CN115572146B - 一种碱激发花岗岩石粉胶结料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碱激发花岗岩石粉胶结料及其制备方法，属于土建工程技术领域，本发明是将花岗岩石粉、赤泥、盐泥和磷酸钾镁水泥按照质量份配比进行掺配、搅拌，加入标准砂，最后加水或海水、以及碱激发剂继续搅拌混匀，得到碱激发花岗岩石粉胶结料。本发明胶结料胶凝性好，可显著降低混凝土内部的游离碱、减弱混凝土的泛碱风化问题，并能够有效固化赤泥中的游离化学元素和海水中的游离氯离子，抗渗、抗冻性能理想。以该胶凝材料制备的混凝土内游离碱相较传统碱激发水泥显著降低，泛碱风化现象也显著减弱，具有较好的环保特性，可使用海水直接进行制备，具有良好的氯离子固化特性、耐久性并提高使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及土建工程技术领域，具体地说是一种碱激发花岗岩石粉胶结料及其制备方法。
背景技术
碱激发水泥符合环境友好材料特征的基本理念，是一种环境友好型材料。与硅酸盐水泥相比，碱激发水泥的原材料来源广，资源消耗量小，并且本身不产生新的环境污染，具有显著的经济与社会效益。碱矿渣水泥的发现一定程度上解决了硅酸盐水泥资源的紧缺问题和水泥生产过程中的环境污染问题。
伴随建筑行业的发展，石材市场的供应量日趋剧增，但如何处理石材生产中产生大量的废料，成为摆在科研工作者面前的难题。石材原产地以及石材加工厂周围常常伴有大量的石材废弃料、石粉堆积的现象。这给周边的生态环境造成很大负担，石材行业的健康受阻、可持续发展受严重制约，与环境友好型社会建设背道而驰。目前形式，针对石材边角废料、石粉利用甚少，造成石材资源浪费严重。
不论是水泥还是石材在生产过程中都给环境造成污染，同时浪费资源。因此水泥的不可持续发展和花岗岩废弃石粉对环境的污染，严重阻碍环境保护的发展。若能找到一种胶凝材料使用大量的石材废料，一则天然资源可以有效被节约，再则可以解决废料处理日益增长的难题，以及日益突出的环境污染的矛盾，对经济和环保效益显著提高。将废弃的花岗岩石粉和其他固废进行综合利用，并采用碱激发的方式生产胶凝材料，既可废物利用也可减少水泥用量，解决了水泥的短缺和环境污染问题，同时也减少废弃花岗岩石粉对环境的污染。
发明内容
本发明的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种碱激发花岗岩石粉胶结料及其制备方法。
本发明的技术方案是按以下方式实现的，本发明的一种碱激发花岗岩石粉胶结料，其特征在于该碱激发花岗岩石粉胶结料的原料包括粉料、碱激发剂、水或海水；
粉料：包括花岗岩石粉、赤泥、盐泥、磷酸钾镁水泥、标准砂；
碱激发剂：包括NaOH和水玻璃Na2O·nSiO2，n为2～3；
所述原料以质量份配比的配方是：
粉料66～82.6份，碱激发剂8.2～12.8份，海水9～16份；
其中，粉料采用：41～52份花岗岩石粉、20～26份赤泥、4～6份盐泥、12～17份磷酸钾镁水泥、4～10份标准砂组成；
该碱激发花岗岩石粉胶结料的获得方法是：将花岗岩石粉、赤泥、盐泥和磷酸钾镁水泥按照质量份配比进行掺配、搅拌，加入标准砂，最后加水或海水、以及碱激发剂继续搅拌混匀，得到碱激发花岗岩石粉胶结料。
粉料中：
所述花岗岩石粉密度不小于2700kg/m3，需水量不小于90％；
所述赤泥为拜耳法赤泥固体废弃物，其赤泥中Fe2O3含量不小于30％，SiO2含量不小于20％，Al2O3含量不小于20％，赤泥中0～10μm的颗粒含量至少占90％；
所述盐泥中Mg(OH)2含量不小于15％，CaCO3含量不小于8％，BaSO4含量不小于35％，NaCl含量不超过25％；
所述标准砂中的二氧化硅SiO2含量大于96％、其烧失量不超过0.40％、含泥量不超过0.20％，含泥包括可溶性盐类。
花岗岩石粉密度优选为2700～2900kg/m3，粒径分布范围优选为1～50μm。
花岗岩石粉密度进一步优选为2750～2800kg/m3，粒径分布范围进一步优选为15～30μm；
赤泥中Fe2O3含量进一步优选为30％～42％，SiO2含量进一步优选为22％～28％，Al2O3含量进一步优选为20％～25％，赤泥中0～10μm的颗粒含量进一步优选为占90％～96％；
盐泥中Mg(OH)2含量进一步优选为16％～20％，CaCO3含量进一步优选为10％～14％，BaSO4含量进一步优选为36％～40％，NaCl含量进一步优选为14％～24％。
所述磷酸钾镁水泥由在磷酸钾镁水泥中占质量百分比的77％～94％氧化镁、4％～8％磷酸二氢钾、2％～4％缓凝剂、4％～6％聚合物以及1％～3％消泡剂组成，
氧化镁、磷酸二氢钾、缓凝剂、聚合物、消泡剂的配比总计100％；
其中，
缓凝剂由在缓凝剂中占质量百分比的72％～84％硼砂、6％～12％十二水合磷酸氢二钠和8％～12％氯化钙；
聚合物由在聚合物中占质量百分比的46％～58％聚乙烯醇、28％～36％阴离子聚丙烯酰胺和12％～18％醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液；
消泡剂采用磷酸三丁酯。
所述碱激发剂采用NaOH和水玻璃配置而成，模数为1.1～1.3。
所述碱激发剂中的NaOH的纯度为95％以上；
所述碱激发剂的配置模数优选为1.2。
一种碱激发花岗岩石粉胶结料的制备方法，该制备方法采用如权利要求1～7任一项所述的一种碱激发花岗岩石粉胶结料的原料及配比；
该制备方法的步骤是：
步骤1：氧化镁的制备
采用二次煅烧法将镁粉在箱式电阻炉中进行二次煅烧，煅烧条件是900℃下煅烧1.5h，得到粉末状氧化镁，然后将粉末状氧化镁放入球磨机研磨2min，其粒径控制在0.074～0.1mm内；煅烧及研磨后的氧化镁表观密度不低于3450kg/m3，堆积密度不低于1100kg/m3；
步骤2：
将步骤1所得氧化镁、五氧化二磷、磷酸二氢钾、缓凝剂、聚合物按质量占比进行掺配后，放入搅拌机中以115～125转/分钟转速搅拌30s至物料均匀，得到磷酸钾镁水泥；
步骤3：
将花岗岩石粉、赤泥、盐泥和磷酸钾镁水泥按照质量占比进行掺配，放入搅拌机中以115～125转/分钟转速搅拌2min至物料均匀后加入标准砂，最后加水或海水，以及碱激发剂继续搅拌2min，得到碱激发花岗岩石粉胶结料。
该制备方法还包括：
步骤4：
将步骤3所得的碱激发花岗岩石粉胶凝材料注入模具中，静置2h后，在90％以上的相对湿度、60℃以上温度的饱和水蒸气中养护48h；
步骤5：
蒸汽养护完成后，进行拆模。
磷酸钾镁水泥在制备碱激发花岗岩石粉胶结料中的应用。
本发明与现有技术相比所产生的有益效果是：
本发明的一种碱激发花岗岩石粉胶结料及其制备方法，该胶结料胶凝性好，可显著降低混凝土内部的游离碱、减弱混凝土的泛碱风化问题，并能够有效固化赤泥中的游离化学元素和海水中的游离氯离子，抗渗、抗冻性能理想，具有较好的环保特性和耐久性，提高混凝土的使用寿命。
本发明以花岗岩石粉、赤泥、盐泥和磷酸钾镁水泥等替代水泥的碱激发胶凝材料，以该胶凝材料制备的混凝土内游离碱相较传统碱激发水泥显著降低，从而新型碱激发水泥混凝土的泛碱风化现象也显著减弱，且可以有效固化赤泥中的游离化学元素具有较好的环保特性，可使用海水直接进行制备，具有良好的氯离子固化特性、耐久性并提高使用寿命。
本发明的一种碱激发花岗岩石粉胶结料及其制备方法设计合理、工艺简单、安全可靠、易于掌握，具有很好的推广使用价值。
具体实施方式
下面对本发明的一种碱激发花岗岩石粉胶结料及其制备方法作以下详细说明。
本发明的一种碱激发花岗岩石粉胶结料，以质量份计，包括如下原料：碱激发胶凝材料粉料66～82.6份；碱激发剂8.2～12.8份；水或海水9～16份。
作为优选，所述碱激发胶凝材料包括花岗岩石粉、赤泥、盐泥和磷酸钾镁水泥和标准砂，碱激发剂包括NaOH和水玻璃(Na2O·nSiO2，n为2～3)。
进一步地，碱激发胶结料粉料由碱激发胶结料粉料由41～52份花岗岩石粉、20～26份赤泥、4～6份盐泥、12～17份磷酸钾镁水泥和4～10份标准砂组成。
花岗岩石粉密度优选为(2700～2900)kg/m3，特别优选为(2750～2800)kg/m3，粒径分布范围优选为(1～50)μm，特别优选为(15～30)μm，需水量不小于90％。
作为优选，赤泥为拜耳法赤泥固体废弃物，其Fe2O3含量不小于30％，特别优选为30％～42％；SiO2含量不小于20％，特别优选为22％～28％；Al2O3含量不小于20％，特别优选为20％～25％；其0～10μm的颗粒含量占90％，特别优选为90％～96％。
作为优选，所述盐泥中Mg(OH)2含量不小于15％，特别优选为16％～20％；CaCO3含量不小于8％，特别优选为10％～14％；BaSO4含量不小于35％，特别优选为36％～40％；NaCl含量不超过25％，特别优选为14％～24％。
所述磷酸钾镁水泥由在磷酸钾镁水泥中占质量百分比的77％～94％氧化镁、4％～8％磷酸二氢钾、2％～4％缓凝剂、4％～6％聚合物以及1％～3％消泡剂组成，
在磷酸钾镁水泥中，氧化镁、磷酸二氢钾、缓凝剂、聚合物、消泡剂的配比总计100％；
其中，
缓凝剂由在缓凝剂中占质量百分比的72％～84％硼砂、6％～12％十二水合磷酸氢二钠和8％～12％氯化钙；在缓凝剂中硼砂、十二水合磷酸氢二钠、氯化钙的配比总计100％；
聚合物由在聚合物中占质量百分比的46％～58％聚乙烯醇、28％～36％阴离子聚丙烯酰胺和12％～18％醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液；
在聚合物中聚乙烯醇、阴离子聚丙烯酰胺、醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液的配比总计100％；
消泡剂采用磷酸三丁酯。
作为优选，碱激发剂采用NaOH和水玻璃配置而成，模数为1.1～1.3，特别优选为1.2。
作为优选，所用海水为普通海水。
作为优选，所用标准砂，其二氧化硅(SiO2)含量大于96％、烧失量不超过0.40％、含泥量(包括可溶性盐类)不超过0.20％。
上述含量，无特别说明外均为质量含量。
制备碱激发花岗岩石粉胶结料的方法如下：
步骤1：制备氧化镁，采用二次煅烧法将镁粉在箱式电阻炉中进行二次煅烧，煅烧条件是900℃下煅烧1.5h，得到氧化镁，然后将粉末状氧化镁放入球磨机研磨2min，其粒径控制在0.074～0.1mm内。煅烧及研磨后的氧化镁表观密度不低于3450kg/m3，堆积密度不低于1100kg/m3。
步骤2：制备氧化镁水泥，将氧化镁、磷酸二氢钾、五氧化二磷、缓凝剂、聚合物按比例进行掺配后，放入搅拌机中以115～125转/分钟转速搅拌30s至物料均匀，得到磷酸钾镁水泥。
步骤3：碱激发花岗岩石粉胶结料的制备，将花岗岩石粉、赤泥、盐泥和磷酸钾镁水泥按照质量占比进行掺配，放入搅拌机中以115～125转/分钟转速搅拌2min至物料均匀后加入标准砂，最后加海水和碱激发剂继续搅拌2min，得到碱激发花岗岩石粉胶结料。
步骤4：将步骤3所得的碱激发花岗岩石粉胶凝材料注入模具中，静置2h后，在90％以上的相对湿度、60℃以上温度的饱和水蒸气中养护48h。
步骤5：蒸汽养护完成后，进行拆模。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法：所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例一：
本例碱激发花岗岩石粉胶结料的各材料组分配比如表1所示：
表1本例的各材料组分配比
材料性能参数如下所述：
花岗岩石粉密度为2850kg/m3，粒径分布范围为20～45μm，需水量为93％。
所用赤泥为拜耳法赤泥固体废弃物，其其Fe2O3含量为35％，SiO2含量为26％，Al2O3含量为28％，其0～10μm的颗粒含量占94％
盐泥中Mg(OH)2含量18％；CaCO3含量为12％；BaSO4含量为37％；NaCl含量为16％。碱激发剂模数为1.2。
制备方法如下所述：
将镁粉在900℃下的箱式电阻炉中进行二次煅烧1.5h，得到氧化镁，然后将氧化镁放入球磨机研磨2min，其粒径控制在0.074～0.1mm内。
对煅烧及研磨后的氧化镁测定表观密度和堆积密度，确保其表观密度不低于3450kg/m3，堆积密度不低于1100kg/m3。
按比例将氧化镁、磷酸二氢钾、缓凝剂、聚合物按上表比例进行掺配，放入搅拌机中以115～125转/分钟转速搅拌30s至物料均匀，得到磷酸钾镁水泥。
按上表比例将花岗岩石粉、赤泥、盐泥和磷酸钾镁水泥进行掺配，放入搅拌机中以115～125转/分钟转速搅拌2min至物料均匀。
在搅拌均匀的粉料中，按上表比例加入标准砂、海水和碱激发剂继续搅拌2min，得到碱激发花岗岩石粉胶结料。
将胶结料注入模具中，静置2h后送入90％以上的相对湿度、60℃以上温度的饱和水蒸气中养护48h。
蒸汽养护完成后，进行拆模。
实施例二：作为对比例
本例碱激发花岗岩石粉胶结料的各材料组分配比如表2所示：
表2本例的各材料组分配比
制备方法原理如实施例一所述。
实施例三：
所用材料除所用水为普通自来水外，其余材料、材料用量及制作方法均在具体实施例给出的指导范围内。
实施例四：
所用材料中，花岗岩石粉密度为2500kg/m3，其余材料、材料用量及制作方法均在具体实施例给出的指导范围内。
实施例五：
所用材料中，碱激发剂模数为1.4，其余材料、材料用量及制作方法均在具体实施例给出的指导范围内。
实施例六：
所用材料、材料用量均在具体实施例给出的指导范围内。养护方法为普通胶结材料标准养护，即标准养护室的室温维持(20±2)℃范围内，湿度不小于95％，养护龄期为28天，其余养护条件与实施例一相同。
对实施例一至实施例六进行性能测试，测试方法按照相关标准及标准测试方法进行，主要对3d抗压强度、28d抗压强度、氯离子固化率、毒物浸出、初凝时间、终凝时间以及90d后的半电池点位进行测试，测试结果如下表所示：
测试结果表格1：
| 实施例 | 3d/MPa | 28d/MPa | Cl-固化率/％ | 初凝/min | 终凝/min |
| 实施例一 | 21.2 | 36.8 | 87％ | 18 | 73 |
| 实施例二 | 18.6 | 32.9 | 72％ | 62 | 169 |
| 实施例三 | 21.2 | 36.6 | 89％ | 25 | 92 |
| 实施例四 | 19.5 | 34.7 | 85％ | 20 | 82 |
| 实施例五 | 18.2 | 33.9 | 82％ | 16 | 65 |
| 实施例六 | 17.9 | 31.8 | 77％ | 77 | 203 |
测试结果表格2：
养护90d后胶结料部分浸出毒物检测结果。
“-”表示未测出，或无数据。
测试结果表格3：
养护28d和90d后的半电池点位、抗渗性能及抗冻性能检测结果。
对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
通过试验数据结果可以看出，实施例一的检测结果均优于实施例二(对比例)的，实施例一的3d和28d强度分别比对比例二高了14％和11.1％，初凝和终凝时间分别了44min和96min，氯离子固化率提高了15％，提高了胶结料的快硬早强时间、强度以及氯离子固化率；从养护28d和90d后的浸出毒物检测结果来看，实施例一的总汞、铅、铬、总铬和铜的浸出浓度分别较实施例二(对比例)降低了0.00037mg/L、0.02mg/L、0.006mg/L、0.3mg/L和0.199mg/L，二者均符合相关标准要求，且实施例一具有良好的固化稳定材料中的危害物质，有效抑制有害物质浸出进入地下水等环境；从抗钢筋锈蚀能力来看实施例一半电池点位的极差与实施例二(对比例)相比降低了86mV和182mV,钢筋失重率降低了0.00036％和0.01816％，说明实施例一具有良好的护筋性能，与氯离子固化率的结果互为印证；从抗渗等级来看，实施例一的抗渗等级90d的养护时间内比实施例二(对比例)提高了一个抗渗等级，具有较好的抗渗性能；冻融50次后，实施例一的质量损失率较实施例二(对比例)减少了12％，说明具有较好的抗冻融能力。
其他实施例同样相比实施例二(对比例)的实验数据也有更优化的数据，带来积极的有益效果。
Claims (9)
1.一种碱激发花岗岩石粉胶结料，其特征在于该碱激发花岗岩石粉胶结料的原料包括粉料、碱激发剂、水；
粉料：包括花岗岩石粉、赤泥、盐泥、磷酸钾镁水泥、标准砂；
碱激发剂：包括NaOH和水玻璃Na2O·nSiO2，n为2~3；
所述原料以质量份配比的配方是：
粉料 66~82.6份，碱激发剂 8.2~12.8份，水9~16份；
其中，粉料采用：41~52份 花岗岩石粉、20~26份 赤泥、4~6份 盐泥、12~17份 磷酸钾镁水泥、4~10份 标准砂组成；
该碱激发花岗岩石粉胶结料的获得方法是：将花岗岩石粉、赤泥、盐泥和磷酸钾镁水泥按照质量份配比进行掺配、搅拌，加入标准砂，最后加水、以及碱激发剂继续搅拌混匀，得到碱激发花岗岩石粉胶结料。
2.根据权利要求1所述的一种碱激发花岗岩石粉胶结料，其特征在于：粉料中：
所述花岗岩石粉密度不小于2700kg/m³，需水量不小于90%；
所述赤泥为拜耳法赤泥固体废弃物，其赤泥中Fe2O3含量不小于30%，SiO2含量不小于20%，Al2O3含量不小于20%，赤泥中0～10μm的颗粒含量至少占90%；
所述盐泥中Mg(OH)2含量不小于15%，CaCO3含量不小于8%，BaSO4含量不小于35%，NaCl含量不超过25%；
所述标准砂中的二氧化硅SiO2含量大于96%、其烧失量不超过0.40%、含泥量不超过0.20%，含泥包括可溶性盐类。
3.根据权利要求2所述的一种碱激发花岗岩石粉胶结料，其特征在于：
花岗岩石粉密度为2700~2900kg/m³，粒径分布范围为1~50μm。
4.根据权利要求2所述的一种碱激发花岗岩石粉胶结料，其特征在于：
花岗岩石粉密度为2750~2800kg/m³，粒径分布范围为15~30μm；
赤泥中Fe2O3含量为30%~42%，SiO2含量为22%~28%，Al2O3含量为20%~25%，赤泥中0～10μm的颗粒含量为占90%~96%；
盐泥中Mg(OH)2含量为16%~20%，CaCO3含量为10%~14%，BaSO4含量为36%~40%，NaCl含量为14%~24%。
5.根据权利要求1所述的一种碱激发花岗岩石粉胶结料，其特征在于：
所述磷酸钾镁水泥由在磷酸钾镁水泥中占质量百分比的77%~94%氧化镁、4%~8%磷酸二氢钾、2%~4%缓凝剂、4%~6%聚合物以及1%~3%消泡剂组成，
氧化镁、磷酸二氢钾、缓凝剂、聚合物、消泡剂的配比总计100%；
其中，
缓凝剂由在缓凝剂中占质量百分比的72%~84%硼砂、6%~12%十二水合磷酸氢二钠和8%~12%氯化钙；
聚合物由在聚合物中占质量百分比的46%~58%聚乙烯醇、28%~36%阴离子聚丙烯酰胺和12%~18%醋酸乙烯酯-乙烯共聚乳液；
消泡剂采用磷酸三丁酯。
6.根据权利要求1所述的一种碱激发花岗岩石粉胶结料，其特征在于：
所述碱激发剂采用NaOH和水玻璃配置而成，模数为1.1~1.3。
7.根据权利要求6所述的一种碱激发花岗岩石粉胶结料，其特征在于：
所述碱激发剂中的NaOH的纯度为95%以上；
所述碱激发剂的配置模数为1.2。
8.一种碱激发花岗岩石粉胶结料的制备方法，其特征在于：该制备方法采用如权利要求1～7任一项所述的一种碱激发花岗岩石粉胶结料的原料及配比；
该制备方法的步骤是：
步骤1：氧化镁的制备
采用二次煅烧法将镁粉在箱式电阻炉中进行二次煅烧，煅烧条件是900℃下煅烧1.5h，得到粉末状氧化镁，然后将粉末状氧化镁放入球磨机研磨2min，其粒径控制在0.074~0.1mm内；煅烧及研磨后的氧化镁表观密度不低于3450kg/m³，堆积密度不低于1100kg/m³；
步骤2：
将步骤1所得氧化镁、五氧化二磷、磷酸二氢钾、缓凝剂、聚合物按质量占比进行掺配后，放入搅拌机中以115～125转／分钟转速搅拌30s至物料均匀，得到磷酸钾镁水泥；
步骤3：
将花岗岩石粉、赤泥、盐泥和磷酸钾镁水泥按照质量占比进行掺配，放入搅拌机中以115～125转／分钟转速搅拌2min至物料均匀后加入标准砂，最后加水，以及碱激发剂继续搅拌2min，得到碱激发花岗岩石粉胶结料。
9.根据权利要求8所述的一种碱激发花岗岩石粉胶结料的制备方法，其特征在于：该制备方法还包括：
步骤4：
将步骤3所得的碱激发花岗岩石粉胶凝材料注入模具中，静置2h后，在90%以上的相对湿度、60℃以上温度的饱和水蒸气中养护48h；
步骤5：
蒸汽养护完成后，进行拆模。
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