CN113880506A - 一种磷酸激发富镁镍渣地质聚合物胶凝材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磷酸激发富镁镍渣地质聚合物胶凝材料及制备方法，包括：由富镁镍渣和粉煤灰组成的胶凝材料，主要由以下成分组成：按重量份计，富镁镍渣50‑90份，粉煤灰50‑10份，磷酸10‑20份，水20‑40份，明能够将成分复杂的富镁镍渣、粉煤灰直接用于制备胶凝材料，通过控制各原料的配比最终得到抗压强度等综合性能优异的凝胶材料，可用作水泥的掺和料，也可用作混凝土的胶结料。根据本发明，利用酸激发的固废胶凝材料，且加工工艺简单、绿色环保、能耗低、成本低的方法，可显示出较好的抗压强度。
Description
技术领域
本发明涉及工业固体废物资源化利用的技术领域，特别涉及一种磷酸激发富镁镍渣地质聚合物胶凝材料及制备方法。
背景技术
由于市场上对镍的需求量巨大，每年因此产生的镍渣量非常大，占用了大 量土地且其中的重金属离子具有污染性，这对周边的生态环境造成了巨大破 坏。我国的镍矿以富硅镁型的红土镍矿为主，排出的镍铁渣具有镁含量较高 的特点。镍渣往往经水淬急速冷却或者风冷，熔渣来不及析晶，导致其矿物 相中含有玻璃相，具有潜在的胶凝性。因此，镍渣的资源化利用受到了研究 人员的关注，以达到以废治废的目的。
粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物。随着我国电力工业的快速发展， 燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加，成为我国当前排量较大的工业废渣之一。 大量的粉煤灰由于不加处理而产生扬尘，不仅污染大气，还会造成水体的污 染，而其中的有毒化学物质也会对人体和生物造成危害，因此对粉煤灰的处 理及综合利用问题也成为当前一个不容忽视的问题，目前关于碱激发胶凝材 料的的研究成果较多，应用也趋于成熟，但是快速发展的同时也发现了一些 问题，比如速凝问题、碱骨料反应、配置出的强度不稳定、收缩大导致的成 型后期试件开裂等。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种磷酸激发富镁 镍渣地质聚合物胶凝材料及制备方法，利用酸激发的固废胶凝材料，且加工 工艺简单、绿色环保、能耗低、成本低的方法，可显示出较好的抗压强度。 为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种磷酸激发富镁镍渣 地质聚合物胶凝材料及制备方法，包括：
富镁镍渣50-90份，粉煤灰50-10份，磷酸10-20份，水20-40份。
优选的，所述富镁镍渣包括SiO240-50份，MgO 20-30份，Fe2O310-20 份，Al2O35-10份，CaO 1-2份，K2O 0.1-0.2份，Cr2O31-2份，TiO20.2-0.4 份。
优选的，所述粉煤灰包括SiO250-60份，Al2O315-20份，Fe2O35-10 份，CaO 10-15份，MgO 1-2份，K2O 1-2份，Na2O 1-2份，TiO21-2份。
优选的，所述富镁镍渣比表面积＞4000cm2/g、粉煤灰的比表面积＞6000 cm2/g。
优选的，所述磷酸占总原料的份数为纯磷酸所占份数。
一种磷酸激发富镁镍渣地质聚合物胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将初步破碎的原料(粒径＜3mm)置入球磨机中进行研磨，研磨后过 200目筛得到所需细度原料；
S2、将磷酸和水混合配制成酸性液体；
S3、向均匀混合好的富镁镍渣和粉煤灰中掺入酸性液体，搅拌混匀，得 到净浆；
S4、将所述净浆浇注到40*40*160(mm)的模具中振实成型，随后进行养 护得到绿色固体废弃物的胶凝材料。
优选的，所述步骤S4中振动成型后，将浇注有净浆的模具进行密封处理 后置恒温养护箱中养护2-4h，脱模后将试块继续密封养护至3天，随后养护 至7-28天，得到胶凝材料，所述养护过程中的温度为50-80℃，所述养护条 件是将浇注有净浆的模具进行密封处理后置入恒温养护箱中养护2-4h，脱模 后将试块继续密封养护得到胶凝材料，养护过程中的温度为50-80℃，初步养 护时间为3-6小时，所述后期养护时间为7-28天初步养护时间为3-6小时， 所述后期养护时间为7-28天初步养护时间为3-6小时，所述后期养护时间为 7-28天。
所述凝胶材料与现有的矿渣胶凝材料相比，本发明的胶凝材料组成简单， 极大的降低了原料成本；掺入的酸性激发剂不会产生传统的碱性激发剂的一 些诸如碱骨料反应等问题，并且富镁镍渣的利用率更高，组成简化的同时由 于协同作用的发挥仍能显示出良好的胶结性能和力学性能。采用水胶比为 0.2-0.4:1，根据GB17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》，将本发明的胶凝 材料制备净浆试块，试块尺寸40mm×40mm×160mm，振动成型后，将浇注 有净浆的模具进行密封处理后置入恒温养护箱中养护2-4h，脱模后将试块继 续密封养护至3天，随后打开密封袋养护至7-28天，得到胶凝材料，所述养 护过程中的温度为50-80℃。该方法制得的试块显示出良好的抗压强度等力学 性能，本发明的胶凝材料利用富镁镍渣和粉煤灰代替传统胶结剂水泥，利用 磷酸激发富镁镍渣活性，并协同利用粉煤灰制备全固废胶凝材料，使富镁镍 渣得到了最大限度的资源化利用，提供了粉煤灰在全固废胶凝体系的较佳掺 量，推进固废的合理利用和环境保护，为大规模替代水泥或制备建筑用混凝 土提供胶凝材料，奠定工程应用基础。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：以富镁镍渣和粉煤灰为主要原 料制备胶凝材料、工艺流程简单、生产成本低、固废利用率高，且所得胶凝 材料具有较好的强度，可以用作路基材料、固化材料和建筑材料，具有显著 的社会、环境、经济效益和深刻的推广意义。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。
一种磷酸激发富镁镍渣地质聚合物胶凝材料及制备方法，包括：本发明 实施例中采用的富镁镍渣和粉煤灰原料的主要化学成分的含量经X射线荧光 光谱分析，结果如表1所示：
表1富镁镍渣和粉煤灰原料的主要化学成分的含量
实施例1
本实施例提供了一种基于富镁镍渣和粉煤灰的绿色胶凝材料，该胶凝材 料的各组分含量分别为：富镁镍渣为60-80％、粉煤灰为40-20％、磷酸10-20％ (固含量)、去离子水20-30％。
该基于富镁镍渣和粉煤灰的绿色胶凝材料通过以下步骤得到：
粉体细化：将富镁镍渣和粉煤灰放在烘箱中，烘至质量不再变化，冷却 至室温后将富镁镍渣用球磨机进行球磨，随后过200目筛，粉煤灰直接过200 目筛；
配制酸性液体:将磷酸和水配制成酸性液体，冷却后备用；
制备净浆:将上述过筛后的富镁镍渣与粉煤灰混合均匀，再加入酸性液 体，搅拌均匀，得到净浆；
成型养护:振动成型后，将浇注有净浆的模具进行密封处理后置入恒温 养护箱中养护2-4h，脱模后将试块继续密封养护至3天，随后养护至7-28天， 得到胶凝材料，所述养护过程中的温度为50-80℃。
采用本方法得到的基于多种固体废弃物的胶凝材料的3天抗压强度值 17.53MPa、7天抗压强度值27.54MPa、28天抗压强度值35.67MPa。
实施例2
本实施例提供了一种基于富镁镍渣和粉煤灰的绿色胶凝材料，该胶凝材 料的各组分含量分别为：富镁镍渣为70-80％、粉煤灰为30-40％、磷酸10-20％ (固含量)、去离子水20-30％。
该基于富镁镍渣和粉煤灰的绿色胶凝材料通过以下步骤得到：
粉体细化：将富镁镍渣和粉煤灰放在烘箱中，烘至质量不再变化，冷却 至室温后将富镁镍渣用球磨机进行球磨，随后过200目筛，粉煤灰直接过200 目筛；
配制酸性液体:将磷酸和水配制成酸性液体，冷却后备用；
制备净浆:将上述过筛后的富镁镍渣与粉煤灰混合均匀，再加入酸性液 体，搅拌均匀，得到净浆；
成型养护:振动成型后，将浇注有净浆的模具进行密封处理后置入恒温 养护箱中养护2-4h，脱模后将试块继续密封养护至3天，随后养护至7-28天， 得到胶凝材料，所述养护过程中的温度为室温50-80℃。
采用本方法得到的基于多种固体废弃物的胶凝材料的3天抗压强度值 16.30MPa、7天抗压强度值28.60MPa、28天抗压强度值36.89MPa。
实施例3
本实施例提供了一种基于富镁镍渣和粉煤灰的绿色胶凝材料，该胶凝材 料的各组分含量分别为：富镁镍渣为50-60％、粉煤灰为50-40％、磷酸10-20％ (固含量)、去离子水20-40％。
该基于富镁镍渣和粉煤灰的绿色胶凝材料通过以下步骤得到：
粉体细化：将富镁镍渣和粉煤灰放在烘箱中，烘至质量不再变化，冷却 至室温后将富镁镍渣用球磨机进行球磨，随后过200目筛，粉煤灰直接过200 目筛；
配制酸性液体:将磷酸和水配制成酸性液体，冷却后备用；
制备净浆:将上述过筛后的富镁镍渣与粉煤灰混合均匀，再加入酸性液 体，搅拌均匀，得到净浆；
成型养护:振动成型后，将浇注有净浆的模具进行密封处理后置入恒温 养护箱中养护2-4h，脱模后将试块继续密封养护至3天，随后养护至7-28天， 得到胶凝材料，所述养护过程中的温度为50-80℃。
采用本方法得到的基于多种固体废弃物的胶凝材料的3天抗压强度值 13.65MPa、7天抗压强度值19.67MPa、28天抗压强度值33.01MPa。
对比例1
本实施例提供了一种基于富镁镍渣和粉煤灰的绿色胶凝材料，该胶凝材 料的各组分含量分别为：富镁镍渣为50-90％、粉煤灰为50-10％、磷酸3-8％ (固含量)、去离子水20-40％。
该基于富镁镍渣和粉煤灰的绿色胶凝材料通过以下步骤得到：
粉体细化：将富镁镍渣和粉煤灰放在烘箱中，烘至质量不再变化，冷却 至室温后将富镁镍渣用球磨机进行球磨，随后过200目筛，粉煤灰直接过200 目筛；
配制酸性液体:将磷酸和水配制成酸性液体，冷却后备用；
制备净浆:将上述过筛后的富镁镍渣与粉煤灰混合均匀，再加入酸性液 体，搅拌均匀，得到净浆；
成型养护:振动成型后，将浇注有净浆的模具进行密封处理后置入恒温 养护箱中养护2-4h，脱模后将试块继续密封养护至3天，随后养护至7-28天， 得到胶凝材料，所述养护过程中的温度为50-80℃。
采用本方法得到的基于多种固体废弃物的胶凝材料的3天抗压强度值 3.73MPa、7天抗压强度值5.03MPa、28天抗压强度值11.23MPa。其可能原 因为：当磷酸浓度过低时，胶凝材料得不到充分激发，大量未参与反应的胶 凝材料颗粒与反应产生的胶凝体之间的粘接力降低，水化反应不完全，所以 导致强度较低。
对比例2
本实施例提供了一种基于富镁镍渣和粉煤灰的绿色胶凝材料，该胶凝材 料的各组分含量分别为：富镁镍渣为50-90％、粉煤灰为50-10％、磷酸20-30％(固含量)、去离子水20-40％。
该基于富镁镍渣和粉煤灰的绿色胶凝材料通过以下步骤得到：
粉体细化：将富镁镍渣和粉煤灰放在烘箱中，烘至质量不再变化，冷却 至室温后将富镁镍渣用球磨机进行球磨，随后过200目筛，粉煤灰直接过200 目筛；
配制酸性液体:将磷酸和水配制成酸性液体，冷却后备用；
制备净浆:将上述过筛后的富镁镍渣与粉煤灰混合均匀，再加入酸性液 体，搅拌均匀，得到净浆；
成型养护:振动成型后，将浇注有净浆的模具进行密封处理后置入恒温 养护箱中养护2-4h，脱模后将试块继续密封养护至3天，随后养护至7-28天， 得到胶凝材料，所述养护过程中的温度为50-80℃。
采用本方法得到的基于多种固体废弃物的胶凝材料的3天抗压强度值 6.78MPa、7天抗压强度值10.95MPa、28天抗压强度值14.57MPa。其可能原 因为：当磷酸浓度过高时，反应强烈，胶凝材料迅速反应固化，成型后缺陷 过多，导致强度不高。
对比例3
本实施例提供了一种基于富镁镍渣和粉煤灰的绿色胶凝材料，该胶凝材 料的各组分含量分别为：富镁镍渣为90-100％、粉煤灰为10-0％、磷酸10-20％ (固含量)、去离子水20-40％。
该基于富镁镍渣和粉煤灰的绿色胶凝材料通过以下步骤得到：
粉体细化：将富镁镍渣和粉煤灰放在烘箱中，烘至质量不再变化，冷却 至室温后将富镁镍渣用球磨机进行球磨，随后过200目筛，粉煤灰直接过200 目筛；
配制酸性液体:将磷酸和水配制成酸性液体，冷却后备用；
制备净浆:将上述过筛后的富镁镍渣与粉煤灰混合均匀，再加入酸性液 体，搅拌均匀，得到净浆；
成型养护:振动成型后，将浇注有净浆的模具进行密封处理后置入恒温 养护箱中养护2-4h，脱模后将试块继续密封养护至3天，随后养护至7-28天， 得到胶凝材料，所述养护过程中的温度为50-80℃。
采用本方法得到的基于多种固体废弃物的胶凝材料的3天抗压强度值 6.95MPa、7天抗压强度值9.63MPa、28天抗压强度值13.23MPa。其可能原 因为：在地质聚合物中，粉煤灰起到了填充作用，适量的粉煤灰能够很好的 配合胶凝组织，未发生反应的微小粉煤灰颗粒存在于胶凝组织的孔隙之间， 形成较紧密的结构，如果不掺入或掺入很少的粉煤灰时，强度是不如掺入适 量粉煤灰的胶凝材料强度的。
对比例4
本实施例提供了一种基于富镁镍渣和粉煤灰的绿色胶凝材料，该胶凝材 料的各组分含量分别为：富镁镍渣为40-50％、粉煤灰为60-50％、磷酸10-20％ (固含量)、去离子水20-40％。
该基于富镁镍渣和粉煤灰的绿色胶凝材料通过以下步骤得到：
粉体细化：将富镁镍渣和粉煤灰放在烘箱中，烘至质量不再变化，冷却 至室温后将富镁镍渣用球磨机进行球磨，随后过200目筛，粉煤灰直接过200 目筛；
配制酸性液体:将磷酸和水配制成酸性液体，冷却后备用；
制备净浆:将上述过筛后的富镁镍渣与粉煤灰混合均匀，再加入酸性液 体，搅拌均匀，得到净浆；
成型养护:振动成型后，将浇注有净浆的模具进行密封处理后置入恒温 养护箱中养护2-4h，脱模后将试块继续密封养护至3天，随后养护至7-28天， 得到胶凝材料，所述养护过程中的温度为50-80℃。
采用本方法得到的基于多种固体废弃物的胶凝材料的3天抗压强度值 7.85MPa、7天抗压强度值11.30MPa、28天抗压强度值17.60MPa。其可能原 因为：粉煤灰中SiO2和Al2O3的活性较低，参与地质聚合反应的量相对较 少。当粉煤灰掺量过高时，地质聚合物中有大量未反应的粉煤灰小颗粒，这 部分未反应的粉煤灰存在于少量的胶凝相之间，其中的SiO2和Al2O3也没 有完全发挥其活性，地质聚合物强度反而降低。
上述案例配料比如表2
上述案例测试结果如表3
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明将富镁镍渣和粉煤灰综 合利用得到胶凝材料为解决固废带来的土地占用和环境污染问题提供了一种 新的方法，该方法工艺流程简单，生产成本低、固废利用率高且环境友好； 同时，本发明在制备过程中也不需要辅助天然硅铝原料，能够减少对自然资 源的需求，降低成本；此外，本发明所制备的胶凝材料抗压性能较好，其28 天的抗压强度可以达到32.5MPa以上，可以用作路基材料、固化材料和建筑 材料。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对 本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方 式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟 悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利 要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。
Claims (7)
1.一种磷酸激发富镁镍渣地质聚合物胶凝材料，其特征在于，包括：
富镁镍渣50-90份，粉煤灰50-10份，磷酸10-20份，水20-40份。
2.如权利要求1所述的一种磷酸激发富镁镍渣地质聚合物胶凝材料及制备方法，其特征在于，所述富镁镍渣包括SiO240-50份，MgO 20-30份，Fe2O310-20份，Al2O35-10份，CaO1-2份，K2O 0.1-0.2份，Cr2O31-2份，TiO20.2-0.4份。
3.如权利要求1所述的一种磷酸激发富镁镍渣地质聚合物胶凝材料及制备方法，其特征在于，所述粉煤灰包括SiO250-60份，Al2O315-20份，Fe2O35-10份，CaO 10-15份，MgO 1-2份，K2O 1-2份，Na2O 1-2份，TiO21-2份。
4.如权利要求1所述的一种磷酸激发富镁镍渣地质聚合物胶凝材料及制备方法，其特征在于，所述富镁镍渣比表面积＞4000cm2/g、粉煤灰的比表面积＞6000cm2/g。
5.如权利要求1所述的一种磷酸激发富镁镍渣地质聚合物胶凝材料及制备方法，其特征在于，所述磷酸占总原料的份数为纯磷酸所占份数。
6.如权利要求1所述的一种磷酸激发富镁镍渣地质聚合物胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将初步破碎的原料(粒径＜3mm)置入球磨机中进行研磨，研磨后过200目筛得到所需细度原料；
S2、将磷酸和水混合配制成酸性液体；
S3、向均匀混合好的富镁镍渣和粉煤灰中掺入酸性液体，搅拌混匀，得到净浆；
S4、将所述净浆浇注到40*40*160(mm)的模具中振实成型，随后进行养护得到绿色固体废弃物的胶凝材料。
7.如权利要求1所述的一种磷酸激发富镁镍渣地质聚合物胶凝材料及制备方法，其特征在于，所述步骤S4中振动成型后，将浇注有净浆的模具进行密封处理后置恒温养护箱中养护2-4h，脱模后将试块继续密封养护至3天，随后养护至7-28天，得到胶凝材料，所述养护过程中的温度为50-80℃。
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