CN112939491B - 一种碱泥的新用途 - Google Patents

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Abstract

本发明属于废物利用技术领域，具体涉及一种碱泥的新用途，用于制备胶凝材料，具体的来说，是制备矿渣‑碱泥胶凝材料，进一步用于制备建筑材料或建筑构配件，将碱泥和矿渣结合形成新型的胶凝材料，这种新型的胶凝材料在碱性溶液的激发下产生强度，碱泥本身的碱度能够促进反应的发生，从而进一步提高强度，同时，碱泥的加入能够改变浆体的流动性能，从而起到增稠剂的作用，可以在自密实混凝土方面得到应用，为水泥制品的发展提供新的替代品；其合理的利用工业废弃物碱泥和矿渣，变废为宝，为碱泥的处理节省了成本，生产的建筑构配件抗压强度高，解决了由于碱泥堆放而造成的污染问题，在保护环境的同时带来经济效益，应用前景广阔。

Description

一种碱泥的新用途
技术领域：
本发明属于废物利用技术领域，具体涉及一种碱泥的新用途，用于制备胶凝材料，进一步用于制备建筑材料或建筑构配件。
背景技术：
碱泥是生产水玻璃(硅酸钠)的废弃物，吸水量大，PH值高达11-13，由于高碱性，大部分碱泥只能堆放处理和排海处理：堆放处理不仅占用大量的土地，还会造成地下水的污染；排海处理需要花费大量的资金，还会对海洋生态平衡造成威胁。碱泥的污染问题制约着造碱工业的发展，是制碱工业的一大技术难题。中国专利202010608272.5公开的一种碱泥基新型陶粒及其制备方法,碱泥基新型陶粒包括如下质量分数的原料：碱泥23％-65％、燃煤炉渣19％-70.5％、钙基增强剂0.3％-6.7％，减水剂1.6％-5.8％，发泡剂4.6％-16.2％，余量为水；钙基增强剂为硫酸钙、碳酸钙、氧化钙、氢氧化钙中的一种或几种；减水剂为聚羧酸系减水剂；发泡剂为碳酸氢钠、废弃活性炭、废弃絮凝剂中的一种或几种；优选的，所述的废弃絮凝剂为PAM和/或磁粉；陶粒的堆积密度为500-900kg/m3，筒压强度为9-15MPa，吸水率为4-8.5％；优选的，陶粒的堆积密度为500-700kg/m3，筒压强度为10-15MPa，吸水率为4-6％；碱泥基新型陶粒的制备方法，包括以下步骤：S1、将碱泥与燃煤炉渣、发泡剂混合后进行破碎研磨；S2、向步骤S1中研磨后的物料加入钙基增强剂、减水剂和水混合；S3、将步骤S2中混合后物料进行造粒，得到湿的球形料粒；S4、将步骤S3的球形料粒进行干燥，得干燥后的球形料粒；S5、对步骤S4中的干燥后的球形料粒进行筛分，选取5-15mm球形料粒备用；S6、将步骤S5中的物料在310-590℃预加热，预加热时间为10-40min；S7、将步骤S6中预热完成后的物料在820-1350℃进行焙烧，焙烧时间为5-45min；S8、将步骤S7中得到的高温陶粒冷却，即得；在步骤S1之前还包括S0、将湿碱泥置于80-150℃加热干燥4-10h，得到干燥后的碱泥，所述干燥后的碱泥的含水率在40-60％；在步骤S1中，将碱泥与燃煤炉渣、发泡剂混合后进行破碎研磨，得研磨后的原料，使原料的粒径为80-300目；在步骤S2中，向步骤S1中研磨后的物料加入钙基增强剂、减水剂和水混合10-50min；在步骤S4中，将步骤S3中的料粒进行干燥，干燥温度为95-210℃，干燥时间为15-70min，得干燥后得料粒；在步骤S6中，将步骤S5中的物料在350-500℃预加热，预加热时间为5-10min；在步骤S8中，将步骤S7中得到的高温陶粒进行冷却至温度＜55℃后，即得。碱泥的主要成分是SiO2、Na2O、Al2O3和CaO，含有少量的Fe2O3等。碱激发材料是利用胶凝材料的火山灰活性(主要包括SiO2、Al2O3)在碱性环境下发生水化反应制备而成。碱激发材料在生产过程中避免了两磨一烧，减少了CO2的排放，而且力学强度高，抗酸侵蚀的耐久能力强。基于以上优点，将碱泥应用到碱激发胶凝材料中可以提高碱激发材料的力学性能。因此，在碱激发胶凝材料中加入碱泥不仅能够解决碱泥的处理问题，还可以提供碱性环境，促进碱激发材料的反应。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种碱泥的新用途，制备矿渣-碱泥胶凝材料。
为了实现上述目的，本发明涉及的碱泥的新用途是制备胶凝材料，具体的来说，是制备矿渣-碱泥胶凝材料。
本发明涉及的矿渣-碱泥胶凝材料中矿渣的质量百分比为60-100％，矿渣需水量比为102％，矿渣的质量比组分包括：57.12％的CaO、22.53％的SiO2、10.99％的Al2O3、3.37％的MgO、1.78％的SO3、0.92％的Fe2O3、0.36％的K2O、0.21％的Na2O、1.87％的TiO2和0.47％的MnO；碱泥的质量百分比为0-40％，碱泥包括湿态碱泥和干态碱泥，湿态碱泥的含水率为50-60％，干态碱泥的需水量比为120％，碱泥的质量比组分包括：74.56％的SiO2、12.74％的Na2O、5.62％的Al2O3、3.80％的CaO、1.54％的K2O、0.736％的MgO、0.487％的Fe2O3、0.151％的SO3、0.0955％的TiO2和0.0316％的MnO。
本发明与现有技术相比，提供一种碱泥的新用途，将碱泥和矿渣结合形成新型的胶凝材料，这种新型的胶凝材料在碱性溶液的激发下产生强度，碱泥本身的碱度能够促进反应的发生，从而进一步提高强度，同时，碱泥的加入能够改变浆体的流动性能，从而起到增稠剂的作用，可以在自密实混凝土方面得到应用，为水泥制品的发展提供新的替代品；其合理的利用工业废弃物碱泥和矿渣，变废为宝，为碱泥的处理节省了成本，生产的建筑构配件抗压强度高，解决了由于碱泥堆放而造成的污染问题，在保护环境的同时带来经济效益，应用前景广阔。
附图说明：
图1为本发明涉及的原状碱泥、磨细后碱泥和碱泥的扫描电镜示意图。
图2为本发明涉及的碱激发矿渣-碱泥胶凝材料砂浆的制备流程示意框图。
图3为本发明实施例7涉及的流变性能测试曲线示意图。
图4为本发明实施例7涉及的产物分析FTIR图谱。
图5为本发明实施例7涉及的标养28d硬化浆体放大500倍的微观形貌示意图。
图6为本发明实施例7涉及的标养28d硬化浆体放大5000倍的微观形貌示意图。
具体实施方式：
下面通过实施实例并结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1：
本实施例涉及的碱泥的新用途为制备矿渣-碱泥胶凝材料，其制备工艺过程为：
(1)将碱泥在温度为100℃的条件下烘干24h；
(2)将步骤(1)烘干的碱泥破碎成粒径不大于1㎝的碱泥颗粒，并去除其中的杂质；
(3)将碱泥颗粒与矿渣混合形成混合物后置于球磨机中球磨并混合均匀，得到碱泥-矿渣混合料，混合物中碱泥的质量占比为0-40％，矿渣的质量占比为60-100％；
(4)在每1质量份的碱泥-矿渣混合料中加5质量份的水，于室温中静置3d，碱泥的碱性能够提高矿渣的火山灰活性，得到具有活性的胶凝原材料；
(5)将胶凝原材料碾碎、烘干并磨粉，得到矿渣-碱泥胶凝材料。
本实施例制备的矿渣-碱泥胶凝材料与氢氧化钠碱液和砂能够制备碱激发矿渣-碱泥胶凝材料砂浆，其制备工艺过程为：
(1)制备碱激发剂：将NaOH和水混合均匀，陈化24h，使NaOH与水充分反应，得到碱激发剂，备用；
(2)碱泥的预处理：将烘干后的碱泥破碎并置于球磨机中粉磨；
(3)制备矿渣-碱泥胶凝材料：将矿渣与粒径不大于1cm的碱泥颗粒混合均匀后加水静置3d，碾碎、烘干并磨粉，得到矿渣-碱泥胶凝材料，其中，矿渣和碱泥颗粒与水的质量比为1：5；
(4)制备砂浆：将砂和步骤(3)制备的矿渣-碱泥胶凝材料加入搅拌锅，慢速搅拌3min，使矿渣-碱泥胶凝材料和砂拌和均匀，将步骤(1)制备的碱激发剂缓慢加入搅拌锅，边搅拌边加入，加入完再搅拌3min，得到砂浆。
本实施例涉及步骤(1)中的碱激发剂按照公式N＝mNa2O/m总进行配制，其中，N为碱激发剂的质量百分比浓度，mNa2O为碱激发剂中Na2O的质量，m总为碱激发剂的总质量，基于Na物质的量相同原则，采用NaOH代替Na2O，碱激发剂中剩余部分为水；步骤(2)中的碱泥的粉磨时间为1分钟，既能充分发挥碱泥的作用，又节约时间；步骤(4)中的砂与矿渣-碱泥胶凝材料的质量比为2.12：1，砂的粒径为0.08-2mm。
实施例2：
本实施例涉及碱激发矿渣-碱泥胶凝材料砂浆的制备，其制备工艺过程为：
(1)制备碱激发剂：将1质量份的NaOH和10.07质量份的水混合均匀，陈化24h，得到碱激发剂；
(2)碱泥预处理：将湿态碱渣烘干后置于球磨机中球磨1分钟；
(3)制备矿渣-碱泥胶凝材料：将1质量份的步骤(2)处理的碱泥与9质量份的S95级磨细矿渣混合，得到矿渣-碱泥胶凝材料；
(4)制备砂浆：将步骤(3)制备的1质量份矿渣-碱泥胶凝材料和2.12质量份的砂投入到强制式搅拌机搅拌，搅拌均匀后加入0.49质量份步骤(1)制备的碱激发剂，继续搅拌，得到砂浆，将砂浆置于试模中，得到砂浆试件1。
实施例3：
本实施例涉及的碱激发矿渣-碱泥胶凝材料砂浆的制备工艺过程与实施例2相同，不同之处在于步骤(3)的碱泥为2质量份，S95级磨细矿渣为8质量份；得到砂浆试件2。
实施例4：
本实施例涉及的碱激发矿渣-碱泥胶凝材料砂浆的制备工艺过程与实施例2相同，不同之处在于步骤(3)的碱泥为3质量份，S95级磨细矿渣为7质量份；得到砂浆试件3。
实施例5：
本实施例涉及的碱激发矿渣-碱泥胶凝材料砂浆的制备工艺过程与实施例2相同，不同之处在于步骤(3)的碱泥为4质量份，S95级磨细矿渣为6质量份；得到砂浆试件4。
实施例6：
本实施例涉及的碱激发矿渣砂浆的制备，其制备工艺过程为：
(1)制备碱激发剂：将1质量份的NaOH和10.07质量份的水混合均匀，陈化24h，得到碱激发剂；
(2)制备砂浆：将1质量份的S95级磨细矿渣和2.12质量份的砂投入到强制式搅拌机搅拌，搅拌均匀后加入0.49质量份的步骤(1)制备的碱激发剂，继续搅拌，得到砂浆，将砂浆置于试模中，得到对比试件1。
实施例7：
本实施例涉及砂浆试件1、砂浆试件2、砂浆试件3、砂浆试件4和对比试件1的强度、流变性能、产物和微观形貌测试和分析：
分别对砂浆试件1、砂浆试件2、砂浆试件3、砂浆试件4和对比试件1进行28d抗压强度和抗折强度测试，结果如下表所示：
砂浆试件1 砂浆试件2 砂浆试件3 砂浆试件4 对比试件1
28d抗折强度(MPa) 9.1 7.0 6.6 5.7 7.0
28d抗压强度(MPa) 29.5 42.9 48.0 36.9 28.4
，可知：碱泥的加入提高了抗压强度，在碱泥掺量为30％时，抗压强度为48MPa，抗折强度为6.6MPa，与P.O42.5级水泥对应的28d砂浆试件强度值接近；
采用TA流变仪分别对砂浆试件1、砂浆试件2、砂浆试件3、砂浆试件4和对比试件1的流变性能进行测试，流变过程的测试主要分为两个阶段：预剪切阶段和数据采集阶段，结果如图3所示：随着剪切速率的增加，剪切应力逐渐增加，当剪切速率不变时，随着碱泥掺量的增加，剪切应力增加；通过对流变曲线的拟合发现，碱激发矿渣-碱泥属于宾汉姆流体，碱泥的加入增大了砂浆的屈服应力和塑性黏度；
采用型号为Thermo Scientific Nicolet iS10的傅里叶红外光谱分别对28d标养的砂浆试件1、砂浆试件2、砂浆试件3、砂浆试件4和对比试件1进行产物分析，结果如图4所示：3400cm-1发生了O-H的不对称伸缩振动，1640cm-1产生了H-O-H的弯曲振动，这两处吸收峰的产生是由于较弱的吸附水存在于地聚合物的表面或者内部；1420cm-1处的吸收峰是由[CO3]2-的伸缩振动引起，950cm-1处的吸收峰对应着Si-O和Al-O键的非对称伸缩振动，波峰的增强和变尖表明C-S-H凝胶相的增多；645cm-1是由T-O-Si键的弯曲振动和[AlO4]四面体伸缩振动引起，430cm-1为Si-O在平面内的弯曲振动所引起；
采用型号为Hitachi S4800的扫描电镜分别对经抽真空和喷金处理的28d标养的砂浆试件1、砂浆试件2、砂浆试件3、砂浆试件4和对比试件1进行微观形貌观察，结果如图4所示，由图5和6可知：碱激发矿渣-碱泥28d水化龄期的水化产物丰富，浆体结果较致密，有少量的裂缝存在；基于5000倍的放大倍数可知：有少量针棒状和鳞片状产物分布在水化产物的表面。
总体来说，碱泥的加入使砂浆呈现碱性，从而进一步激发矿渣进行更深的水化反应，通过测试可知，28d的水化产物主要为C-S-H凝胶，提供了强度来源；水泥浆的流动性好坏已经成为评价水泥质量的一个重要指标，其通过水泥的流变性能反应，当水泥浆的屈服应力过低时，水泥浆容易产生离析现象，黏度过高会阻碍水泥浆的流动，而碱泥的加入能够改变流动性，随着碱泥的增加，砂浆的屈服应力和塑性粘度逐渐增加，随着剪切速率的增加，砂浆的屈服应力增加，塑性粘度降低，符合宾汉姆流体。

Claims (6)

1.一种碱泥的新用途，其特征在于：制备胶凝材料；胶凝材料为矿渣-碱泥胶凝材料；矿渣-碱泥胶凝材料中矿渣的质量百分比为60-90％，矿渣需水量比为102％，矿渣的质量比组分包括：57.12％的CaO、22.53％的SiO2、10.99％的Al2O3、3.37％的MgO、1.78％的SO3、0.92％的Fe2O3、0.36％的K2O、0.21％的Na2O、1.87％的TiO2和0.47％的MnO；碱泥的质量百分比为10-40％，碱泥包括湿态碱泥和干态碱泥，湿态碱泥的含水率为50-60％，干态碱泥的需水量比为120％，碱泥的质量比组分包括：74.56％的SiO2、12.74％的Na2O、5.62％的Al2O3、3.80％的CaO、1.54％的K2O、0.736％的MgO、0.487％的Fe2O3、0.151％的SO3、0.0955％的TiO2和0.0316％的MnO。
2.根据权利要求1所述的碱泥的新用途，其特征在于：胶凝材料能够制备建筑材料或建筑构配件。
3.根据权利要求1所述的碱泥的新用途，其特征在于：矿渣-碱泥胶凝材料的制备工艺过程为：
(1)将碱泥在温度为100℃的条件下烘干24h；
(2)将步骤(1)烘干的碱泥破碎成粒径不大于1㎝的碱泥颗粒，并去除其中的杂质；
(3)将碱泥颗粒与矿渣混合形成混合物后置于球磨机中球磨并混合均匀，得到碱泥-矿渣混合料；
(4)在每1质量份的碱泥-矿渣混合料中加5质量份的水，于室温中静置3d，碱泥的碱性能够提高矿渣的火山灰活性，得到具有活性的胶凝原材料；
(5)将胶凝原材料碾碎、烘干并磨粉，得到矿渣-碱泥胶凝材料。
4.根据权利要求3所述的碱泥的新用途，其特征在于：步骤(3)所述的混合物中碱泥的质量占比为10-40％，矿渣的质量占比为60-90％。
5.根据权利要求1或3所述的碱泥的新用途，其特征在于：矿渣-碱泥胶凝材料与氢氧化钠碱液和砂能够制备碱激发矿渣-碱泥胶凝材料砂浆，其制备工艺过程为：
(1)制备碱激发剂：将NaOH和水混合均匀，陈化24h，使NaOH与水充分反应，得到碱激发剂，备用；
(2)碱泥的预处理：将烘干后的碱泥破碎并置于球磨机中粉磨；
(3)制备矿渣-碱泥胶凝材料：将矿渣与粒径不大于1cm的碱泥颗粒混合均匀形成混合物后加水静置3d，碾碎、烘干并磨粉，得到矿渣-碱泥胶凝材料；
(4)制备砂浆：将砂和步骤(3)制备的矿渣-碱泥胶凝材料加入搅拌锅，慢速搅拌3min，使矿渣-碱泥胶凝材料和砂拌和均匀，将步骤(1)制备的碱激发剂缓慢加入搅拌锅，边搅拌边加入，加入完再搅拌3min，得到砂浆。
6.根据权利要求5所述的碱泥的新用途，其特征在于：步骤(1)中的碱激发剂按照公式N＝mNa2O/m总进行配制，其中，N为碱激发剂的质量百分比浓度，mNa2O为碱激发剂中Na2O的质量，m总为碱激发剂的总质量，基于Na物质的量相同原则，采用NaOH代替Na2O，碱激发剂中剩余部分为水；步骤(2)中的碱泥的粉磨时间为1分钟；步骤(3)中的矿渣和碱泥颗粒的混合物与水的质量比为1：5；步骤(4)中的砂与矿渣-碱泥胶凝材料的质量比为2.12：1，砂的粒径为0.08-2mm。
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