燥4h，用粉碎机在3000rpm下粉碎2h，研磨、过200目筛；
将钛石膏废渣复合胶凝材料应用于建筑材料，包括如下步骤：
（1）按照一定的配比称取复合胶凝材料，先将钛石膏粉体和硫酸氢钠置于水泥净浆搅拌机在20rpm下搅拌15min，然后再依次加入木质素磺酸钠盐减水和水，控制水胶比（水与胶凝材料的比值）在0.4，于180rpm搅拌3min；
（2）将步骤（1）制备的复合胶凝材料均匀浆体浇筑于4*4*4cm3的试模中，浇筑压力为30MPa，保压时间为8min，24h后脱模，并放入标准养护箱中（温度20±2℃，湿度95%）养护至试验龄期。
对比例3
一种钛石膏废渣复合胶凝材料，按以下重量份数计的组分制备：
钛石膏：40份；
生石灰：20份；
硫酸钠：3份；
硫铝酸盐水泥：20份；
普通硅酸盐水泥：15份；
聚羧酸高效减水剂：2份；
将钛石膏废渣复合胶凝材料应用于建筑材料，包括如下步骤：
（1）按照一定的配比称取复合胶凝材料，先将钛石膏粉体、生石灰、硫铝酸盐水泥粉体、普通硅酸盐水泥置于水泥净浆搅拌机在20rpm下搅拌15min，然后再依次加入硫酸钠、聚羧酸高效减水剂和水，控制水胶比（水与胶凝材料的比值）在0.35，于180rpm搅拌3min；
（2）将步骤（1）制备的复合胶凝材料均匀浆体浇筑于4*4*4cm3的试模中，浇筑压力为30MPa，保压时间为8min，24h后脱模，并放入标准养护箱中（温度20±2℃，湿度95%）养护至试验龄期。
性能测试：
采用压力试验机将实例1-实例6步骤中所制备的建筑材料进行强度测试，根据GB/T23451-2009、JC/T698-2010，上述实施例所得样品的性能比较如表1-2所示。
表1建筑材料性能检测结果
表2建筑材料性能检测结果续
。
上述实施案例仅仅表述了本发明的几种具体的实施方案，而不是对本发明专利范围的限制，应当是，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，还可以做出不同的改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种钛石膏废渣复合胶凝材料，其特征在于，包括以下重量份的原料：
钛石膏：20-85份；
碱性催化剂：1-70份；
化学添加剂：0.1-10份；
减水剂：0.1-5份。
2.根据权利要求1所述的钛石膏废渣复合胶凝材料，其特征在于：所述钛石膏的主要化学成分及比重为CaO：24.86-37.93%，SO3：30.57-39.46%，SO2：1.02-2.56%，Fe2O3：7.36-9.25%，Al2O3：0.78-1.75%，MgO： 0.74-3.78%，TiO2：1.45-5.37%，损失量：10.65-18.90%，结晶水：12.96-15.82%。
3.根据权利要求1所述的钛石膏废渣复合胶凝材料，其特征在于：所述钛石膏为钛石膏原料经干燥、粉碎、研磨、过筛制备的钛石膏粉体。
4.根据权利要求1所述的钛石膏废渣复合胶凝材料，其特征在于：所述碱性催化剂为水泥、碱性矿渣、煅烧白云石中的一种或一种以上。
5.根据权利要求4所述的钛石膏废渣复合胶凝材料，其特征在于：所述碱性催化剂中，水泥为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫酸盐水泥、磷酸盐水泥中的一种或一种以上。
6.根据权利要求1所述的钛石膏废渣复合胶凝材料，其特征在于：所述碱性催化剂为比表面积300-450m2/K的粉体。
7.根据权利要求1所述的钛石膏废渣复合胶凝材料，其特征在于：所述化学添加剂为硫酸氢钠、硫酸铁、硫酸钾、磷酸二氢钙、磷酸二氢钠中的一种或一种以上。
8.根据权利要求1所述的钛石膏废渣复合胶凝材料，其特征在于：所述减水剂为木质素磺酸钠盐减水剂、萘系高效减水剂、脂肪族高效减水剂、氨基高效减水剂、聚羧酸高效减水剂中的一种或一种以上。
9.权利要求1-8任一项所述钛石膏废渣复合胶凝材料在建筑材料中的应用。
10.权利要求1-8任一项所述钛石膏废渣复合胶凝材料在建筑材料中的应用方法，包括如下步骤：按照所述重量份配备原料，先将钛石膏和化学添加剂混合搅拌，然后再依次加入碱性催化剂、减水剂和水，控制水和胶凝材料的重量比在0.3-0.7，搅拌均匀，得到浆体后浇筑、养护即可。
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