CN115490447A - 一种全固废碱激发胶凝材料及其制备方法 - Google Patents

一种全固废碱激发胶凝材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种全固废碱激发胶凝材料及其制备方法，旨在克服现有技术中的碱激发剂碳排放大，导致固废制作的建筑材料达不到低碳建材标准的缺点，该胶凝材料包括：高活性的硅铝酸钙固废5‑40份，低活性的硅铝酸钙固废0‑18份，工业废钠盐和电石渣组成的固废混合碱激发剂1‑5份和6‑20份水；工业废钠盐和电石渣的质量比为（1:1）‑（4:1），工业废钠盐包括：硫酸钠和/或亚硫酸钠，工业废钠盐中，硫酸钠和/或亚硫酸钠的含量≥60%；电石渣中，氢氧化钙的含量≥80%。本发明以电石渣和工业废钠盐作为混合碱激发剂，制备胶凝材料时，电石渣和工业废钠盐反应得到强碱，激发活化固废，制得的建筑材料强度较高，且为低碳建材。

Description

一种全固废碱激发胶凝材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，尤其涉及一种全固废碱激发胶凝材料及其制备方法。
背景技术
工业固废，如：粉煤灰、高炉矿渣或钢渣的再利用，一般是将其通过碱激发剂激发活化后用于制备建筑材料，达到了有效利用工业固废的目的。但现有技术中用作激发活化固废的碱激发剂一般为水玻璃和强碱的混合物，这种碱激发剂的成本高，导致固废制备的建筑材料的整体成本提高，与一般水泥相比并无成本优势，在很大程度上限制了碱激发材料的发展。
为了解决以上问题，公开号为CN 112441765 A的中国专利提出了将“硫酸盐、磷酸盐和生石灰”作为碱激发剂，实现了降低碱激发胶凝材料成本的目的。但硫酸盐、磷酸盐、生石灰等的生产与分离，也需耗费资源，伴随着大量碳排放，这与发展固废制作低碳建材的初衷相悖，本申请提供一种全固废碱激发胶凝材料及碱激发混凝土，旨在探索以固废用作碱激发剂来制备低碳建材。
发明内容
本发明旨在克服现有技术中，激发活化固废的碱激发剂的碳排放较大，导致固废制作的建筑材料达不到低碳建材标准的缺点，提供了一种全固废碱激发胶凝材料及其制备方法。
实现本发明第一发明目的采用的技术方案是：一种全固废碱激发胶凝材料，按重量份计，包括以下组分：高活性的硅铝酸钙固废5-40份，低活性的硅铝酸钙固废0-18份，固废混合碱激发剂1-5份和6-20份水。
所述的固废混合碱激发剂由工业废钠盐和电石渣组成，工业废钠盐和电石渣的质量比为（1:1）-（4:1）。工业废钠盐包括：硫酸钠和/或亚硫酸钠，工业废钠盐中，硫酸钠和/或亚硫酸钠的含量≥60%；电石渣中，氢氧化钙的含量≥80%。
进一步的，所述的高活性的硅铝酸钙固废为活性指数≥100%的硅铝酸钙固废。
进一步的，所述的低活性的硅铝酸钙固废为活性指数＜100%的硅铝酸钙固废。
进一步的，所述的高活性的硅铝酸钙固废包括：高炉矿渣。
进一步的，所述的低活性的硅铝酸钙固废包括：粉煤灰、钢渣、气化渣和赤泥中的一种或几种。
进一步的，所述的工业废钠盐中还包括：氟化钠或硝酸钠，工业废钠盐中，0＜氟化钠或硝酸钠的质量百分数≤20%。
进一步的，所述的固废混合碱激发剂的粒度为≤200目。
实现本发明第二发明目的采用的技术方案是：一种制备以上任意技术方案所述的全固废碱激发胶凝材料的方法，包括以下步骤：
S1、称取5-40份的高活性的硅铝酸钙固废和0-18份的低活性的硅铝酸钙固废并混合均匀，得到固废混合碱激发前驱体；
S2、将电石渣和工业废钠盐按比例混合均匀，得到固废混合碱激发剂；
S3、称取1-5份步骤S2得到的固废混合碱激发剂，与步骤S1中的固废混合碱激发前驱体混合，得到固废混合料；
S4、量取6-20份的水加入到步骤S3中的固废混合料中并搅拌均匀，得到全固废碱激发胶凝材料。
本发明的有益效果是：（1）本申请碱激发剂中所用的工业废钠盐中的钠盐以硫酸钠和/或亚硫酸钠为主，电石渣中的主要成分为氢氧化钙，将工业废钠盐和电石渣共同作为碱激发剂时，两者发生反应，得到碱性更强的氢氧化钠，进一步增强了固废中硅铝酸钙的溶解，达到了有效激发活化固废的目的。
（2）以电石渣和工业废钠盐协同作用，激发活化含硅铝酸钙的固废，得到全固废的碱激发胶凝材料，有效地回收利用了固废，节约资源，得到了低碳环保的碱激发胶凝材料。
下面通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
具体实施方式
一种全固废碱激发胶凝材料，按重量份计，包括以下组分：高活性的硅铝酸钙固废5-40份，低活性的硅铝酸钙固废0-18份，固废混合碱激发剂1-5份。
硅铝酸钙固废的活性按照《GB/T51003-2014 矿物掺合料应用技术规范》中的标准测定，具体的测试及计算标准在“附录B 矿物掺合料胶砂需水量比、流动度比及活性指数试验方法”中，当计算得到硅铝酸钙固废的活性指数等于或高于100%时，为高活性的硅铝酸钙固废，如：高炉矿渣；当计算得到硅铝酸钙固废的活性指数低于100%时，为低活性的硅铝酸钙固废，如：粉煤灰、钢渣、气化渣和赤泥等，所以在制备胶凝材料时，低活性的硅铝酸钙固废可选择：粉煤灰、钢渣、气化渣和赤泥中的一种或几种。
固废混合碱激发剂由工业废钠盐和电石渣组成，工业废钠盐和电石渣的质量比为（1:1）-（4:1）。工业废钠盐一般以硫酸钠或亚硫酸钠、或硫酸钠和亚硫酸钠的混合钠盐为主，本申请所用的工业废钠盐中，硫酸钠或亚硫酸钠、或硫酸钠和亚硫酸钠的混合钠盐的含量需达到60%及以上；所用的电石渣中，氢氧化钙的含量需达到80%及以上。并且为了保证固废混合碱激发剂能够有效地发挥作用，固废混合碱激发剂的粒度选择不高于200目的。
以硫酸钠和/或亚硫酸钠为主的工业废钠盐和电石渣作为碱激发剂时，发生如下反应：
Na2SO4+Ca(OH)2→CaSO4+2NaOH
Na2SO3+Ca(OH)2→CaSO3+2NaOH
在以上反应中，因硫酸钙、亚硫酸钙的溶解度小于硫酸钠、亚硫酸钠，使得反应得以进行，且得到的产物氢氧化钠的碱性更强，更强的碱激发剂促进了固废中的硅铝酸钙矿物质的溶解，达到了有效激发活化固废的效果。且不高于200目的工业废钠盐和电石渣能够更有效地接触反应，进一步保证激发活化反应的进行。
并且，一般的工业废钠盐中还包括：少量的氟化钠或硝酸钠，0＜氟化钠或硝酸钠的质量百分数≤20%，氟化钠、硝酸钠可直接用作碱激发剂。
并且氟化钠与氢氧化钙可发生如下反应：2NaF+Ca(OH)2→CaF2+2NaOH，得到了氢氧化钠，因此氟化钠也可以像硫酸钠或亚硫酸钠一样在碱激发反应中起到促进作用。
通过以下步骤制备本申请的全固废碱激发胶凝材料：
S1、称取5-40份的高活性的硅铝酸钙固废和0-18份的低活性的硅铝酸钙固废并混合均匀，得到固废混合碱激发前驱体；
S2、将电石渣和工业废钠盐按比例混合均匀，得到固废混合碱激发剂；
S3、称取1-5份步骤S2得到的固废混合碱激发剂，与步骤S1中的固废混合碱激发前驱体混合，得到固废混合料；
S4、量取6-20份的水加入到步骤S3中的固废混合料中并搅拌均匀，得到全固废碱激发胶凝材料。
在以上制得的全固废碱激发胶凝材料中，再加入骨料（砂），混合均匀后成型，养护，得到的固废碱激发建筑材料，为低碳建筑材料。
通过以下实施例及对照例来验证本发明的全固废碱激发胶凝材料在低碳建筑材料的应用及发展方面的优势。
实施例中，各个组分分别为：17份高炉矿渣、17份粉煤灰、3份工业废钠盐、1份电石渣、14份水和100份砂。
其中：实施例1，以宁夏煤工业废盐为原料，其中主要含有硫酸钠（≥95%）以及少量硝酸钠（<5%）。
实施例2，以山东工业蒸发废盐1为原料，主要含有硫酸钠和亚硫酸钠（≥90%，其中亚硫酸钠占比>50%）以及少量氟化钠（<10%）。
实施例3，以山东工业蒸发废盐2为原料，主要含有硫酸钠和亚硫酸钠（≥90%，其中亚硫酸钠占比<10%）以及少量氟化钠（<10%）。
对照例中，各个组分分别为：17份高炉矿渣、17份粉煤灰、3份工业硫酸钠、1份工业氢氧化钙、14份水和100份砂。
以下为实施例1-3与对照例制得的建筑材料的强度对比表。
Figure 137639DEST_PATH_IMAGE001
分析以上表格中的数据，可知：（1）对照例得到的建筑材料的强度低于实施例1-3的建筑材料强度，是因为：实施例1-3的工业废钠盐中存在氟化钠或硝酸钠等物质，更进一步促进了固废（高炉矿渣和粉煤灰）的激发活化，得到了强度更强、性质更优的建筑材料；
（2）实施例2中的建筑材料的强度大于实施例1中的建筑材料的强度，原因在于：氟化钠既能促进碱激发反应，又能够作为碱激发剂，双重作用下，使得碱激发活化固废的效果提高，得到的建筑材料的强度更高；
（3）对比实施例2和实施例3的建筑材料的强度，可知：亚硫酸钠的占比较大时，得到的建筑材料强度更高；原因：亚硫酸钙比硫酸钙难溶于水，当工业废钠盐中亚硫酸钠的占比较大时，工业废钠盐与电石渣的反应比硫酸钠占比大时更易进行，得到强碱的效率更高，进而也能提高激发活化固废的效率，则同样的养护时间得到的建筑材料的强度更高。

Claims (8)

1.一种全固废碱激发胶凝材料，其特征在于，
按重量份计，所述的全固废碱激发胶凝材料包括以下组分：高活性的硅铝酸钙固废5-40份，低活性的硅铝酸钙固废0-18份，固废混合碱激发剂1-5份和6-20份水；
所述的固废混合碱激发剂由工业废钠盐和电石渣组成，工业废钠盐和电石渣的质量比为（1:1）-（4:1）；
工业废钠盐包括：硫酸钠和/或亚硫酸钠，工业废钠盐中，硫酸钠和/或亚硫酸钠的含量≥60%；电石渣中，氢氧化钙的含量≥80%。
2.根据权利要求1所述的一种全固废碱激发胶凝材料，其特征在于，所述的高活性的硅铝酸钙固废为活性指数≥100%的硅铝酸钙固废。
3.根据权利要求1所述的一种全固废碱激发胶凝材料，其特征在于，所述的低活性的硅铝酸钙固废为活性指数＜100%的硅铝酸钙固废。
4.根据权利要求1所述的一种全固废碱激发胶凝材料，其特征在于，所述的高活性的硅铝酸钙固废包括：高炉矿渣。
5.根据权利要求1所述的一种全固废碱激发胶凝材料，其特征在于，所述的低活性的硅铝酸钙固废包括：粉煤灰、钢渣、气化渣和赤泥中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种全固废碱激发胶凝材料，其特征在于，所述的工业废钠盐还包括：氟化钠或硝酸钠；工业废钠盐中，0＜氟化钠或硝酸钠的含量≤20%。
7.根据权利要求1所述的一种全固废碱激发胶凝材料，其特征在于，所述的固废混合碱激发剂的粒度为≤200目。
8.一种制备任意权利要求1-7所述的全固废碱激发胶凝材料的方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤：
S1、称取5-40份的高活性的硅铝酸钙固废和0-18份的低活性的硅铝酸钙固废并混合均匀，得到固废混合碱激发前驱体；
S2、将电石渣和工业废钠盐按比例混合均匀，得到固废混合碱激发剂；
S3、称取1-5份步骤S2得到的固废混合碱激发剂，与步骤S1中的固废混合碱激发前驱体混合，得到固废混合料；
S4、量取6-20份的水加入到步骤S3中的固废混合料中并搅拌均匀，得到全固废碱激发胶凝材料。
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