一种赤泥基胶凝材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及固废资源化技术领域,特别是涉及一种赤泥基胶凝材料及其制备方法和应用。
背景技术
赤泥是氧化铝在生产过程中产生的废渣,因含有大量氧化铁而呈红色,故被称为赤泥。根据生产工艺的不同,赤泥主要可以分为拜耳法赤泥和烧结法赤泥。其中,拜耳法赤泥占比约为95%,烧结法赤泥占比约为5%。因矿石品位、生产方法和技术水平的不同,大约每生产1吨氧化铝要排放1.0~1.8吨的赤泥。据估计,全世界氧化铝工业每年产生的赤泥超过6×107吨,2007年我国赤泥年排放量达到4000万吨,2010年达到5000万吨。目前,全国累计堆存量已超过11.9亿吨,而每年新增赤泥排放量4500万吨以上。赤泥的堆存占用了大量土地,如何有效的利用赤泥,成为了行内工作者关注的热点问题。
目前,人们日益关注赤泥堆放给环境带来的危害,例如赤泥的堆放不仅占用大量土地,耗费较多的堆场建设和维护费用,而且存在于赤泥中的碱向地下渗透,造成地下水体和土壤污染。裸露赤泥形成的粉尘随风飞扬,污染大气,对生态环境造成影响。随着赤泥产出量的日益增加和人们对环境保护意识的不断提高,最大限度地限制赤泥的危害,多渠道地利用和改善赤泥这种固废资源,已迫在眉睫。
发明内容
为了克服现有技术存在赤泥资源化利用的问题,本发明的目的之一在于提供一种赤泥基胶凝材料,本发明的目的之二在于提供这种赤泥基胶凝材料的制备方法,本发明的目的之三在于提供这种赤泥基胶凝材料的应用。
为了实现上述目的,本发明所采取的技术方案是:
本发明第一方面提供了一种赤泥基胶凝材料,包括如下组分:赤泥、粉煤灰、生石灰、十二烷基硫酸钠、石膏、水玻璃;所述赤泥为烧结法赤泥或者拜耳法赤泥。
优选的,这种赤泥基胶凝材料中,所述赤泥的pH值为10.5~12。由于生产工艺的问题,赤泥区别于其他固体废弃物的主要特征在于其pH值偏高。
优选的,这种赤泥基胶凝材料所述的赤泥中,细度为0.003mm~0.008mm的颗粒占比≥60wt%。
优选的,这种赤泥基胶凝材料中,所述赤泥的含水量为30wt%~35wt%。所述的含水量是指自然含水量。
优选的,这种赤泥基胶凝材料中,所述赤泥的密度为2.8g/cm3~2.9g/cm3。
优选的,这种赤泥基胶凝材料中,所述赤泥的氟化物含量0mg/L~18.60mg/L。
优选的,这种赤泥基胶凝材料中,当所述赤泥为烧结法赤泥时,所述赤泥基胶凝材料包括如下质量份的组分:60~80份赤泥,5~11份粉煤灰、2~8份生石灰、5~9份十二烷基硫酸钠、1~2份石膏、1~3份水玻璃;所述赤泥基胶凝材料还包括0~2质量份的芒硝。进一步来说,当所述赤泥为烧结法赤泥时,赤泥基胶凝材料包括如下质量份的组分:60~80份赤泥,5~11份粉煤灰,2~8份生石灰,5~9份十二烷基硫酸钠,1~2份石膏,1~3份水玻璃,0~2质量份的芒硝。
优选的,这种赤泥基胶凝材料是由以下质量份的组分组成:70~80份烧结法赤泥,5~11份粉煤灰,2~8份生石灰,5~9份十二烷基硫酸钠,1~2份石膏,1~3份水玻璃,0~2质量份的芒硝。
优选的,这种赤泥基胶凝材料所述烧结法赤泥包括如下质量百分比的成分:15~20%SiO2,6~9%Al2O3,6~9%Fe2O3,40~45%CaO,0.5~2%MgO,1~5%TiO2,0~1%Na2O%;进一步优选的,烧结法赤泥包括如下质量百分比的成分:17~18%SiO2,7~8.55%Al2O3,7~8%Fe2O3,42~43%CaO,0.8~0.9%MgO,2.1~2.89%TiO2,0.64~0.75%Na2O。
优选的,这种赤泥基胶凝材料所述烧结法赤泥的灼碱含量为20~30%;进一步优选的,烧结法赤泥的灼碱含量为24.5~25.2%。
烧结法赤泥中,CaO和SiO2含量较高,且大多以Ca2SiO4(硅酸二钙)的形式存在,具有一定的潜在活性,通过添加功能改性激发剂,使赤泥组分得到优化匹配(钙硅比、钙铝比),并产生协同增强激发效应,形成具有水硬胶凝特性的聚合改性胶结料,达到大量利用堆积赤泥的目的。
优选的,这种赤泥基胶凝材料中,当所述赤泥为拜耳法赤泥时,所述赤泥基胶凝材料包括如下质量份的组分:35~50份赤泥,13~15份粉煤灰,10~12份生石灰,2~4份十二烷基硫酸钠,7~10份石膏,10~12份水玻璃;所述赤泥基胶凝材料还包括2~3质量份芒硝,9~11质量份的水泥。进一步来说,当所述赤泥为拜耳法赤泥时,赤泥基胶凝材料包括如下质量份的组分:35~50份赤泥,13~15份粉煤灰,10~12份生石灰,2~4份十二烷基硫酸钠,7~10份石膏,10~12份水玻璃,2~3质量份芒硝,9~11质量份的水泥。
优选的,这种赤泥基胶凝材料是由以下质量份的组分组成:38~42份拜耳法赤泥,13~15份粉煤灰,10~12份生石灰,2~4份十二烷基硫酸钠,7~10份石膏,10~12份水玻璃,2~3质量份芒硝,9~11质量份的水泥。
优选的,这种赤泥基胶凝材料所述拜耳法赤泥包括如下质量百分比的成分:10~13%SiO2,19~22%Al2O3,38~42%Fe2O3,2~4.5%CaO,0.1~2%MgO,3~8%TiO2,5~8%Na2O;进一步优选的,拜耳法赤泥包括如下质量百分比的成分:11~12%SiO2,20~21%Al2O3,39~40%Fe2O3,2~3%CaO,0.2~0.4%MgO,6.5~7.5%TiO2,6~7%Na2O。
优选的,这种赤泥基胶凝材料所述拜耳法赤泥的灼碱含量为15~25%;进一步优选的,拜耳法赤泥的灼碱含量为15~17%。
拜耳法赤泥中,含有占总量约60%左右的铁铝氧化物,15%左右的氧化钙和二氧化硅。根据这些特定的化学组成,可以通过添加适量组分的功能改性聚合激发材料,使赤泥的钙硅比、钙铝比等组分得到进一步优化匹配,产生协同增强激发效应,形成具有水硬胶凝特性的聚合改性胶结料,达到大量利用堆积赤泥的目的。
优选的,这种赤泥基胶凝材料中,粉煤灰为Ⅱ级F类粉煤灰。
优选的,这种赤泥基胶凝材料中,生石灰的CaO质量含量大于80%,是一种高钙灰。生石灰优选的化学成分如下:82~85%CaO、2~3%MgO、3~4%SiO2。
优选的,这种赤泥基胶凝材料中,十二烷基硫酸钠为固体产品。在本发明一些优选的具体实施方式中,采用工业级固体的十二烷基硫酸钠,其指标如下:活性物质的含量不小于90wt%,石油醚可溶物不大于2.1%,以硫酸钠和氯化钠计的无机盐含量不大于5.0%,白度大于75,水分含量为3%。
优选的,这种赤泥基胶凝材料中,石膏为二水石膏,即CaSO4·2H2O。
优选的,这种赤泥基胶凝材料中,水玻璃的模数为3.51~3.55。水玻璃(硅酸钠水溶液)中,模数n=SiO2/Na2O(摩尔比)。
优选的,这种赤泥基胶凝材料中,芒硝为工业芒硝,其粒径分布为:粒径小于2.75μm的颗粒占10wt%;粒径小于5.54μm的颗粒占30wt%;粒径小于8.61μm的颗粒占50wt%;粒径小于13.46μm的颗粒占60wt%;粒径小于35.94μm的颗粒占90wt%。
本发明第二方面提供了上述赤泥基胶凝材料的制备方法。
一种上述赤泥基胶凝材料的制备方法,包括如下步骤:将各组分混合,得到所述的赤泥基胶凝材料。
本发明第三方面提供了上述赤泥基胶凝材料的应用。
本发明提供了一种胶砂材料,包括上述的赤泥基胶凝材料、砂和水。
优选的,这种胶砂材料中,赤泥基胶凝材料与砂的质量比为1:(2~4);进一步优选的,赤泥基胶凝材料与砂的质量比为1:(2.5~3.5);最优选的,赤泥基胶凝材料与砂的质量比为1:3。
优选的,这种胶砂材料中,水灰比为0.4~0.6;进一步优选的,水灰比为0.45~0.55;最优选的,水灰比为0.5。
优选的,这种胶砂材料中,砂为标准砂,即加工后符合标准规定的石英砂。
本发明还提供了上述的赤泥基胶凝材料在矿山充填、基坑充填或路基中的应用。
进一步来说,可以应用上述的赤泥基胶凝材料制成胶砂材料,或者作为胶凝剂制成的充填材料或路基材料,应用于矿山充填、基坑充填或路基材料。所述的路基可以是直立式路基,也可以是装配式路基。
本发明的有益效果是:
应用本发明这种赤泥基的胶凝材料,可以大量地对赤泥进行资源化利用。对于强度要求不高的场合,可以大规模地使用该胶凝材料,在保护环境的同时,也可以降低生产成本。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。实施例和对比例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明,均可从常规商业途径得到,或者可以通过现有技术方法得到。除非特别说明,试验或测试方法均为本领域的常规方法。
以下原料的成分含量或占比,如无特殊说明,所指的%均是指质量百分比wt%。
以下实施例中采用的赤泥性能如下:密度为2.8-2.9g/cm3;pH值为10.5~12.0,氟化物含量0.0mg/L~18.60mg/L,颗粒细度0.003~0.008mm占比60%,自然含水量为30~35%。
实施例1~4所用的赤泥为烧结法赤泥,按质量百分比计,化学成分如下:17.99%SiO2,7.94%Al2O3,7.54%Fe2O3,42.50%CaO,0.9%MgO,2.54%TiO2,0.70%Na2O;灼碱含量为25.10%。
实施例5~7所用的赤泥为拜耳法赤泥,按质量百分比计,化学成分如下:11.31%SiO2,20.67%Al2O3,39.21%Fe2O3,2.70%CaO,0.30%MgO,7.30%TiO2,6.77%Na2O;灼碱含量为16.80%。
以下实施例中采用的其余原料说明如下:
粉煤灰:所用的粉煤灰为符合国家标准的市售Ⅱ级F类粉煤灰。
生石灰:所用的生石灰为一种高钙灰,其化学成分及质量比例为:CaO含量为84.1%,MgO含量为2.6%;SiO2含量为3.6%。
水玻璃:所用水玻璃为工业固体水玻璃,其可溶性固体不小于98wt%,Fe含量不大于0.12wt%,其模数为3.51~3.55之间。
十二烷基硫酸钠:所用的十二烷基硫酸钠为工业级固体,其活性物质的含量不小于90wt%,石油醚可溶物不大于2.1%,以硫酸钠和氯化钠计的无机盐含量不大于5.0%,白度大于75,水分含量为3%。
芒硝:所用的芒硝为工业芒硝,其粒径分布为:粒径小于2.75μm的颗粒占10wt%;粒径小于5.54μm的颗粒占30wt%;粒径小于8.61μm的颗粒占50wt%;粒径小于13.46μm的颗粒占60wt%;粒径小于35.94μm的颗粒占90wt%。
水泥:普通硅酸盐P.O 42.5水泥。
实施例1
本例的赤泥基胶凝材料组成如表1所示。
表1 实施例1的赤泥基胶凝材料
原料 |
质量份 |
赤泥 |
70 |
粉煤灰 |
11 |
生石灰 |
8 |
十二烷基硫酸钠 |
6 |
二水石膏 |
1 |
水玻璃 |
2 |
芒硝 |
2 |
实施例2
本例的赤泥基胶凝材料组成如表2所示。
表2 实施例2的赤泥基胶凝材料
原料 |
质量份 |
赤泥 |
72 |
粉煤灰 |
9 |
生石灰 |
5 |
十二烷基硫酸钠 |
9 |
二水石膏 |
2 |
水玻璃 |
2 |
芒硝 |
1 |
实施例3
本例的赤泥基胶凝材料组成如表3所示。
表3 实施例3的赤泥基胶凝材料
原料 |
质量份 |
赤泥 |
75 |
粉煤灰 |
7 |
生石灰 |
5 |
十二烷基硫酸钠 |
8 |
二水石膏 |
1 |
水玻璃 |
3 |
芒硝 |
1 |
实施例4
本例的赤泥基胶凝材料组成如表4所示。
表4 实施例4的赤泥基胶凝材料
原料 |
质量份 |
赤泥 |
80 |
粉煤灰 |
5 |
生石灰 |
2 |
十二烷基硫酸钠 |
5 |
二水石膏 |
1 |
水玻璃 |
7 |
实施例5
本例的赤泥基胶凝材料组成如表5所示。
表5 实施例5的赤泥基胶凝材料
实施例6
本例的赤泥基胶凝材料组成如表6所示。
表6 实施例6的赤泥基胶凝材料
原料 |
质量份 |
赤泥 |
38 |
水玻璃 |
10 |
生石灰 |
12 |
粉煤灰 |
13 |
二水石膏 |
10 |
水泥 |
11 |
十二烷基硫酸钠 |
4 |
芒硝 |
2 |
实施例7
本例的赤泥基胶凝材料组成如表7所示。
表7 实施例7的赤泥基胶凝材料
原料 |
质量份 |
赤泥 |
40 |
水玻璃 |
10 |
生石灰 |
11 |
粉煤灰 |
15 |
二水石膏 |
8 |
水泥 |
10 |
十二烷基硫酸钠 |
3 |
芒硝 |
3 |
实施例1~7赤泥基胶凝材料的制备方法是,分别按照表1~7的组成,将各组分混合均匀即可。
对比例1
本例为市售的国标普通硅酸盐P.O 42.5水泥。
性能测试
将实施例1~7和对比例1的胶凝材料制成胶砂材料进行性能测试。胶砂实验参照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》,实施例1~7和对比例1的胶凝材料与标准砂的质量比为1:3,水灰比为0.5。测定实施例胶砂试样以及对比例胶砂试样的抗折抗压强度。强度实验采用BC-300D电脑恒应力压力试验机和KZJ-500电动抗折试验机进行测定。具体测试结果见下表8。
表8 胶砂材料性能测试结果
从表8的结果可知,本发明利用赤泥生产的胶凝材料,其强度虽然比普通425水泥的强度差,但其3天抗压强度都大于11MPa,7天抗压强度在17MPa以上,28天强度大于25MPa,具有一定早强的功能,可以用于对强度要求不高的使用场景,如矿山充填、基坑充填等,也可以应用于直立式路基或装配式路基。
采用烧结法赤泥制成的胶凝材料,赤泥的占比为60~80%,可以大量地对赤泥进行资源化利用。采用拜耳法赤泥制成的胶凝材料,赤泥的占比也达到35%~50%,同样能消耗大量堆积的赤泥,可以根据实际需要进行资源化应用。另外,使用本发明这些赤泥基胶凝材料在达到保护环境目的的同时,也可以降低生产成本。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。