CN115974433A - 一种赤泥基胶凝材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种赤泥基胶凝材料及其制备方法和应用。所述胶凝材料包括石膏、矿粉、赤泥、粉煤灰和激发剂，其中，所述激发剂包括电石渣、碱渣和石灰中的一种或多种。本发明的赤泥基胶凝材料抗压强度高，赤泥等工业固废的利用率高，且生产过程中无需煅烧，CO2排放量小，对环境友好。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种赤泥基胶凝材料及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，大量产生的工业固体废弃物难以及时资源化利用或处置，因而引发的环境污染问题频频威胁着人类的生产生活安全。《2020年全国大、中城市固体废物污染环境防治年报》显示，2019年我国196个大、中城市的一般工业固体废物产生量即达13.8亿吨，其中综合利用量仅为8.5亿吨，处置、贮存及丢弃总量为6.7亿吨，同年，全国重点企业冶金废渣产生量约为4.1亿吨，尾矿产生量约为10.3亿吨，综合利用率仅为27.0％。因此，研究多种典型工业固废特性及其协同作用并制备可大规模应用的建筑材料是提升其资源化利用率的重要方向。
赤泥(RedMud)的主要化学成分为Fe2O3、Al2O3、SiO2、Na2O和CaO。我国主要为烧结法赤泥，主要矿物成分为硅酸二钙、方解石、水化石榴石、钛酸钙、赤铁矿和铝硅酸钠。从物相来看，赤泥中的硅酸二钙是水泥的主要物相之一。烧结法赤泥在工艺流程中经历了高温烧结过程，因此这种赤泥一般具有一定的水硬性组分，并且含有硅酸盐水泥所必需的氧化硅、氧化铝、氧化铁和氧化钙等组分，接近水泥熟料的组成，可以较好地应用于水泥等建材的制备。Metilda等人探讨了用赤泥部分替代硅酸盐水泥在混凝土中应用的可能性，并评价了其抗压和劈裂抗拉强度。试验结果表明，赤泥可以替代15％的水泥，此时对材料的性能影响较小；赤泥超过15％时，材料的抗压强度和劈裂抗拉强度开始下降(Investigations onoptimum possibility of replacing cement partially by red mud in concrete)。Sawant等人研究脱碱后赤泥替代水泥，发现当10％的赤泥替代水泥时，会明显降低水泥的初凝时间；随着赤泥掺量的增加，水泥的7d抗压强度逐渐降低(Utilization ofneutralized red mud(industrial waste)in concrete)。
中国专利申请(CN 111995269 A)公开了一种赤泥基胶凝材料及其制备方法和应用。这种赤泥基胶凝材料包括如下组分：赤泥、粉煤灰、生石灰、十二烷基硫酸钠、石膏、水玻璃；其中，赤泥为烧结法赤泥或者拜耳法赤泥。中国专利申请(CN 113754331 A)公开了一种赤泥基胶凝材料及其制备方法和应用，所述赤泥基胶凝材料包括如下组分：赤泥、粉煤灰、矿粉、生石灰、硅酸钠。上述研究多集中于赤泥本身替代水泥，特别是在赤泥掺量不高的条件下或者是制备过程中需要进行煅烧以及使用化学碱等。但是目前来说赤泥的利用率不高，如何在低成本以及低能耗下实现赤泥的有效化利用仍是需要解决的问题。
发明内容
针对现有技术中的赤泥利用率不足以及工业固废堆积所造成的环境问题和传统水泥行业带来的碳排放问题，本发明提供了一种新型的免烧型赤泥基全固废胶凝材料，以赤泥和其他几种工业固废作为原料，利用矿物碱作为激发剂，可大幅提高赤泥等工业固废的利用率，且得到的胶凝材料具有优异的力学性能，尤其是具有较高的抗压强度。且本发明的胶凝材料在生产过程中无需煅烧，CO2排放量小，弥补了以往水泥材料生产时产生的碳排放问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种赤泥基胶凝材料，包括石膏、矿粉、赤泥、粉煤灰和激发剂，其中，所述激发剂包括电石渣、碱渣和石灰中的一种或多种。
本发明所用激发剂电石渣、碱渣和石灰等均为矿物碱类激发剂，属于含钙的固废材料，可以代替化学碱NaOH、Ca(OH)2等，利用矿物碱和赤泥的碱性以及石膏的增强效应以及早强效应，耦合激发矿渣粉与粉煤灰的硅铝活性，充分发挥各类固废材料的特性，可大大提高胶凝材料的力学性能。本发明的赤泥基胶凝材料可以代替普通硅酸盐水泥，实现工业固体废弃物循环利用的同时，促进冶金-电力-钢铁等行业协同绿色可持续发展。
本发明所述赤泥基胶凝材料中，基于石膏、矿粉、赤泥和粉煤灰的总质量，所述石膏的质量百分比为15％～30％，例如15％、18％、20％、22％、25％、28％、30％或它们之间的任意值，优选15％～25％。
本发明所述赤泥基胶凝材料中，基于石膏、矿粉、赤泥和粉煤灰的总质量，所述矿粉的质量百分比为30％～55％，例如30％、32％、35％、38％、40％、42％、45％、48％、50％、52％、55％或它们之间的任意值，优选35％～50％。
本发明所述赤泥基胶凝材料中，基于石膏、矿粉、赤泥和粉煤灰的总质量，所述赤泥的质量百分比为10％～25％，例如10％、12％、15％、18％、20％、22％、25％或它们之间的任意值，优选10％～20％。
本发明所述赤泥基胶凝材料中，基于石膏、矿粉、赤泥和粉煤灰的总质量，所述粉煤灰的质量百分比为15％～30％，例如15％、18％、20％、22％、25％、28％、30％或它们之间的任意值，15％～25％。
本发明所述赤泥基胶凝材料中，所述激发剂的质量占所述石膏、矿粉、赤泥和粉煤灰总质量的0.1％～2.5％，例如0.1％、0.5％、0.8％、1.0％、1.2％、1.5％、1.8％、2％、2.2％、2.5％或它们之间的任意值，优选0.5％～2％，更优选1％～2％。
在一些实施方案中，以所述石膏、矿粉、赤泥和粉煤灰的总质量为100％计，所述赤泥基胶凝材料包括以下组分：石膏15％～30％，矿粉30％～55％，赤泥10％～25％，粉煤灰15％～30％，其中，激发剂占石膏、矿粉、赤泥和粉煤灰总质量的0.1％～2.5％。
在一些优选实施方案中，以所述石膏、矿粉、赤泥和粉煤灰的总质量为100％计，所述赤泥基胶凝材料包括以下组分：石膏15％～25％，矿粉35％～50％，赤泥10％～20％，粉煤灰15％～25％，其中，激发剂占石膏、矿粉、赤泥和粉煤灰总质量的0.5％～2％。
在一些实施方案中，所述石膏与所述赤泥的质量比为(0.6～3)：1，例如0.6：1、0.75：1、0.9：1、1：1、1.2：1、1.5：1、1.8：1、2：1、2.2：1、2.5：1、2.8：1或3：1，优选(0.75～2.5)：1。
在一些实施方案中，所述矿粉与所述赤泥的质量比为(1.2～5.5)：1，例如1.5：1、1.8：1、2：1、2.2：1、2.5：1、2.8：1、3：1、3.2：1、3.5：1、3.8：1、4：1、4.2：1、4.5：1、4.8：1、5：1或5.2：1，优选(2～4)：1。
在一些实施方案中，所述粉煤灰与所述赤泥的质量比为(0.6～3)：1，例如0.6：1、0.75：1、0.9：1、1：1、1.2：1、1.5：1、1.8：1、2：1、2.2：1、2.5：1、2.8：1或3：1，优选(0.75～2)：1。
在一些优选实施方案中，所述石膏、矿粉、赤泥和粉煤灰的质量比为(15～30)：(30～55)：(10～25)：(15～30)，更优选(15～25)：(35～50)：(10～20)：(15～25)。
在一些优选实施方案中，所述石膏、矿粉、赤泥和粉煤灰的质量比为(0.6～3)：(1.2～5.5)：1：(0.6～3)，更优选(0.75～2.5)：(2～4)：1：(0.75～2)。
在一些实施方案中，所述石膏选自磷石膏、钛石膏和脱硫石膏中的一种或者多种。优选地，本发明所述石膏的主要矿物相为CaSO4·2H2O。
在一些优选实施方案中，所述石膏为脱硫石膏。
在一些优选实施方案中，所述石膏的比表面积大于300m2/kg，优选为400m2/kg～600m2/kg。
在一些实施方案中，所述赤泥选自烧结法赤泥、拜耳法赤泥或联合法赤泥中的一种或多种。
在一些优选实施方案中，所述赤泥的比表面积大于300m2/kg，优选为400m2/kg～600m2/kg。
在一些实施方案中，所述矿粉选自S95级矿粉或S105级矿粉。
在一些实施方案中，所述粉煤灰的烧失量不大于8％。
在一些实施方案中，所述粉煤灰为II级粉煤灰。
本发明对电石渣和碱渣不做特殊要求。在一些实施方案中，所述电石渣中氧化钙含量不低于80％，优选不低于85％，更优选不低于90％。
在一些实施方案中，所述碱渣中氧化钙含量不低于80％，优选不低于85％。
在一些实施方案中，所述石灰选自水硬性石灰或者气硬性石灰中的一种或多种。本发明所述石灰包括但不限于天然水硬性石灰、生石灰和熟石灰。本发明所述天然水硬性石灰包括但不限于NHL2，NHL3.5和NHL5等。
第二方面，本发明提供一种赤泥基浆料，其包括第一方面所述的胶凝材料和水。
本发明所述赤泥基浆料也可以是以第一方面所述的胶凝材料和水为原料制备得到。
在一些实施方案中，所述赤泥基浆料中还包括骨料。
第三方面，本发明提供第二方面所述的赤泥基浆料的制备方法，包括如下步骤：
将所述石膏、矿粉、赤泥、粉煤灰和激发剂分别干燥并粉磨后混合，得到赤泥基胶凝材料；
将得到的赤泥基胶凝材料与水混合，得到赤泥基浆料。
本发明中，石膏的干燥温度优选为低于70℃，赤泥的干燥温度优选为高于100℃。
在一些实施方案中，干燥后，所述石膏、矿粉、赤泥、粉煤灰和激发剂的水率低于0.15％。
在一些实施方案中，粉磨至所述石膏、矿粉、赤泥、粉煤灰和激发剂的比表面积在400m2/kg～600m2/kg。
在一些实施方案中，所述赤泥基浆料的水灰比为0.45～0.6。
第四方面，本发明提供第一方面所述的胶凝材料或者第二方面所述的赤泥基浆料在路面基层中的应用。
本发明的有益效果是：
(1)本发明实现了工业固体废弃物赤泥、矿渣、脱硫石膏与粉煤灰的高效资源化利用，得到的胶凝材料可以代替部分硅酸盐水泥，有效降低硅酸盐水泥熟料的使用量，有效降低水泥生产所产生的环境压力；具有免煅烧，CO2排放量小，无需化学碱激发的优势。
(2)与现有技术相比，本发明的赤泥基胶凝材料的力学性能远高于42.5普通硅酸盐水泥和42.5复合硅酸盐水泥及其它文献报道的赤泥基胶凝材料强度：3天抗压强度可达20MPa以上，28天抗压强度可达50MPa以上；3天抗折强度可达4.5MPa以上；28天抗折强度可达8MPa以上。
(3)具有良好的流动性和的凝结时间，胶砂流动度＞160mm，初凝时间为300min左右，终凝时间为500min左右，可以满足正常施工要求的同时，也满足较远距离施工要求。
(4)具有优异的与骨料结合能力，可以按标准打出C30与C40级混凝土。
(5)在干燥环境和潮湿环境中均能够凝结硬化产生强度，满足不同季节施工的要求。
附图说明
图1是实施例10的胶凝材料不同龄期的XRD谱图。
图2是实施例10的胶凝材料的红外光谱图。
图3是实施例10的胶凝材料的扫描电镜图。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。
本发明以下各实施例中所用赤泥为烧结法赤泥，表观密度2.58g/cm3，比表面积400-600m2/kg，其化学组成如表1所示。
所用矿渣粉为S95级矿粉。
所用石膏为脱硫石膏，其化学组成如表2，比表面积400-600m2/kg。
所用粉煤灰满足GB/T1596-2017《用于水泥和混凝土的粉煤灰》技术要求的Ⅱ级粉煤灰。
所用电石渣的化学组成如表3所示；所用碱渣的化学组成如表4所示。
所用水硬性石灰为天然水硬性石灰NHL5，其化学组成如表5所示；所用气硬性石灰的化学组成如表6所示。
表1赤泥的化学组成
| 成分 | CaO | <![CDATA[SiO<sub>2</sub>]]> | <![CDATA[Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]> | <![CDATA[Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]> | <![CDATA[TiO<sub>2</sub>]]> | <![CDATA[Na<sub>2</sub>O]]> | MgO | 烧失量IL |
| 质量含量/％ | 48.8 | 21.2 | 11.57 | 6.44 | 3.84 | 3.82 | 1.5 | 2.83 |
表2脱硫石膏的化学组成
| 成分 | <![CDATA[SO<sub>3</sub>]]> | CaO | <![CDATA[SiO<sub>2</sub>]]> | MgO | <![CDATA[Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]> | 烧失量IL |
| 质量含量/％ | 42.36 | 41.17 | 6.85 | 4.08 | 2.27 | 3.27 |
表3电石渣的化学组成
| 成分 | CaO | <![CDATA[SiO<sub>2</sub>]]> | <![CDATA[Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]> | <![CDATA[SO<sub>3</sub>]]> | <![CDATA[Na<sub>2</sub>O]]> | Cl | <![CDATA[Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]> | 烧失量IL |
| 质量含量/％ | 93.5 | 2.56 | 1.3 | 0.757 | 0.699 | 0.414 | 0.397 | 0.373 |
表4碱渣的化学组成
| 成分 | CaO | <![CDATA[SiO<sub>2</sub>]]> | <![CDATA[Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]> | <![CDATA[SO<sub>3</sub>]]> | <![CDATA[K<sub>2</sub>O]]> | <![CDATA[Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]> | 烧失量IL |
| 质量含量/％ | 87.6 | 1.22 | 0.38 | 1.4 | 0.2 | 2.44 | 5.12 |
表5天然水硬性石灰NHL5的化学组成
| 成分 | CaO | <![CDATA[SiO<sub>2</sub>]]> | <![CDATA[Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]> | <![CDATA[SO<sub>3</sub>]]> | MgO | <![CDATA[Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]> | 烧失量IL |
| 质量含量/％ | 77.07 | 18 | 1.87 | 0.56 | 1.22 | 0.64 | 0.64 |
表6气硬性石灰的化学组成
| 成分 | CaO | <![CDATA[SiO<sub>2</sub>]]> | <![CDATA[Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]> | <![CDATA[SO<sub>3</sub>]]> | MgO | <![CDATA[Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]> | 烧失量IL |
| 质量含量/％ | 93.209 | 0.996 | 0.401 | 1.759 | 2.337 | 1.065 | 1.065 |
实施例1-13以及对比例1-4均提供一种免烧型赤泥基全固废胶凝材料，其各组分和重量百分比如表7所示。
表7
免烧型赤泥基全固废胶凝材料的制备：
(1)将表7中实施例1-13、对比例1-4中各原料组分矿粉、赤泥、脱硫石膏、粉煤灰、矿物碱激发剂等分别进行单独干燥脱水，使其含水率均低于0.15％，然后粉磨处理，使其比表面积均在400-600m2/kg范围内；
(2)按照所述重量百分比将脱水粉磨后的原料粉末矿粉、赤泥、脱硫石膏、粉煤灰、矿物碱激发剂等混合均匀，以水灰比为0.5与水混合，搅拌均匀，得到浆料，将浆料倒入模具内，在振实台上充分振实、表面抹平后养护，得到免烧型赤泥基全固废胶凝材料。
其中，实施例10的免烧型赤泥基全固废胶凝材料的XRD如图1所示，从图中可以看出该材料水化硬化后的产物主要是钙矾石、水化硅酸钙、水化硅铝酸钙和方解石，同时还有原料中的二水石膏与石英残余。
实施例10的免烧型赤泥基全固废胶凝材料不同龄期的红外光谱图如图2所示，从图中可以看出，其水化产物的收缩振动峰所对应的产物与XRD图谱中的一致。
实施例10的免烧型赤泥基全固废胶凝材料扫描电镜图如图3所示，从图中可以看出图1中对应的产物的微观形貌，进一步验证了该水化产物的组成。
性能测试：
按照GB/T17671-2021水泥胶砂强度检验方法(ISO法)，GB/T1346-2001水泥标准稠度、凝结时间、安定性检验方法以及GB/T水泥胶砂流动度测试方法对上述各实施例和对比例中胶凝材料进行测试，结果如表8所示。
表8免烧型赤泥基全固废胶凝材料相关性能指标
从表8可以看出，随着赤泥含量的增加，材料的流动度逐渐降低，同时材料的凝结时间缩短；随着石膏含量的增加，该材料的强度先增加后降低；随着粉煤灰的增加，该材料的流动度逐渐增加，但是其强度逐渐减少。
与对比例1相比，本发明实施例1-13在赤泥等固废原料中加入合适的矿物碱激发剂，得到的胶凝材料具有更高的抗压强度和更加合适的凝结时间。
另外，本申请中激发剂的添加量为1.5％左右例如1.0％、2％时，得到的胶凝材料的力学性能较好，尤其是添加量为1.5％时胶凝材料力学性能最佳；当激发剂添加量为3％(对比例2)、5％(对比例3)时，相比添加量为1.5％时得到的材料性能会有所下降。
从表8可以得出，当质量比矿粉：赤泥：石膏：粉煤灰＝0.4:0.2:0.2:0.2时，得到的胶凝材料性能最佳。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种赤泥基胶凝材料，包括石膏、矿粉、赤泥、粉煤灰和激发剂，其中，所述激发剂包括电石渣、碱渣和石灰中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，基于石膏、矿粉、赤泥和粉煤灰的总质量，所述石膏的质量占比为15％～30％，优选15％～25％；
和/或基于石膏、矿粉、赤泥和粉煤灰的总质量，所述矿粉的质量占比为30％～55％，优选35％～50％；
和/或基于石膏、矿粉、赤泥和粉煤灰的总质量，所述赤泥的质量占比为10％～25％，优选10％～20％；
和/或基于石膏、矿粉、赤泥和粉煤灰的总质量，所述粉煤灰的质量占比为15％～30％，优选15％～25％；
和/或所述激发剂的质量占所述石膏、矿粉、赤泥和粉煤灰总质量的0.1％～2.5％，优选0.5％～2％。
3.根据权利要求1或2所述的胶凝材料，其特征在于，所述石膏与赤泥的质量比为(0.6～3)：1，优选(0.75～2.5)：1；
和/或所述矿粉与赤泥的质量比为(1.2～5.5)：1，优选(2～4)：1；
和/或所述粉煤灰与赤泥的质量比为(0.6～3)：1，优选(0.75～2)：1。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的胶凝材料，其特征在于，以所述石膏、矿粉、赤泥和粉煤灰的总质量为100％计，所述赤泥基胶凝材料包括：石膏15％～30％，矿粉30％～55％，赤泥10％～25％，粉煤灰15％～30％，其中，激发剂占石膏、矿粉、赤泥和粉煤灰总质量的0.1％～2.5％；
优选地，以所述石膏、矿粉、赤泥和粉煤灰的总质量为100％计，所述赤泥基胶凝材料包括：石膏15％～25％，矿粉35％～50％，赤泥10％～20％，粉煤灰15％～25％，其中，激发剂占石膏、矿粉、赤泥和粉煤灰总质量的0.5％～2％。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的胶凝材料，其特征在于，所述石膏选自磷石膏、钛石膏和脱硫石膏中的一种或者多种，优选为脱硫石膏，更优选地，所述石膏的比表面积为400m2/kg～600m2/kg。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的胶凝材料，其特征在于，所述赤泥选自烧结法赤泥、拜耳法赤泥或联合法赤泥中的一种或多种；优选地，所述赤泥的比表面积为400m2/kg～600m2/kg。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的胶凝材料，其特征在于，所述矿粉选自S95级矿粉或S105级矿粉；和/或所述粉煤灰的烧失量不大于8％；和/或所述石灰选自水硬性石灰或者气硬性石灰中的一种或多种。
8.一种赤泥基浆料，包括权利要求1～7任一项所述的胶凝材料和水，或其以权利要求1～7任一项所述的胶凝材料和水为原料制备得到。
9.权利要求8所述的赤泥基浆料的制备方法，包括如下步骤：
将所述石膏、矿粉、赤泥、粉煤灰和激发剂分别干燥并粉磨后混合，得到赤泥基胶凝材料；
将得到的赤泥基胶凝材料与水混合，得到赤泥基浆料。
10.权利要求1～7中任一项所述的胶凝材料或者权利要求8～9中所述的赤泥基浆料在路面基层材料中的应用。
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