CN113213787A - 一种煤矸石制备碱胶凝材料的生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及固废资源化利用领域，提供一种煤矸石制备碱胶凝材料的生产工艺，包括以下步骤：(1)将煤矸石送进行破碎、球磨，过筛得到煤矸石粉；(2)将煤矸石粉投入混合酸溶液中，搅拌均匀后静置数天，抽滤、烘干；(3)将步骤(2)得到的煤矸石粉和盐泥混合后高温煅烧，冷却后二次球磨，过筛得到混合粉体；(4)按以下重量份称取各原料：混合粉体50‑80份、矿渣粉20‑40份、激发剂4‑8份、水24‑36份；(5)将各原料混合均匀，得到碱胶凝浆料；(6)将碱胶凝浆料注入模具中振动成型并在常温下养护至脱模，在66‑72℃下蒸养8h。本发明不仅解决了煤矸石废料的资源浪费和环境污染问题，而且制备出性能优异的碱胶凝材料。
Description
技术领域
本发明涉及固废资源化利用技术领域，尤其涉及一种煤矸石制备碱胶凝材料的生产工艺。
背景技术
碱胶凝材料因制备过程能耗低、排放低，且能提供与硅酸盐水泥基胶凝材料相似的性能，因而被认为是一种低碳胶凝材料。碱胶凝材料在反应机理、制备工艺等上面与传统的胶凝材料都有着非常明显的差别，它是利用具有火山灰活性或者具有潜在水硬性的硅铝材料为原料，与碱激发剂反应生成的。
煤矸石是煤炭开采和洗选过程中被分离出来的废弃岩石，是我国目前排放量最大的工业固体废弃物之一。采用堆填的方式处理煤矸石，不仅占用大量的土地资源，而且，煤矸石中含硫物质的逸出或浸出，很可能会对大气、农田以及水体等造成污染。煤矸石的资源化利用途径主要有以下几种：(1)通过分选工艺，拣出其中的黄铁矿；(2)用于发电；(3)代替河沙、碎石等骨料用来铺路；(4)煤矸石中含有银、锌、猛、铜、硼等元素，用于生产农用肥料，刺激农作物的生长；(5)制备碱胶凝材料。
用于碱胶凝材料的制备是煤矸石利用研究的新方向，已经取得了一些研究成果，例如中国专利申请号：201811525083.0公开了一种以煤矸石为原料的胶凝材料及其制备方法，按质量份计该胶凝材料含有以下成分：熟料92～95份、石膏3～7份和减水剂0.5～1.5份；其中，按质量份计熟料原料包括以下组分：活化煤矸石粉60～75份、生石灰25～40份、激发剂0.5～2份、水70～90份。将煤矸石进行机械-微波复合活化后，与生石灰均匀混合，通过化学强化、水热合成和低温煅烧法，并用超细水泥磨磨细，制得新型胶凝材料。该发明大量利用堆存的煤矸石，减少煤矸石占用的土地；又能节约自然资源，有效解决水泥原材料开采导致生态环境的恶化；制备方法简单、能耗低、凝结快、强度高、耐蚀性好，该胶凝材料各龄期的强度达到P·F32.5水泥相应强度要求。但煤矸石的活性低，制备出碱胶凝材料的性能往往不佳，难以广泛推广应用，取代传统胶凝材料。
发明内容
因此，针对以上内容，本发明提供一种煤矸石制备碱胶凝材料的生产工艺，解决现有煤矸石综合利用率低，制备的碱胶凝材料性能不佳的问题。
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种煤矸石制备碱胶凝材料的生产工艺，包括以下步骤：
(1)将煤矸石送入液压颚式破碎机进行破碎处理，然后在球磨机中球磨2h，过筛得到细度在0.25mm以下的煤矸石粉；
(2)将煤矸石粉投入混合酸溶液中，搅拌混合10-30h，静置数天后抽滤、烘干，所述混合酸由氨基磺酸和丁二酸复配而成；
(3)将步骤(2)得到的煤矸石粉和盐泥按质量比5:1混合后，在580-650℃的温度下煅烧3-6h，冷却后再放入球磨机内二次球磨，过筛后得到细度在50μm以下的混合粉体；
(4)按以下重量份称取各原料：混合粉体50-80份、矿渣粉20-40份、激发剂4-8份、水24-36份，备用；
(5)将混合粉体与矿渣粉混合均匀，然后加入激发剂与水混匀后得到的水溶液，得到碱胶凝浆料；
(6)将碱胶凝浆料注入模具中振动成型并在常温条件下养护至脱模，然后在66-72℃下蒸养8h。
进一步的改进是：所述混合酸中氨基磺酸和丁二酸的质量比为
0.8-2:1.2-1.6。
进一步的改进是：所述混合酸的浓度为0.8-1.5mol/L，固液比为1:10。
进一步的改进是：所述激发剂为水玻璃。
进一步的改进是：所述水玻璃的模数为2.2-2.6。
进一步的改进是：所述矿渣粉的比表面积为420-450m2/kg。
进一步的改进是：步骤(2)中加入γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，其质量为煤矸石粉质量的2-6％。
进一步的改进是：步骤(3)球磨过程中加入椰子油脂肪酸二乙醇酰胺和乙二醇。
进一步的改进是：所述椰子油脂肪酸二乙醇酰胺的添加量为煤矸石粉的2-4％，乙二醇的添加量为煤矸石粉的3-6％。
通过采用前述技术方案，本发明的有益效果是：
1、煤矸石的内部键能大，晶型结构稳定，导致其胶凝活性很低，本发明采用多步处理手段，激发煤矸石的活性。首先，对煤矸石进行粉碎球磨，减小粒径，使煤矸石颗粒的比表面积增大，表面自由能增加，同时使颗粒表面出现错位、点缺陷和结构缺陷，活化中心增加，从而提高了煤矸石的活性。其次，利用酸性物质对煤矸石进行活化处理，使煤矸石的晶型结构遭到破坏，部分化学键打开，晶体的比表面能升高，进一步提高煤矸石的活性，同时降低了煤矸石的煅烧温度。最后，对煤矸石进行煅烧处理，煤矸石发生相变，产生大量的晶体缺陷，生成了无定形的活性SiO2和Al2O3，再次提高了煤矸石的活性。煅烧过程中，结构中的铝氧多面体发生转变，形成高能量态、不稳定的Al-O-Al键，在强碱条件下成为活性位点，释放出铝，而铝的释放又会造成硅氧多面体键合结构的不稳定，这又提供了新的活性位点。煅烧温度影响煤矸石活性的高低，若温度过低，则相变不充分，活性物质少，从而导致煤矸石活性较低；若温度过高，则已产生的活性物质发生重结晶，亦会导致煤矸石活性较低。一般煤矸石的煅烧温度要达到750℃以上，方可表现出高活性。本发明在580-650℃温度下煅烧即可提高煤矸石的活性，制备出的碱胶凝材料表现出高抗压强度、抗折强度。
盐泥是氯碱行业排放的废料，研究中发现在煅烧过程中掺入盐泥，可以促进煤矸石中高聚合度的硅氧多面体裂变成低聚物度的结构，增加碱胶凝材料的抗压强度、抗折强度。另外，盐泥中含有一定的钙元素，可以增加煤矸石的含钙量，使其更易受激发剂侵蚀，反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶。
2、煤矸石粉在混合液中活化时，加入γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，有效抑制煤矸石粉之间的团聚，提高煤矸石粉在混合液中的分散性，增大与酸性物质的接触面积，为晶型结构的破坏，晶体的比表面能的增加创造更有利的条件，提高煤矸石的活性。
3、本发明在第二次球磨时，加入椰子油脂肪酸二乙醇酰胺和乙二醇，可以有效控制颗粒间的聚集，减弱团聚效应，提高晶体的无定型程度，同时表面自由能增加，共同作用下促进煤矸石活性的提升。
具体实施方式
以下将结合具体实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
若未特别指明，实施例中所采用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所采用的试剂和产品也均为可商业获得的。所用试剂的来源、商品名以及有必要列出其组成成分者，均在首次出现时标明。
实施例1
一种煤矸石制备碱胶凝材料的生产工艺，包括以下步骤：
(1)将煤矸石送入液压颚式破碎机进行破碎处理，然后在球磨机中球磨2h，过筛得到细度在0.25mm以下的煤矸石粉；
(2)将煤矸石粉投入浓度为0.8mol/L的混合酸溶液中，固液比为1:10，搅拌混合30h，静置15天后抽滤、烘干；
所述混合酸由氨基磺酸和丁二酸按质量比0.8:1.2复配而成，混合酸溶液中添加煤矸石粉质量2％的γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷；
(3)将步骤(2)得到的煤矸石粉和盐泥按质量比5:1混合后，在580℃的温度下煅烧6h，冷却后再放入球磨机内二次球磨，球磨过程中加入椰子油脂肪酸二乙醇酰胺和乙二醇，过筛后得到细度在50μm以下的混合粉体；
所述椰子油脂肪酸二乙醇酰胺的添加量为煤矸石粉的2％，乙二醇的添加量为煤矸石粉的6％；
(4)按以下重量份称取各原料：混合粉体50份、矿渣粉20份、模数为2.2的水玻璃4份、水24份，所述矿渣粉的比表面积在420-450m2/kg；
(5)将混合粉体与矿渣粉混合均匀，然后加入水玻璃与水混匀后得到的水溶液，得到碱胶凝浆料；
(6)将碱胶凝浆料注入模具中振动成型并在常温条件下养护24h后脱模，然后在66℃下蒸养8h。
再进行标准养护，分别养护至3d、7d和28d。经过测试，本实施例的碱胶凝材料的3天抗压强度为26.3MPa，3天抗折强度为5.0MPa；7天抗压强度为34.5MPa，7天抗折强度为7.3MPa；28天抗压强度为43.9MPa、抗折强度为8.9MPa。
实施例2
一种煤矸石制备碱胶凝材料的生产工艺，包括以下步骤：
(1)将煤矸石送入液压颚式破碎机进行破碎处理，然后在球磨机中球磨2h，过筛得到细度在0.25mm以下的煤矸石粉；
(2)将煤矸石粉投入浓度为1.2mol/L的混合酸溶液中，固液比为1:10，搅拌混合20h，静置10天后抽滤、烘干；
所述混合酸由氨基磺酸和丁二酸按质量比1:1复配而成，混合酸溶液中添加煤矸石粉质量4％的γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷；
(3)将步骤(2)得到的煤矸石粉和盐泥按质量比5:1混合后，在620℃的温度下煅烧5h，冷却后再放入球磨机内二次球磨，球磨过程中加入椰子油脂肪酸二乙醇酰胺和乙二醇，过筛后得到细度在50μm以下的混合粉体；
所述椰子油脂肪酸二乙醇酰胺的添加量为煤矸石粉的3％，乙二醇的添加量为煤矸石粉的5％；
(4)按以下重量份称取各原料：混合粉体65份、矿渣粉30份、模数为2.4的水玻璃6份、水30份，所述矿渣粉的比表面积在420-450m2/kg；
(5)将混合粉体与矿渣粉混合均匀，然后加入激发剂与水混匀后得到的水溶液，得到碱胶凝浆料；
(6)将碱胶凝浆料注入模具中振动成型并在常温条件下养护24h后脱模，然后在70℃下蒸养8h。
再进行标准养护，分别养护至3d、7d和28d。经过测试，本实施例的碱胶凝材料的3天抗压强度为28.8MPa，3天抗折强度为5.4MPa；7天抗压强度为37.1MPa，7天抗折强度为7.6MPa；28天抗压强度为47.3MPa、抗折强度为9.2MPa。
实施例3
一种煤矸石制备碱胶凝材料的生产工艺，包括以下步骤：
(1)将煤矸石送入液压颚式破碎机进行破碎处理，然后在球磨机中球磨2h，过筛得到细度在0.25mm以下的煤矸石粉；
(2)将煤矸石粉投入浓度为1.5mol/L的混合酸溶液中，固液比为1:10，搅拌混合10h，静置7天后抽滤、烘干；
所述混合酸由氨基磺酸和丁二酸按质量比2:1.6复配而成，混合酸溶液中添加煤矸石粉质量6％的γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷；
(3)将步骤(2)得到的煤矸石粉和盐泥按质量比5:1混合后，在650℃的温度下煅烧3h，冷却后再放入球磨机内二次球磨，球磨过程中加入椰子油脂肪酸二乙醇酰胺和乙二醇，过筛后得到细度在50μm以下的混合粉体；
所述椰子油脂肪酸二乙醇酰胺的添加量为煤矸石粉的4％，乙二醇的添加量为煤矸石粉的3％；
(4)按以下重量份称取各原料：混合粉体80份、矿渣粉40份、模数为2.6的水玻璃8份、水36份，所述矿渣粉的比表面积在420-450m2/kg；
(5)将混合粉体与矿渣粉混合均匀，然后加入激发剂与水混匀后得到的水溶液，得到碱胶凝浆料；
(6)将碱胶凝浆料注入模具中振动成型并在常温条件下养护24h后脱模，然后在72℃下蒸养8h。
再进行标准养护，分别养护至3d、7d和28d。经过测试，本实施例的碱胶凝材料的3天抗压强度为24.4MPa，3天抗折强度为4.4MPa；7天抗压强度为31.8MPa，7天抗折强度为6.1MPa；28天抗压强度为40.5MPa、抗折强度为8.4MPa。
对比例1
与实施例3的区别在于：省略步骤(2)。经过测试，本对比例的碱胶凝材料的3天抗压强度为16.2MPa，3天抗折强度为2.9MPa；7天抗压强度为25.6MPa，7天抗折强度为4.5MPa；28天抗压强度为34.8MPa、抗折强度为6.4MPa。
对比例2
与实施例3的区别在于：步骤(2)采用的溶液为浓度1.5mol/L的氨基磺酸水溶液。经过测试，本对比例的碱胶凝材料的3天抗压强度为20.2MPa，3天抗折强度为3.4MPa；7天抗压强度为28.9MPa，7天抗折强度为5.2MPa；28天抗压强度为36.4MPa、抗折强度为7.1MPa。
对比例3
与实施例3的区别在于：步骤(2)采用的溶液为浓度1.5mol/L的丁二酸水溶液。经过测试，本对比例的碱胶凝材料的3天抗压强度为21.4MPa，3天抗折强度为3.6MPa；7天抗压强度为29.5MPa，7天抗折强度为5.5MPa；28天抗压强度为38.0MPa、抗折强度为7.5MPa。
对比例4
与实施例3的区别在于：步骤(2)中不添加γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。经过测试，本对比例的碱胶凝材料的3天抗压强度为23.4MPa，3天抗折强度为4.1MPa；7天抗压强度为30.5MPa，7天抗折强度为5.6MPa；28天抗压强度为39.6MPa、抗折强度为8.0MPa。
对比例5
与实施例3的区别在于：步骤(3)球磨过程中未添加椰子油脂肪酸二乙醇酰胺和乙二醇。经过测试，本对比例的碱胶凝材料的3天抗压强度为22.7MPa，3天抗折强度为3.8MPa；7天抗压强度为29.7MPa，7天抗折强度为5.6MPa；28天抗压强度为38.9MPa、抗折强度为7.8MPa。
对比例6
与实施例3的区别在于：步骤(3)球磨过程中仅添加椰子油脂肪酸二乙醇酰胺。经过测试，本对比例的碱胶凝材料的3天抗压强度为23.2MPa，3天抗折强度为3.9MPa；7天抗压强度为30.8MPa，7天抗折强度为5.9MPa；28天抗压强度为39.3MPa、抗折强度为8.0MPa。
对比例7
与实施例3的区别在于：步骤(3)球磨过程中仅添加乙二醇。经过测试，本对比例的碱胶凝材料的3天抗压强度为23.6MPa，3天抗折强度为4.0MPa；7天抗压强度为31.1MPa，7天抗折强度为5.9MPa；28天抗压强度为40.2MPa、抗折强度为8.2MPa。
以上所记载，仅为利用本创作技术内容的实施例，任何熟悉本项技艺者运用本创作所做的修饰、变化，皆属本创作主张的专利范围，而不限于实施例所揭示者。
Claims (9)
1.一种煤矸石制备碱胶凝材料的生产工艺，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将煤矸石送入液压颚式破碎机进行破碎处理，然后在球磨机中球磨2h，过筛得到细度在0.25mm以下的煤矸石粉；
(2)将煤矸石粉投入混合酸溶液中，搅拌混合10-30h，静置数天后抽滤、烘干，所述混合酸由氨基磺酸和丁二酸复配而成；
(3)将步骤(2)得到的煤矸石粉和盐泥按质量比5:1混合后，在580-650℃的温度下煅烧3-6h，冷却后再放入球磨机内二次球磨，过筛后得到细度在50μm以下的混合粉体；
(4)按以下重量份称取各原料：混合粉体50-80份、矿渣粉20-40份、激发剂4-8份、水24-36份，备用；
(5)将混合粉体与矿渣粉混合均匀，然后加入激发剂与水混匀后得到的水溶液，得到碱胶凝浆料；
(6)将碱胶凝浆料注入模具中振动成型并在常温条件下养护至脱模，然后在66-72℃下蒸养8h。
2.根据权利要求1所述的一种煤矸石制备碱胶凝材料的生产工艺，其特征在于：所述混合酸中氨基磺酸和丁二酸的质量比为0.8-2:1.2-1.6。
3.根据权利要求1所述的一种煤矸石制备碱胶凝材料的生产工艺，其特征在于：所述混合酸的浓度为0.8-1.5mol/L，固液比为1:10。
4.根据权利要求1所述的一种煤矸石制备碱胶凝材料的生产工艺，其特征在于：所述激发剂为水玻璃。
5.根据权利要求4所述的一种煤矸石制备碱胶凝材料的生产工艺，其特征在于：所述水玻璃的模数为2.2-2.6。
6.根据权利要求1所述的一种煤矸石制备碱胶凝材料的生产工艺，其特征在于：所述矿渣粉的比表面积为420-450m2/kg。
7.根据权利要求1所述的一种煤矸石制备碱胶凝材料的生产工艺，其特征在于：步骤(2)中加入γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷，其质量为煤矸石粉质量的2-6％。
8.根据权利要求1所述的一种煤矸石制备碱胶凝材料的生产工艺，其特征在于：步骤(3)球磨过程中加入椰子油脂肪酸二乙醇酰胺和乙二醇。
9.根据权利要求8所述的一种煤矸石制备碱胶凝材料的生产工艺，其特征在于：所述椰子油脂肪酸二乙醇酰胺的添加量为煤矸石粉的2-4％，乙二醇的添加量为煤矸石粉的3-6％。
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