CN111454011A - 一种利用工程渣土制备碱激发胶凝材料的方法和碱激发胶凝材料 - Google Patents

一种利用工程渣土制备碱激发胶凝材料的方法和碱激发胶凝材料 Download PDF

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Abstract

本发明属于固体废弃物资源化利用技术领域，特别涉及一种利用工程渣土制备碱激发胶凝材料的方法和碱激发胶凝材料。本发明提供的利用工程渣土制备碱激发胶凝材料的方法，包括以下步骤：将工程渣土进行粉碎，得到渣土粉末；将所述渣土粉末进行煅烧，得到煅烧渣土；将所述煅烧渣土和碱激发剂溶液混合，得到碱激发胶凝材料；所述工程渣土中包括30wt.％以上的高岭土；所述煅烧的温度为750～850℃。本发明以工程渣土为原料制备碱激发胶凝材料，无需经过泥沙分离处理，也无需掺入水泥，能够对工程渣土进行充分再利用，相较于传统水泥，本发明在制备碱激发胶凝材料时，煅烧温度较低，且生产过程中低碳环保。

Description

一种利用工程渣土制备碱激发胶凝材料的方法和碱激发胶凝 材料
技术领域
本发明属于固体废弃物资源化利用技术领域，特别涉及一种利用工程渣土制备碱激发胶凝材料的方法和碱激发胶凝材料。
背景技术
工程渣土，是指在地基施工、地下空间开挖等建设工程当中，产生的多余的泥土(含砂石)。现有工程渣土再利用的处理技术主要通过泥沙分离的手段，对分离后的砂石部分进行多级筛分后用以生产骨料，实际利用部分只占渣土的40～50％；而分离后泥浆部分则外弃填埋，或是加以大比例的水泥生产砖块或制品，因此也无法大量利用。
根据有关数据，我国每年消耗水泥将近14亿吨，普通硅酸盐水泥的主要原料是石灰石(主要是CaCO3)，目前可探明的石灰岩矿产总量约500多亿吨，未来水泥资源也将会成为短缺资源。此外，水泥在生产时回转窑的温度大约为1400℃，石灰石在这个过程中受热分解，每分解1吨CaCO3就会产生0.78吨CO2，据统计，水泥在制造的过程中CO2排放约占据全球总量的5～8％。可见，水泥在生产及使用过程中的能耗及排放造成的环境问题也成为我们面临的难题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用工程渣土制备碱激发胶凝材料的方法，本发明以工程渣土为原料制备碱激发胶凝材料，能够对工程渣土进行充分再利用，相较于传统水泥，本发明在制备碱激发胶凝材料时，煅烧温度较低，且生产过程中，CO2排放量比水泥降低40～60％，低碳环保。
为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种利用工程渣土制备碱激发胶凝材料的方法，包括以下步骤：
将工程渣土进行粉碎，得到渣土粉末；
将所述渣土粉末进行煅烧，得到煅烧渣土；
将所述煅烧渣土和碱激发剂溶液混合，得到碱激发胶凝材料；
所述工程渣土包括30wt.％以上的高岭土；
所述煅烧的温度为750～850℃。
优选地，所述渣土粉末的粒径在0.3mm以下。
优选地，所述煅烧的温度由室温升温得到，所述升温的速率为5～10℃/min。
优选地，所述煅烧的时间为2～3h。
优选地，所述碱激发剂溶液的制备原料包括氢氧化钠、水玻璃和水；所述氢氧化钠、水玻璃和水的质量比为(60～160)：(420～600)：215；所述水玻璃的模数为2.10～2.30。
优选地，所述煅烧渣土和碱激发剂溶液的质量比为(1500～1900)：(695～975)。
优选地，所述煅烧渣土和碱激发剂溶液混合后，还包括：将混合所得聚合物浆体依次进行振动成型、常温养护和湿养护。
优选地，所述常温养护的温度为19～21℃，所述常温养护的时间为20～24h；所述湿养护的温度为19～21℃，所述湿养护的相对湿度为95％以上，所述湿养护的时间为2～27天。
本发明提供了采用上述技术方案所述方法制备得到的碱激发胶凝材料。
本发明提供了一种利用工程渣土制备碱激发胶凝材料的方法，包括以下步骤：将工程渣土进行粉碎，得到渣土粉末；将所述渣土粉末进行煅烧，得到煅烧渣土；将所述煅烧渣土和碱激发剂溶液混合，得到碱激发胶凝材料；所述工程渣土中包括30wt.％以上的高岭土；所述煅烧的温度为750～850℃。在本发明中，工程渣土中的高岭土经750～850℃煅烧脱羟基转化为无定型的偏高岭土，相比于低温煅烧，偏高岭土的活化程度较高，活性更好，为碱激发胶凝材料的制备提供活性成分；本发明利用煅烧渣土中的偏高岭土与碱激发剂溶液反应，形成三维网格结构的聚合物，得到强度较高的碱激发胶凝材料。本发明在制备碱激发胶凝材料时，煅烧温度较低，且生产过程中，CO2排放量比水泥降低40～60％，低碳环保。
与现有的工程渣土处理手段相比，本发明无需外运或填埋，能够节约土地资源，减少安全事故的发生；本发明提供的方法实用性强，生产过程简单易控制，制备过程中无需经过泥沙分离，也无需额外掺入水泥，即可实现对渣土中砂、石、土的全组分、大掺量利用；并且，本发明制备的碱激发胶凝材料力学性能优良，可用于作为受压、受弯构件的建筑材料，如梁、板、柱等，大规模应用于实际工程当中，缓解目前因大量使用水泥所带来的成本过高、资源有限、碳排放较大等问题。
附图说明
图1为本发明实施例1采用的工程渣土的实物图；
图2为本发明实施例1中破碎后的工程渣土的实物图；
图3为本发明实施例1中渣土粉末的实物图；
图4为本发明实施例1中煅烧渣土的实物图；
图5为本发明实施例1～6制备的碱激发胶凝材料的抗压强度测试结果；
图6为本发明实施例1～6制备的碱激发胶凝材料的抗折强度测试结果。
具体实施方式
本发明提供了一种利用工程渣土制备碱激发胶凝材料的方法，包括以下步骤：
将工程渣土进行粉碎，得到渣土粉末；
将所述渣土粉末进行煅烧，得到煅烧渣土；
将所述煅烧渣土和碱激发剂溶液混合，得到碱激发胶凝材料；
所述工程渣土中包括30wt.％以上的高岭土；
所述煅烧的温度为750～850℃。
本发明将工程渣土进行粉碎，得到渣土粉末。在本发明中，所述工程渣土中包括高岭土，所述高岭土的含量在30wt.％以上，优选为30～50wt.％。
在本发明的具体实施例中，所述工程渣土为花岗岩残积土，所述花岗岩残积土包括50wt.％石英和30～35wt.％高岭土；其中石英本身并不具有活性，也无法被高温煅烧激活，故并不参与化学反应，起到填充作用；高岭土主要成分为氧化硅和氧化铝，经过煅烧后转变为无定型的偏高岭土，偏高岭土能够和碱激发剂溶液反应，在胶凝材料制备过程中起到胶结作用。
在本发明中，优选先采用破碎机将所述工程渣土破碎至5mm粒径以下，然后在将破碎后的工程渣土进行粉碎研磨，得到渣土粉末。发明对所述粉碎研磨的具体工艺没有特殊的要求，以得到符合粒径要求的渣土粉末为宜。本发明优选将粉碎研磨后的工程渣土进行筛分，所得筛下物为渣土粉末，在本发明中，所述筛分用的筛网优选为0.3mm，所得渣土粉末的粒径在0.3mm以下。本发明将渣土粉末的粒径限定在上述范围，能够提高渣土粉末的比表面积，提高碱激发胶凝材料的强度。
得到渣土粉末后，本发明将所述渣土粉末进行煅烧，得到煅烧渣土。在本发明中，所述煅烧的温度为750～850℃，具体优选为750℃、800℃或850℃；由室温升至所述煅烧的温度的升温速率优选为5～10℃/min，更优选为10℃/min；所述煅烧的时间优选为2～3h，更优选为2h。本发明优选在所述煅烧后，自然冷却至室温，得到煅烧渣土。在本发明中，所述煅烧优选在马弗炉中进行。在本发明的具体实施例中，所述室温的温度为20～30℃，优选为25℃。
得到煅烧渣土后，本发明将所述煅烧渣土和碱激发剂溶液混合，得到碱激发胶凝材料。在本发明中，所述碱激发剂溶液的制备原料优选包括氢氧化钠、水玻璃和水；所述氢氧化钠、水玻璃和水的质量比优选为(60～160)：(420～600)：215，更优选为(100～140)：(430～440)：215；所述水玻璃的模数优选为2.10～2.30，更优选为2.15～2.25；所述水优选为纯净水。
在本发明中，所述碱激发剂溶液的制备方法包括以下步骤：将氢氧化钠和水混合，得到氢氧化钠溶液；将所述氢氧化钠溶液和水玻璃混合，静置，得到碱激发剂溶液。在本发明中，所述静置的时间优选为10～30min，更优选为20min。本发明在静置过程中，能够使得氢氧化钠和水玻璃充分混合均匀并冷却，在此过程中，氢氧化钠与水玻璃不发生反应，氢氧化钠起到调节激发剂溶液碱含量的作用。
在本发明中，所述煅烧渣土和碱激发剂溶液的质量比优选为(1500～1900)：(695～975)，更优选为(1600～1800)：(745～795)。
在本发明中，所述混合的方法优选按照GB/T1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性校验方法》中7.2的规定进行混合，具体优选包括以下步骤：将所述碱激发剂溶液倒入搅拌锅内，然后在5～10s内将所述煅烧渣土加入所述碱激发剂溶液中；再将所述搅拌锅放在搅拌机的锅座上，升至搅拌位置，将开关拔至自动程控位置，即自动完成一次慢转—停—快转程序；程序设定为低速搅拌120s，低速搅拌后停15s；最后继续高速搅拌120s。在本发明中，所述低速搅拌的搅拌速度优选为自转135～145r/min且公转57～67r/min，更优选为自转140r/min且公转62r/min，本发明在所述低速搅拌过程中能够防止刚开始搅拌时锅中材料溅出；在停15s的过程中将叶片和锅壁上的水泥浆刮入锅中间，防止有过多粘住的煅烧渣土未得到充分搅拌；在本发明中，所述高速搅拌的搅拌速度优选为自转275～295r/min且公转115～135r/min，更优选为自转285r/min且公转125r/min，在高速搅拌过程中，能够使所述碱激发剂溶液溶液和煅烧渣土能够充分且均匀的发生反应。本发明在所述混合过程中，煅烧渣土中的偏高岭土在所述碱激发剂溶液中经过溶解、缩聚和重组，最终逐渐形成聚合物浆体，得到碱激发胶凝材料。在本发明中，偏高岭土(Al4[Si4O10](OH)8)在碱性介质OH-离子的作用下表面开始溶解，Si-O共价键和Al-O共价键发生断裂，形成低聚的[SiO4]四面单体和[AlO4]四面单体；[SiO4]四面单体和[AlO4]四面单体在溶液中重组和重排，相互作用发生缩聚反应，形成链状、片状或者三维网络结构的无定形溶胶高聚物；然后高聚物进一步脱水聚合，最终硬化形成聚合物浆体。
本发明在所述煅烧渣土和碱激发剂溶液混合后，优选将混合所得聚合物浆体依次进行振动成型、常温养护和湿养护，得到碱激发胶凝材料。在本发明中，所述振动成型优选在40mm×40mm×160mm的棱形模具中进行，本发明对所述振动成型的具体工艺没有特殊的限定，采用本领域技术人员所熟知的振动成型工艺即可。在本发明中，所述常温养护的温度优选为20±1℃，所述常温养护的时间优选为20～24h。在本发明中，所述湿养护的温度优选为20±1℃，所述湿养护的相对湿度优选为95％以上，所述湿养护的时间优选为2～27天。
本发明还提供了采用上述技术方案所述方法制备得到的碱激发胶凝材料。本发明提供的碱激发胶凝材料具有较高的抗压强度和抗折强度，能达到强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥的抗压强度与抗折强度，可用于建设工程中，如作为受压、受弯的梁、板、柱构件等，大规模应用于实际工程当中。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。显然，所描述的实施例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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
利用破碎机将花岗岩残积土(含有50wt.％石英和30wt.％高岭土)从大块土块(如图1所示)破碎到5mm粒径以下(如图2所示)，再将破碎后的工程渣土进行粉碎研磨，直至全部通过0.3mm的标准分样筛，过筛后的渣土粉末如图3所示；
将所述渣土粉末置于马弗炉中，从室温(25℃)以10℃/min的升温速率加热至750℃进行煅烧，并在此温度下保温2h，保温结束后关闭马弗炉，待马弗炉炉腔内温度自然冷却至室温(25℃)，得到煅烧渣土，如图4所示。由图3和图4对比可以看出，工程渣土中的高岭土转化为偏高岭土，土样颜色由黄棕色变成红褐色；
将60g氢氧化钠固体溶解于215g纯净水中，使用玻璃棒搅拌，待氢氧化钠固体完全溶解后，得到氢氧化钠溶液；将所述氢氧化钠溶液倒入429g水玻璃(模数为2.25)中，并用玻璃棒搅拌1min后，静置24h，得到碱激发剂溶液；
将所述碱激发剂溶液倒入搅拌锅内，然后在5～10s(具体为10s)内将1500g所述煅烧渣土慢慢加入所述碱激发剂溶液中，防止材料溅出；再将所述搅拌锅放在搅拌机的锅座上，升至搅拌位置，将开关拔至自动程控位置，即自动完成一次慢转—停—快转程序；程序设定为低速(自转140r/min，公转62r/min)搅拌120s；低速搅拌后停15s；最后继续高速(自转285r/min，公转125r/min)搅拌120s，得到聚合物浆体；
将所述聚合物浆体倒入40mm×40mm×160mm的棱形模具中，并放置在振动台上成型后，在温度为20±1℃的环境中养护24h，脱模，得到碱激发胶凝材料坯体；将所述碱激发胶凝材料坯体立即放入温度为20℃，相对湿度95％的标准养护室中养护2天，得到碱激发胶凝材料。
实施例2
与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于，所述渣土粉末的煅烧温度由“750℃”调整为“800℃”。
实施例3
与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于，所述渣土粉末的煅烧温度由“750℃”调整为“850℃”。
实施例4
与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于，所述湿养护的时间由“2天”调整为“27天”。
实施例5
与实施例2的制备方法基本相同，不同之处仅在于，所述湿养护的时间由“2天”调整为“27天”。
实施例6
与实施例3的制备方法基本相同，不同之处仅在于，所述湿养护的时间由“2天”调整为“27天”。
测试例
根据GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》第9部分：试验程序所规定的抗折及抗压强度的方法进行测试。具体步骤为：先按照规范规定的方法使用电动抗折试验机进行抗折强度测试，在折断后的试件上进行抗压试验，受压面选择为试件成型时的两个侧面，面积为40mm×40mm；
试验结果处理：抗折强度试验结果以一组三个试件结果的平均值作为试验结果，当三个强度值中有超出平均值±10％时，剔除超出值再取平均值作为抗折强度试验结果；抗压强度试验结果以一组三个试件上得到的六个测定值的算数平均值作为试验结果，如六个测定值中有一个超出平均值±10％，剔除其中超过均值±10％的实验值后，再计算其平均值作为抗压强度试验结果；
实施例1～6制备的碱激发胶凝材料的抗压强度和抗折强度测试结果见表1和图5～6所示；
表1实施例1～6制备的碱激发胶凝材料的抗压强度和抗折强度测试结果
Figure BDA0002424649760000081
由表1和图5～6可以看出，煅烧温度在750-850℃范围内时，3d龄期的碱激发胶凝材料的抗压强度可达到23.8～25.4MPa，28d龄期的碱激发胶凝材料的抗压强度可达到42.9～44.3MPa；3d龄期的碱激发胶凝材料的抗折强度可达到3.6～4.4MPa，28d龄期的碱激发胶凝材料的抗折强度可达到6.6～7.5MPa。测试结果的强度结果达到《通用硅酸盐水泥》GB175-2007规定的42.5等级的强度标准(3d抗压强度≥17.0MPa、抗折强度≥3.5MPa；28d抗压强度≥42.5MPa、抗折强度≥6.5MPa)，因此本发明制备的碱激发胶凝材料能达到强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥的抗压强度与抗折强度，可用于建设工程中，如作为受压、受弯的梁、板、柱构件等，大规模应用于实际工程当中。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种利用工程渣土制备碱激发胶凝材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将工程渣土进行粉碎，得到渣土粉末；
将所述渣土粉末进行煅烧，得到煅烧渣土；
将所述煅烧渣土和碱激发剂溶液混合，得到碱激发胶凝材料；
所述工程渣土包括30wt.％以上的高岭土；
所述煅烧的温度为750～850℃。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述渣土粉末的粒径在0.3mm以下。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧的温度由室温升温得到，所述升温的速率为5～10℃/min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧的时间为2～3h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碱激发剂溶液的制备原料包括氢氧化钠、水玻璃和水；所述氢氧化钠、水玻璃和水的质量比为(60～160)：(420～600)：215；所述水玻璃的模数为2.10～2.30。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧渣土和碱激发剂溶液的质量比为(1500～1900)：(695～975)。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧渣土和碱激发剂溶液混合后，还包括：将混合所得聚合物浆体依次进行振动成型、常温养护和湿养护。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述常温养护的温度为19～21℃，所述常温养护的时间为20～24h；所述湿养护的温度为19～21℃，所述湿养护的相对湿度为95％以上，所述湿养护的时间为2～27天。
9.权利要求1～8任一项所述方法制备得到的碱激发胶凝材料。
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