CN116835899A - 一种湿法碳化镁渣纤维增强材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种湿法碳化镁渣纤维增强材料及其制备方法与应用，将镁渣研磨后过筛，得到镁渣粉末；镁渣粉末与MgCl2水溶液混合搅拌均匀形成混合浆体，搅拌的同时通入含有CO2的气体，充分搅拌后得到浆料A；将浆料A进行真空抽滤处理，分离出滤渣并烘干，最后经研磨即得。本发明能够对工业固废镁渣的综合利用，并有效利用大气中的CO2，通过湿法碳化制得文石型碳酸钙具有纤维性状的外貌，且含量高。本发明制备的碳化镁渣纤维增强材料能够作为良好的掺合料加入到水泥基材料中，在保证较高抗压强度的前提下增强了水泥基材料的韧性。
Description
技术领域
本发明属于无机非金属材料领域，具体涉及一种湿法碳化镁渣纤维增强材料及其制备方法与应用。
背景技术
随着我国制镁炼镁工业的大力发展，巨量的镁还原废渣产生，镁渣的排放和堆积，不仅会加剧土地资源短缺，还对人居环境产生较大威胁。近年来，镁渣的回收再利用被逐渐关注，随着固废资源化的研究与发展，镁渣的综合利用也越来越广泛。
现如今关于水泥增韧材料的研究层出不穷，但多以外掺植物纤维、碳纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维、聚乙烯树脂等增韧材料的研究居多，大部分都是宏观层面上的增韧，虽然有效改善了水泥基材料的抗折性能，但由于这些外掺物质与水泥本身的本质差异，具有明显的界面分层，不仅会产生纤维与水泥间的界面结合的相容性问题，还会使水泥本身的抗压强度受到一定程度的影响。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种湿法碳化镁渣纤维增强材料及其制备方法，一方面实现镁渣的资源化利用，同时也对温室气体CO2实现固化。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种湿法碳化镁渣纤维增强材料的制备方法，包括如下步骤；
(1)将镁渣研磨后过筛，得到镁渣粉末；
(2)将步骤(1)得到的镁渣粉末与MgCl2水溶液混合搅拌均匀形成混合浆体，搅拌的同时通入含有CO2的气体，充分搅拌后得到浆料A；
(3)将步骤(2)浆料A进行真空抽滤处理，分离出滤渣并烘干，最后经研磨即得。
具体地，步骤(1)中，所述的镁渣为生产镁、铝金属时排出的工业固体废渣，主要成分包括45～70wt％CaO、20～40wt％SiO2、1.0～15.0wt％MgO、2.0～8.0wt％Fe2O3。
优选地，步骤(1)中，筛分选取粒径不大于100目的镁渣粉末。
优选地，步骤(2)中，所述的MgCl2水溶液的浓度范围为0.5mol/L～4mol/L，优选1～2mol/L；混合浆体中镁渣粉末与MgCl2溶液的固液质量比为1/20～1/40。
优选地，步骤(2)中，所述混合搅拌的转速范围为150～500r/min，搅拌时间为60～300min。
优选地，步骤(2)中，所述混合搅拌的温度控制在35～80℃，优选35～65℃。
优选地，步骤(2)中，通入的气体中，CO2的体积浓度不小于20％。
进一步地，上述制备方法所制备得到的碳化镁渣纤维增强材料也在本发明的保护范围中。
本发明制备得到的碳化镁渣纤维增强材料中，内部含有大量纤维状的文石型碳酸钙产物。
更进一步地，本发明还要求保护上述碳化镁渣纤维增强材料作为掺合料加入水泥基材料中的应用。
本发明中水泥基材料是指以水泥为代表的任何水硬性胶凝材料。
优选地，所述的碳化镁渣纤维增强材料按照与水泥的质量比范围为1:19～2:3掺入。
有益效果：
(1)本发明能够对工业固废镁渣的综合利用，并有效利用大气中的CO2，通过湿法碳化制得文石型碳酸钙具有纤维性状的外貌，且含量高。
(2)本发明制备的碳化镁渣纤维增强材料能够作为良好的掺合料加入到水泥基材料中，在保证较高抗压强度的前提下增强了水泥基材料的韧性。同时，本发明操作工艺简单，原料来源广泛，所制得的纤维增强水泥基材料抗折强度高，韧性好，同时能够补给资源短缺、保护生态环境。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是不同搅拌温度下得到的碳化镁渣纤维增强材料的XRD图谱。
图2是20℃搅拌温度下获得的碳化镁渣纤维增强材料微观形貌。
图3是50℃搅拌温度下获得的碳化镁渣纤维增强材料微观形貌。
图4是不同搅拌温度下碳化镁渣纤维增强材料制备的水泥试块28天抗压强度。
图5是不同搅拌温度下碳化镁渣纤维增强材料制备的水泥试块28天抗折强度。
图6是不同浓度MgCl2溶液处理得到的碳化镁渣纤维增强材料XRD图谱。
图7是0mol/LMgCl2溶液处理的碳化镁渣纤维增强材料微观形貌。
图8是1mol/LMgCl2溶液处理的碳化镁渣纤维增强材料微观形貌。
图9是2mol/LMgCl2溶液处理的碳化镁渣纤维增强材料微观形貌。
图10是4mol/LMgCl2溶液处理的碳化镁渣纤维增强材料微观形貌。
图11是不同浓度MgCl2溶液处理的碳化镁渣纤维增强材料制备的水泥试块28天抗压强度。
图12是不同浓度MgCl2溶液处理的碳化镁渣纤维增强材料制备的水泥试块28天抗折强度。
图13是不同掺量碳化镁渣纤维增强材料制备的水泥试块28天抗压强度。
图14是不同掺量碳化镁渣纤维增强材料制备的水泥试块28天抗折强度。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。
以下实施例中，镁渣来自陕西榆林，成分如表1所示。
表1
实施例1
将镁渣研磨后，筛分选取粒径为100目的镁渣粉末；取20g镁渣粉末与400g浓度为2mol/L的MgCl2溶液混合后以250r/min搅拌形成浆体，同时搅拌过程中持续通入体积浓度20％的CO2气体，温度分别设置为20℃、35℃、50℃、65℃，搅拌240min得到浆料A。然后将料浆进行真空抽滤后的滤渣研磨后得到湿法碳化镁渣纤维增强材料。
将本实施例不同搅拌温度下得到的碳化镁渣纤维增强材料进行XRD分析，结果如图1所示。可以看出：当温度为20℃时，主要产物为方解石型碳酸钙和镁渣中未反应的γ-C2S，当温度升为35℃时，少量的文石逐渐生成并伴有部分γ-C2S和少量方解石，说明一部分方解石转化成了文石，当温度为50℃时，产物基本为文石，说明镁渣中的C2S基本碳化为文石型碳酸钙，当温度继续升为65℃时，文石的峰没有明显变少，只有少量未碳化的C2S，说明适当提高温度有利于纤维状文石的形成，对改善水泥抗折强度有关键作用。
随后，将不同搅拌温度下得到的碳化镁渣纤维增强材料通过扫描电镜得到其微观形貌照片。其中，图2是搅拌温度为20℃下获得的碳化镁渣纤维增强材料微观形貌，图3则是搅拌温度为50℃下获得的碳化镁渣纤维增强材料微观形貌。可以看出，20℃下镁渣基本碳化为稳定的方解石型碳酸钙，而温度为50℃时，镁渣碳化产物基本为纤维针状文石型碳酸钙。
将本实施例不同搅拌温度下得到的碳化镁渣纤维增强材料与P.O 42.5水泥按质量比为1:4混合搅拌均匀制成水泥胶砂试块(采用GB/T17671-2021测试标准)，经标准养护28天后测定各试块的抗压强度和抗折强度，结果如图4和图5所示。
可以看出，本发明碳化镁渣纤维增强材料掺入水泥后，能够显著提升试块的力学性能。
当搅拌温度为50℃时，水泥胶砂试块的28d抗压强度为47.3MPa，抗折强度为13.8MPa，分别比不加碳化镁渣纤维增强材料的水泥胶砂试块高8.7％和55.1％，说明碳化镁渣纤维增强材料的掺入提高了水泥的强度，尤其是抗折强度有大幅度提升从而体现了增韧特性。
实施例2
将镁渣研磨后，筛分选取粒径为100目的镁渣粉末；取20g镁渣粉末与600g浓度分别为(0mol/L、1mol/L、2mol/L、4mol/L)MgCl2溶液混合以250r/min搅拌均匀形成浆体，同时搅拌过程中持续通入体积浓度20％的CO2的气体，温度控制为80℃，搅拌300min，得到浆料A。然后真空抽滤后的滤渣研磨后得到湿法碳化镁渣纤维增强材料。
将本实施例中不同浓度MgCl2溶液处理得到的碳化镁渣纤维增强材料进行XRD分析，结果如图6所示。可以看出：不掺MgCl2时，镁渣的碳化产物基本为方解石，当掺入1mol/L的MgCl2，碳化产物以文石居多同时伴有少量未反应的C2S，当MgCl2溶度增为2mol/L时，文石依然在产物中占主要，但C2S的量有所增多，当MgCl2为4mol/L时，C2S的峰变高变尖，而文石峰较前者明显变低，说明适当浓度的MgCl2有利于镁渣中纤维状文石型碳酸钙的形成，这也是碳化镁渣纤维增强材料能有效提高抗折强度的主要原因。
随后，将不同浓度MgCl2溶液处理得到的碳化镁渣纤维增强材料通过扫描电镜得到其微观形貌照片。其中，图7是0mol/LMgCl2溶液处理组，图8是1mol/LMgCl2溶液处理组，图9是2mol/LMgCl2溶液处理组，图10是4mol/L MgCl2溶液处理组。可以看出，不加MgCl2(0mol/L)的镁渣碳化产物的主要晶型为立方状方解石，1mol/LMgCl2与2mol/LMgCl2处理组的碳化产物形貌以针状文石居多，而4mol/LMgCl2溶液处理组的文石量明显变少。
将本实施例不同浓度MgCl2溶液处理得到的碳化镁渣纤维增强材料与P.O 42.5水泥按质量比为1:4混合搅拌均匀制成水泥胶砂试块，经标准养护28天后测定各试块的抗压强度和抗折强度，结果如图11和图12所示。
可以看出，本发明碳化镁渣纤维增强材料掺入水泥后，能够显著提升试块的力学性能。
当MgCl2溶液的浓度为1mol/L时，抗压强度为50.3MPa，抗折强度为12.2MPa，分别比不掺碳化镁渣纤维增强材料的对照组提升了15.6％和37.1％；当MgCl2溶液的浓度为2mol/L时，抗压强度为48.3MPa，抗折强度为11.9MPa，分别比不掺碳化镁渣纤维增强材料的对照组提升了11.0％和33.7％；说明碳化镁渣纤维增强材料的掺入能有效提高水泥的抗折强度。
实施例3
将镁渣研磨后，筛分选取粒径为100目的镁渣粉末；取20g镁渣粉末与800g浓度为1mol/LMgCl2溶液混合以250r/min搅拌均匀形成浆体，同时搅拌过程中持续通入体积浓度20％的CO2气体，温度调为50℃，搅拌300min至浆体pH值＝7，得到浆料A。将料浆进行真空抽滤后的滤渣研磨后得到湿法碳化镁渣纤维增强材料。
将碳化镁渣纤维增强材料与P.O42.5水泥按质量比为0:1、1:19、1:9、1:4、3:7、2:3、1:1混合搅拌均匀制成水泥胶砂试块。经标准养护28天后测定各试块的抗压强度和抗折强度，结果如图13和图14所示。
可以看出，将本发明碳化镁渣纤维增强材料掺入水泥后，能够显著提升试块的力学性能。
当碳化镁渣纤维增强材料与P.O 42.5水泥质量比为1:19、1:9、1:4、3:7时，，强度都较不掺增强材料的水泥胶砂有所提高，抗压提升率分别为4.1％、15.9％、35.9％、20.2％，抗折强度提升率分别为14.6％、27.0％、60.7％、44.9％，其中增强材料与水泥比例为1：4时，抗压强度为59.1MPa，抗折强度为14.3MPa；当碳化镁渣纤维增强材料与水泥的质量比为2:3时，抗压强度较对照样有所下降，下降率为7.8％，而抗折强度与对照样近似持平；当碳化镁渣纤维增强材料与水泥的质量比增为1:1时，抗压和抗折强度较对照样都有所下降，下降比例分别为15.4％和12.3％。可见，适量的碳化镁渣增强材料有利于改善水泥的强度，尤其是抗折强度，从而起到了增韧的作用。
本发明提供了一种湿法碳化镁渣纤维增强材料及其制备方法与应用的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (10)
1.一种湿法碳化镁渣纤维增强材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤；
(1)将镁渣研磨后过筛，得到镁渣粉末；
(2)将步骤(1)得到的镁渣粉末与MgCl2水溶液混合搅拌均匀形成混合浆体，搅拌的同时通入含有CO2的气体，充分搅拌后得到浆料A；
(3)将步骤(2)浆料A进行真空抽滤处理，分离出滤渣并烘干，最后经研磨即得。
2.根据权利要求1所述的湿法碳化镁渣纤维增强材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的镁渣为生产镁、铝金属时排出的工业固体废渣，主要成分包括45～70wt％CaO、20～40wt％SiO2、1.0～15.0wt％MgO、2.0～8.0wt％Fe2O3。
3.根据权利要求1所述的湿法碳化镁渣纤维增强材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，筛分选取粒径不大于100目的镁渣粉末。
4.根据权利要求1所述的湿法碳化镁渣纤维增强材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的MgCl2水溶液的浓度范围为0.5mol/L～4mol/L，混合浆体中镁渣粉末与MgCl2溶液的固液质量比为1/20～1/40。
5.根据权利要求1所述的湿法碳化镁渣纤维增强材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述混合搅拌的转速范围为150～500r/min，搅拌时间为60～300min。
6.根据权利要求1所述的湿法碳化镁渣纤维增强材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述混合搅拌的温度控制在20～80℃。
7.根据权利要求1所述的湿法碳化镁渣纤维增强材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，通入的气体中，CO2的体积浓度不小于20％。
8.权利要求1～7中任意一项制备方法所制备得到的碳化镁渣纤维增强材料，其特征在于，其内部含有纤维状的文石型碳酸钙产物。
9.权利要求8所述碳化镁渣纤维增强材料作为掺合料加入水泥基材料中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述的碳化镁渣纤维增强材料按照与水泥的质量比范围为1:19～2:3掺入。
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| CN202310574010.5A CN116835899A (zh) | 2023-05-19 | 2023-05-19 | 一种湿法碳化镁渣纤维增强材料及其制备方法与应用 |
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| CN111892363A (zh) * | 2020-07-28 | 2020-11-06 | 西安交通大学 | 一种镁渣胶凝材料及其成型工艺方法 |
| CN113200764A (zh) * | 2021-05-25 | 2021-08-03 | 陕西省建筑科学研究院有限公司 | 一种硅热法炼镁镁渣胶凝材料的匀质性碳化制备方法 |
| CN114959893A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-08-30 | 河南理工大学 | 烧结法赤泥碳化再利用方法及其产物的应用 |
| CN115536321A (zh) * | 2022-09-27 | 2022-12-30 | 盐城工学院 | 一种硅酸钙捕获co2并同步凝结成高抗折强度材料的方法 |
| US20230101697A1 (en) * | 2021-09-29 | 2023-03-30 | Wuhan University Of Technology | Co2 solidified fiber cement board and its preparation method |
-
2023
- 2023-05-19 CN CN202310574010.5A patent/CN116835899A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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