CN113716933A

CN113716933A - 一种利用废水玻璃铸造型砂制备的碱激发混凝土

Info

Publication number: CN113716933A
Application number: CN202111014350.XA
Authority: CN
Inventors: 陈佩圆; 方嘉思; 谭伟博; 王成; 谢剑凯; 王永辉; 李进
Original assignee: Anhui University of Science and Technology; Institute of Environment Friendly Materials and Occupational Health of Anhui University of Sciece and Technology
Current assignee: Anhui University of Science and Technology; Institute of Environment Friendly Materials and Occupational Health of Anhui University of Sciece and Technology
Priority date: 2021-08-31
Filing date: 2021-08-31
Publication date: 2021-11-30

Abstract

本发明公开了一种利用废水玻璃铸造型砂制备的碱激发混凝土，包括如下原料：废水玻璃铸造型砂、碱性激发剂和矿渣。本发明使用废水玻璃铸造型砂作为碱激发混凝土的集料，利用废水玻璃铸造型砂溶解释放的硅酸根等离子作为矿渣宝贵的激发剂，辅助激发矿渣，促使形成更加密实坚固的固结体，变废为宝、变害为宝，大幅简化废水玻璃铸造型砂的处置和利用工艺，将废水玻璃铸造型砂的经济价值提升到天然砂石的价值水平，具有突出的经济效益，符合国家环保政策要求，应用前景巨大。

Description

一种利用废水玻璃铸造型砂制备的碱激发混凝土

技术领域

本发明涉及废水玻璃铸造型砂的资源化利用领域，具体涉及一种利用废水玻璃铸造型砂制备的碱激发混凝土。

背景技术

铸造业是高新技术产业的重要支撑。在铸造过程中，铸件型壳是生产合格铸件的关键，主要由型砂和粘结剂组成，型壳的制备受成本、操作环境、污染性和铸件质量要求等诸多因素影响。近年来，越来越多的铸造企业选用水玻璃作为型砂粘结剂制备铸件型壳，该种型壳不仅具有成本低、操作环境好、工艺简单等优点，而且与树脂粘结剂相比，污染性更小。然而，型壳经过金属铸造强烈热作用后，性能会发生显著变化，不适宜继续使用而需废弃处理，进而产生大量废水玻璃铸造型砂。一般情况下，生产1吨铸件会产生3～4吨废水玻璃铸造型砂，除20～30％可通过特别工艺处理后单次或多次复用外，其余废水玻璃铸造型砂往往被直接堆弃于环境中或填埋，不仅侵占土地、污染环境，而且显著增大企业的环保成本。因此，如何有效处置和再利用废水玻璃铸造型砂已成为铸造业可持续发展所亟待解决的一个关键问题。

当前，建筑行业砂石资源极度紧缺，价格逐日攀升，将废水玻璃铸造型砂用作混凝土细骨料，不仅可将其彻底处置消纳，解决与之相关的环保问题，还能提高废水玻璃铸造型砂的附加值，产生显著的经济效益，因而受到了广大学者和企业的高度关注。但是，废水玻璃铸造型砂胶结难度高，与水泥不兼容，是当前应用的关键难题。这主要是因为，废水玻璃铸造型砂表面包覆了一层水玻璃硬化壳，当采用水泥为胶结材料时，水泥与废水玻璃铸造型砂的界面结构将由传统的“水泥—石英砂”转换成“水泥—水玻璃硬化壳—石英砂”的复合界面，这将对胶结体的性能产生诸多不利影响。首先，复合界面意味着微结构中薄弱面增多，且水玻璃硬化壳也会影响新拌浆体的亲和力，致使形成更加多孔界面区；其次，水玻璃硬化壳在拌合水以及孔隙溶液的侵蚀下会不断溶解释放离子，促使孔隙溶液中Ca²⁺浓度降低形成硅酸钙产物，进而干扰水泥水化历程；此外，水玻璃硬化壳的弹性模量低于石英砂，在胶结体受力时，水玻璃硬化壳会发生较大变形后方可将应力传递至石英砂，也即当应力不足以引发硬化壳形成较大变形时，石英砂将无法承受应力，进而大幅削弱胶结体的受力结构。尽管部分学者尝试使用热水浸泡、磷酸盐预处理、机械打磨、球磨等去除硬化包裹层，以获得较好的混凝土力学性能，但考虑实际生产工艺、成本和效果，上述研究可行性较差。可见，水泥胶结废水玻璃铸造型砂尚存在较多问题而无法实现。

为克服现有技术的不足，本发明利用碱激发矿渣作为废水玻璃铸造型砂的胶结材料制备碱激发混凝土，该方法高效、简单、绿色，应用前景非常广阔。碱激发混凝土是新型绿色胶凝材料，具有快硬早强、水化热低、耐酸耐侵蚀性好等突出优点，在替代水泥方面潜力巨大。通常情况下，碱激发混凝土采用碱性激发剂激发矿渣、粉煤灰、偏高岭土等胶凝材料，激发剂包括NaOH、水玻璃、KOH等。利用废水玻璃铸造型砂作为集料制备碱激发混凝土，可利用水玻璃硬化壳在溶释过程中所释放的硅酸根等离子辅助激发矿渣，变害为宝，强化碱矿渣—水玻璃硬化壳界面，有利于混凝土的抗压强度发展与耐久性提升，实现变废为宝、变害为宝，大幅简化废水玻璃铸造型砂的处置和利用工艺，缓解天然砂石材料紧缺问题，显著提高其经济价值，应用前景广阔。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，使用废水玻璃铸造型砂作为碱激发混凝土的集料，制备碱激发混凝土。利用废水玻璃铸造型砂作为集料制备碱激发混凝土，可利用水玻璃硬化壳的溶释硅酸根等离子辅助激发矿渣，变害为宝，大幅简化废水玻璃铸造型砂的处置和利用工艺，显著提高其经济价值。

本发明采用的技术方案是：一种利用废水玻璃铸造型砂制备的碱激发混凝土，包括如下原料：废水玻璃铸造型砂、碱性激发剂和矿渣。

作为本发明的进一步改进，还包括城市普通自来水、砂、石子、纤维和粉煤灰。

作为本发明的进一步改进，其重量份组成为：矿渣120～460份，粉煤灰12～86份，砂 0～423份，石子0～423份，纤维0～40份，碱性激发剂26～131份，水150～430份。

作为本发明的进一步改进，废水玻璃铸造型砂为铸造厂排放的铸造废砂，主要由水玻璃胶结制成。

作为本发明的进一步改进，所述碱性激发剂为NaOH、水玻璃、Na₂SO₄、Na₂CO₃、 MgO、石灰、KOH的一种或多种混合物。

作为本发明的进一步改进，所述矿渣为市售高炉矿渣，优选地，高炉矿渣为S95级以上高炉矿渣，细度为200目占90％以上。

作为本发明的进一步改进，所述粉煤灰为市售粉煤灰，优选地，粉煤灰为二级以上粉煤灰，细度为200目占90％以上。

作为本发明的进一步改进，所述纤维是短切纤维，优选地，纤维可为聚丙烯纤维、玄武岩纤维、碳纤维、钢纤维等的一种或几种混合物。

本发明的有益效果是：

(1)变废为宝：水玻璃铸造型砂是铸造厂普遍采用的一种铸造工艺用砂，产量巨大，而且一旦废弃后，由于石英砂表面包裹一层硬化水玻璃硬壳，去除难度高，复用难度大。另外，废水玻璃铸造型砂成分特殊，与水泥不兼容，不能使用水泥胶结制成固结体，造成大量废水玻璃铸造型砂往往被直接堆弃于环境中或填埋，不仅侵占土地、污染环境，而且显著增大企业的环保成本。本发明提供的一种利用废水玻璃铸造型砂制备的碱激发混凝土，利用废水玻璃铸造型砂作为集料制备碱激发混凝土，缓解了当前天然砂石紧缺的材料供应问题，变废为宝，符合国家环保政策要求，具有突出的经济、社会、环保效益。

(2)变害为宝：废水玻璃铸造型砂表面包覆了一层水玻璃硬化壳，当采用水泥为胶结材料时，水泥与废水玻璃铸造型砂的界面结构将由传统的“水泥—石英砂”转换成“水泥—水玻璃硬化壳—石英砂”的复合界面，水玻璃硬化壳在拌合水以及孔隙溶液的侵蚀下会不断溶解释放硅酸根等离子，促使孔隙溶液中Ca²⁺浓度降低形成硅酸钙产物，进而干扰水泥水化历程，削弱胶结体的强度。本发明提供的一种利用废水玻璃铸造型砂制备的碱激发混凝土，恰恰是利用废水玻璃铸造型砂溶解释放的硅酸根等离子作为矿渣宝贵的激发剂，辅助激发矿渣，促使形成更加密实坚固的界面区，变害为宝。

(3)应用前景广阔：本发明提供的一种利用废水玻璃铸造型砂制备的碱激发混凝土，直接利用废水玻璃铸造型砂作为碱激发混凝土的集料来源，可缓解当前天然砂石紧缺的材料供应问题，大幅简化废水玻璃铸造型砂的处置和利用工艺，将废水玻璃铸造型砂的经济价值提升到天然砂石的价值水平，具有突出的经济价值，应用前景巨大。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1废水玻璃铸造型砂的扫描电镜微观形貌图；

图2是本发明实施例1各基准组的不同龄期抗压强度图；

图3是本发明实施例1经核磁共振测得的各基准组28天试块孔结构曲线图；

图4本发明实施例1的经纳米压痕测得的基准组1弹性模量分相图。

图5本发明实施例1的经纳米压痕测得的基准组4弹性模量分相图。

图6是本发明实施例2各基准组的不同龄期抗压强度图；

图7是本发明实施例2经核磁共振测得的各基准组28天试块孔结构曲线图；

图8是本发明实施例3各基准组的不同龄期抗压强度图。

具体实施方式：

为使本发明更加容易理解以及技术方案、优点更加清楚明白，下面结合实施例及附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未提及的具体实验方法，通常按常规实验方法进行。

实施例1：

本发明提供的一种利用废水玻璃铸造型砂制备的碱激发混凝土，包括矿渣，砂，NaOH，废水玻璃铸造型砂。具体重量份(kg)配比如表1所示，

表1

其中：矿渣为S105级高炉矿渣，表观密度2800kg/m³，BET比表面积，425m²/kg；砂为石英砂，细度模数是20目占90％以上；NaOH为片状分析纯药剂；废水玻璃铸造型砂为经受900℃高温后废弃的废水玻璃铸造型砂，呈淡黄色，细度为40目。水为城市普通自来水。

按照表1所示配比制备碱激发混凝土，将其浇筑在40mm×40mm×160mm模具中，放入温度为20±2℃、相对湿度大于95％的标准养护室养护1天。之后，将试块拆模，并分别养护至3天、7天、28天龄期。使用压力机测试不同龄期试块的抗压强度，使用采用MesoMR23-060V-1低场核磁共振仪分析28天砂浆试块的孔结构，采用Hysitron TI 950Triboindenter纳米压痕仪分析28天砂浆试块的微观力学性质。表2给出了基准组1～基准组4在3天、7天和28天龄期的抗压强度(单位：MPa)，图1给出了实施例1废水玻璃铸造型砂的扫描电镜微观形貌图，图2给出了给出了实施例1各基准组的抗压强度图，图3给出了实施例1各基准组的孔结构曲线，图4和图5给出了实施例1各基准组的微观力学性质分析图。

表2

从图1可以看出，废水玻璃型砂表面包裹了一层硬化壳，这是硬化水玻璃壳，且有裂纹。从表2和图2可以看出，采用废水玻璃型砂作为碱激发混凝土的集料是可行的，在不同的替代量下几乎不会降低混凝土的抗压强度。例如，基准组4采用全比例替代砂时，混凝土的各龄期抗压强度均未降低，而且基准组4的抗压强度显著高于基准组1。图3是经核磁共振测得的各基准组28天试块孔结构曲线图，可以看出，不同含量的废砂玻璃型砂细化了混凝土的孔结构，使得混凝土更加密实。图4是经纳米压痕测得的基准组1和基准组4弹性模量分相图，可以看出，当使用废水玻璃型砂全部取代砂时，可较显著提高 CH产量，减少了低弹性模量物质或者孔洞的形成，物相间组成更加致密。上述结果充分证明了使用废水玻璃型砂作为碱激发矿渣混凝土集料是可行的，对混凝土的强度具有一定的促进作用，因而应用前景广阔。

实施例2：

本发明提供的一种利用废水玻璃铸造型砂制备的碱激发混凝土，包括矿渣，砂，MgO，废水玻璃铸造型砂。具体重量份(kg)配比如表3所示，

表3

其中：矿渣为S105级高炉矿渣，表观密度2800kg/m³，BET比表面积，425m²/kg；砂为石英砂，细度模数是20目占90％以上；MgO为分析纯，粉体；废水玻璃铸造型砂为经受900℃高温后废弃的废水玻璃铸造型砂，呈淡黄色，细度为40目。水为城市普通自来水。

按照表3所示配比制备碱激发混凝土，将其浇筑在40mm×40mm×160mm模具中，放入温度为20±2℃、相对湿度大于95％的标准养护室养护1天。之后，将试块拆模，并分别养护至3天、7天、28天龄期。使用压力机测试不同龄期试块的抗压强度，使用采用MesoMR23-060V-1低场核磁共振仪分析28天砂浆试块的孔结构，采用Hysitron TI 950Triboindenter纳米压痕仪分析28天砂浆试块的微观力学性质。表4给出了基准组5～基准组8在3天、7天和28天龄期的抗压强度(单位：MPa)，图6给出了给出了实施例2各基准组的抗压强度图，图7给出了实施例2各基准组的孔结构曲线。

表4

从表4和图6可以看出，在MgO激发体系中，采用废水玻璃型砂作为碱激发混凝土的集料可显著提升碱激发混凝土的力学强度，随着废水玻璃型砂掺量增大，各龄期抗压强度显著增加，这与实施例1所发现的规律较为一致。图7是经核磁共振测得的各基准组28 天试块孔结构曲线图，可以看出，不同含量的废砂玻璃型砂减少了碱激发混凝土的孔体积，使得混凝土更加密实。

实施例3：

本发明提供的一种利用废水玻璃铸造型砂制备的碱激发混凝土，包括矿渣，砂，NaOH，废水玻璃铸造型砂。具体重量份(kg)配比如表5所示，

表5

按照表5所示配比制备碱激发混凝土，将其浇筑在40mm×40mm×160mm模具中，放入温度为20±2℃、相对湿度大于95％的标准养护室养护1天。之后，将试块拆模，并分别养护至3天、7天、28天龄期。使用压力机测试不同龄期试块的抗压强度。表6 给出了基准组9～基准组14在3天、7天和28天龄期的抗压强度(单位：MPa)，图8 给出了实施例3各基准组的抗压强度图。

表6

从表6和图8可以进一步看出，在NaOH激发矿渣混凝土中，废水玻璃型砂掺量越大，则抗压强度提高越高，28d最大提升幅度高达78％。这说明采用废水玻璃铸造型砂作为制备碱激发混凝土，可利用水玻璃硬化壳在溶释过程中所释放的硅酸根等离子辅助激发矿渣，变害为宝，强化AAS—水玻璃硬化壳界面，对混凝土的强度具有积极的促进作用，应用前景广阔。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种利用废水玻璃铸造型砂制备的碱激发混凝土，其特征是包括如下原料：废水玻璃铸造型砂、碱性激发剂和矿渣。

2.根据权利要求1所述的一种利用废水玻璃铸造型砂制备的碱激发混凝土，其特征是还包括城市普通自来水、砂、石子、纤维和粉煤灰。

3.根据权利要求2所述的一种利用废水玻璃铸造型砂制备的碱激发混凝土，其特征是其重量份组成为：矿渣120~460份，粉煤灰12~86份，砂0~423份，石子0~423份，纤维0~40份，碱性激发剂26~131份，水150~430份。

4.根据权利要求1所述的一种利用废水玻璃铸造型砂制备的碱激发混凝土，其特征是废水玻璃铸造型砂为铸造厂排放的铸造废砂，主要由水玻璃胶结制成。

5.根据权利要求1所述的一种利用废水玻璃铸造型砂制备的碱激发混凝土，其特征是碱性激发剂为NaOH、水玻璃、Na₂SO₄、Na₂CO₃、MgO、石灰、KOH的一种或多种混合物。

6.根据权利要求1所述的一种利用废水玻璃铸造型砂制备的碱激发混凝土，其特征是矿渣为市售高炉矿渣，高炉矿渣为S95级以上高炉矿渣，细度为200目占90%以上。

7.根据权利要求2所述的一种利用废水玻璃铸造型砂制备的碱激发混凝土，其特征是粉煤灰为市售粉煤灰，粉煤灰为二级以上粉煤灰，细度为200目占90%以上。

8.根据权利要求2所述的一种利用废水玻璃铸造型砂制备的碱激发混凝土，其特征是纤维是短切纤维，纤维可为聚丙烯纤维、玄武岩纤维、碳纤维、钢纤维等的一种或几种混合物。