CN112723803A - 掺高硅型铁尾矿与赤泥的碱激发胶凝材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属碱激发无机非金属胶凝材料领域，尤其涉及一种掺高硅型铁尾矿与赤泥的碱激发胶凝材料及其制备方法，包括如下原料：高硅型铁尾矿30～50份；赤泥15～20份；煤矸石20～35份；碱渣10～15份；碱性激发剂1～5份；制备方法：将高硅型铁尾矿、赤泥、煤矸石加入搅拌机中搅拌均匀，再将碱渣溶于碱性激发剂中，待完全溶解后加入搅拌机，低速搅拌混合，再将标准砂倒入搅拌锅中，停拌，再搅拌，即得碱激发胶凝材料浆体；将所得碱激发胶凝材料浆体注入模具中，凝结硬化拆模，然后置于养护装置中进行养护，即得目的产品。本发明胶凝性好，抗渗性能理想，抗压强度高，具有微膨胀补偿功能。

Description

掺高硅型铁尾矿与赤泥的碱激发胶凝材料及其制备方法

技术领域

本发明属碱激发无机非金属胶凝材料领域，尤其涉及一种掺高硅型铁尾矿与赤泥的碱激发胶凝材料及其制备方法。

背景技术

进入21世纪后资源有效利用显得尤为重要，铁尾矿二次利用更是重中之重。为了解决以上问题，铁尾矿的综合利用，提高其使用率成为了近年来的研究热点。现有技术中对高硅型铁尾矿的综合利用率较低，尾矿堆放不仅浪费空间资源很存在严重的环境污染问题。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种胶凝性好，抗渗、抗冻性能理想，抗压强度高，具有微膨胀补偿功能的掺高硅型铁尾矿与赤泥的碱激发胶凝材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种掺高硅型铁尾矿与赤泥的碱激发胶凝材料，以质量份计，包括如下原料：

高硅型铁尾矿 30～50份；

赤泥 15～20份；

煤矸石 20～35份；

碱渣 10～15份；

碱性激发剂 1～5份。

作为一种优选方案，本发明所述碱性激发剂由Na0H与Na₂SiO₃混合配制而成。

进一步地，本发明所述Na0H纯度为95%以上；所述Na0H与Na₂SiO₃质量比为1：15；所述Na₂SiO₃模数为2.0；所述碱性激发剂的模数为1.3。

进一步地，本发明以质量分数计，所述高硅型铁尾矿化学成分包括：SiO₂ 60～70%；CaO 5～8%；MgO 6～10%；Al₂O₃ 4～7%；TFe 8～12%。

进一步地，本发明以质量分数计，所述赤泥化学成分包括：Fe₂O₃ 40～50%；Al₂O₃ 15～20%；SiO₂ 10～15%；TiO₂ 6～10%；Na₂O 5～8%；所述赤泥的粒度为20～30μm。

进一步地，本发明以质量分数计，所述碱渣化学成分包括：CaO 50～65%；SiO₂ 15～20%；MgO 7～9%；Al₂O₃ 4～7%。

进一步地，本发明以质量分数计，所述煤矸石化学成分包括：SiO₂ 51～65％；MgO 1～4％；CaO 1～7％；Al₂O₃ 16～36％；Fe₂O₃ 2～9%；Na₂O与K₂O 12.5%；所述煤矸石的粒度为25～30μm。

进一步地，本发明所述高硅型铁尾矿、赤泥以及煤矸石中SiO₂与Al₂O₃的摩尔比为3.0～3.9。

进一步地，本发明所述高硅型铁尾矿、赤泥以及煤矸石中Na₂O与Al₂O₃的摩尔比为0.2～0.9。

上述掺高硅型铁尾矿与赤泥的碱激发胶凝材料的制备方法，可按如下步骤实施：

（1）将高硅型铁尾矿、赤泥、煤矸石加入搅拌机中以115～125转/分钟转速搅拌均匀，再将碱渣溶于碱性激发剂中，待完全溶解后加入搅拌机，低速搅拌混合，再将标准砂倒入搅拌锅中，停拌，接下来再以285～295转/分钟转速搅拌，即得碱激发胶凝材料浆体；

（2）将步骤（1）所得碱激发胶凝材料浆体注入模具中，凝结硬化拆模，然后置于养护装置中在温度22～24℃，相对湿度96～98%条件下进行养护，即得目的产品。

上述赤泥为制铝工业提取氧化铝时排出的工业固体废弃物，碱渣为化工厂利用氨碱法生产纯碱产生的固体废物，煤矸石是采煤过程和洗煤过程排放的固体废物。

本发明所述胶凝材料是将高硅型铁尾矿、赤泥等在碱的环境下激发胶凝性，硅酸盐聚合形成地聚合物具体为：

CaO+H₂O→Ca(OH)₂

xCa(OH)₂+SiO₂+mH₂O→xCaO SiO₂ nH₂O

xCa(OH)₂+Al₂O₃+mH₂O→xCaO Al₂O₃ nH₂O。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、本发明所述掺铁尾矿选取的为本溪歪头山地区的高硅型铁尾矿，目前综合利用率较低，用作制备胶凝材料不仅可以解决尾矿堆放浪费空间资源、环境污染问题，还可以二次利用；

2、本发明所选高硅型铁尾矿、煤矸石内有适量的氧化镁，基于水泥水化物具有一定收缩性特征，利用含有适量氧化镁胶凝材料的微膨胀性能，可以补偿试件收缩；

3、本发明所选赤泥为制铝工业提取氧化铝时排出的工业固体废弃物，对环境及人体的危害极大，将其用作制备胶凝材料可以变废为宝；

4、本发明所选碱性溶液为NaOH与Na₂SiO₃按照1：15的质量比在水中混合制得，此时模数为1.3，此时激发的胶凝性最佳；

5、本发明所选铁尾矿、赤泥以及煤矸石中含有丰富的SiO₂、Al₂O₃，本发明内容中的SiO₂、Al₂O₃的摩尔比为3.0～3.9，此时胶凝材料内部为三维网状结构，结构密实，界面黏结更强，增加了抗渗透性能；

6、本发明所选铁尾矿、赤泥、煤矸石中含有丰富的Al₂O₃、Na₂O，本发明内容中的Na₂O、Al₂O₃的摩尔比为0.2～0.9，不会有大量的Na₂O吸收空气中CO₂形成Na₂CO₃，不会有大量的毛细孔，水分不易渗透进去，进而增强抗冻性。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅限于下列表述。

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。

下述实施例中所述“百分比”均按质量份占总物料质量计。

下述实施中所述NaOH纯度为95%以上，下述实施中所用铁尾矿为高硅型铁尾矿。

实施例1

根据GBT17671-1999水泥胶砂试验标准将30份的高硅型铁尾矿和15份赤泥、35份煤矸石加入搅拌机中，120±5 转/分钟的速度搅拌混合30s搅拌均匀，再将15份碱渣溶于5份的NaOH与Na₂SiO₃混合（Na0H与Na₂SiO₃质量比为1：15）配制的溶液中待完全溶解加入搅拌机中低速搅拌30s，下一个30s将标准砂完全倒入搅拌机中，停拌30s，将锅底搅拌不均匀的物料人工搅拌均匀,同时将叶片和锅壁上的浆体刮入锅中间，接着再 290±5 转/分钟的速度搅拌60s，即可以得到碱激发胶凝材料浆体。将搅拌均匀的掺高硅型铁尾矿、赤泥的碱激发胶凝材料浆体灌注入模具中，24小时后凝结硬化，即可拆模，置于养护装置中进行养护，养护温度 23±1℃，养护相对湿度为 97±1％，得到掺铁尾矿、赤泥的碱激发胶凝材料试块，进行相关试验，结果表明：3d无侧限抗压强度为18.7MPa、3d抗折强度为5.6 MPa、抗渗方面水压从1.2 MPa升至1.8MPa未出现渗透现象、抗冻方面经过50次冻融循环测试质量损失率为1.03%、耐久性方面抗硫酸盐腐蚀后抗折抗压质量损失率均比现有技术降低。

实施例2

根据GBT17671-1999水泥胶砂试验标准将40份的高硅型铁尾矿和15份赤泥、25份煤矸石加入搅拌机中，120±5 转/分钟的速度搅拌混合30s搅拌均匀，再将17份碱渣溶于3份的NaOH与Na₂SiO₃混合（Na0H与Na₂SiO₃质量比为1：15）配制的溶液中待完全溶解加入搅拌机中低速搅拌30s，下一个30s将标准砂完全倒入搅拌机中，停拌30s，将锅底搅拌不均匀的物料人工搅拌均匀,同时将叶片和锅壁上的浆体刮入锅中间，接着再 290±5 转/分钟的速度搅拌60s，即可以得到碱激发胶凝材料浆体。将搅拌均匀的掺高硅型铁尾矿、赤泥的碱激发胶凝材料浆体灌注入模具中，24 小时后凝结硬化，即可拆模，置于养护装置中进行养护，养护温度 23±1℃，养护相对湿度为 97±1％，得到掺铁尾矿、赤泥的碱激发胶凝材料试块，进行相关试验，结果表明：3d无侧限抗压强度为17.7MPa、3d抗折强度为5.3 MPa、抗渗方面水压从1.2 MPa升至1.8MPa未出现渗透现象、抗冻方面经过50次冻融循环测试质量损失率为1.07%、耐久性方面抗硫酸盐腐蚀后抗折抗压质量损失均比现有技术降低。

实施例3

根据GBT17671-1999水泥胶砂试验标准将50份的高硅型铁尾矿和15份赤泥20份煤矸石加入搅拌机中，120±5 转/分钟的速度搅拌混合30s搅拌均匀，再将10份碱渣溶于5份的NaOH与Na₂SiO₃混合（Na0H与Na₂SiO₃质量比为1：15）配制的溶液中待完全溶解加入搅拌机中低速搅拌30s，下一个30s将标准砂完全倒入搅拌机中，停拌30s，将锅底搅拌不均匀的物料人工搅拌均匀,同时将叶片和锅壁上的浆体刮入锅中间，接着再 290±5 转/分钟的速度搅拌60s，即可以得到碱激发胶凝材料浆体。将搅拌均匀的掺高硅型铁尾矿、赤泥的碱激发胶凝材料浆体灌注入模具中，24 小时后凝结硬化，即可拆模，置于养护装置中进行养护，养护温度为 23±1℃，养护相对湿度为 97±1％，得到掺铁尾矿、赤泥的碱激发胶凝材料试块，进行相关试验，结果表明：3d无侧限抗压强度为14.9MPa、3d抗折强度为4.6 MPa、抗渗方面水压从1.2 MPa升至1.8MPa未出现渗透现象、抗冻方面经过50次冻融循环测试质量损失率为1.18%、耐久性方面抗硫酸盐腐蚀后抗折抗压质量损失均比现有技术降低。

实施例4

根据GBT17671-1999水泥胶砂试验标准将40份的高硅型铁尾矿和16份赤泥、25份煤矸石加入搅拌机中，120±5 转/分钟的速度搅拌混合 30s搅拌均匀，再将15份碱渣溶于4份的NaOH与Na₂SiO₃混合（Na0H与Na₂SiO₃质量比为1：15）配制的溶液中待完全溶解加入搅拌机中低速搅拌30s，下一个30s将标准砂完全倒入搅拌机中，停拌30s，将锅底搅拌不均匀的物料人工搅拌均匀,同时将叶片和锅壁上的浆体刮入锅中间，接着再 290±5 转/分钟的速度搅拌60s，即可以得到碱激发胶凝材料浆体。将搅拌均匀的掺高硅型铁尾矿、赤泥的碱激发胶凝材料浆体灌注入模具中，24 小时后凝结硬化，即可拆模，置于养护装置中进行养护，养护温度为23±1℃，养护相对湿度为 97±1％，得到掺铁尾矿、赤泥的碱激发胶凝材料试块，进行相关试验，结果表明：3d无侧限抗压强度为16.4MPa、3d抗折强度为5.0 MPa、抗渗方面水压从1.2 MPa升至1.8MPa未出现渗透现象、抗冻方面经过50次冻融循环测试质量损失率为1.13%、耐久性方面抗硫酸盐腐蚀后抗折抗压质量损失均比现有技术降低。

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。

Claims (10)

1.一种掺高硅型铁尾矿与赤泥的碱激发胶凝材料，其特征在于，以质量份计，包括如下原料：

高硅型铁尾矿 30～50份；

赤泥 15～20份；

煤矸石 20～35份；

碱渣 10～15份；

碱性激发剂 1～5份。

2.根据权利要求1所述掺高硅型铁尾矿与赤泥的碱激发胶凝材料，其特征在于：所述碱性激发剂由Na0H与Na₂SiO₃混合配制而成。

3.根据权利要求2所述掺高硅型铁尾矿与赤泥的碱激发胶凝材料，其特征在于：所述Na0H纯度为95%以上；所述Na0H与Na₂SiO₃质量比为1：15；所述Na₂SiO₃模数为2.0；所述碱性激发剂的模数为1.3。

4.根据权利要求3所述掺高硅型铁尾矿与赤泥的碱激发胶凝材料，其特征在于：以质量分数计，所述高硅型铁尾矿化学成分包括：

SiO₂ 60～70%；CaO 5～8%；MgO 6～10%；Al₂O₃ 4～7%；TFe 8～12%。

5.根据权利要求4所述掺高硅型铁尾矿与赤泥的碱激发胶凝材料，其特征在于：以质量分数计，所述赤泥化学成分包括：Fe₂O₃ 40～50%；Al₂O₃ 15～20%；SiO₂ 10～15%；TiO₂ 6～10%；Na₂O 5～8%；所述赤泥的粒度为20～30μm。

6.根据权利要求5所述掺高硅型铁尾矿与赤泥的碱激发胶凝材料，其特征在于：以质量分数计，所述碱渣化学成分包括：CaO 50～65%；SiO₂ 15～20%；MgO 7～9%；Al₂O₃ 4～7%。

7.根据权利要求6所述掺高硅型铁尾矿与赤泥的碱激发胶凝材料，其特征在于：以质量分数计，所述煤矸石化学成分包括：SiO₂ 51～65％；MgO 1～4％；CaO 1～7％；Al₂O₃ 16～36％；Fe₂O₃ 2～9%；Na₂O与K₂O 12.5%；所述煤矸石的粒度为25～30μm。

8.根据权利要求7所述掺高硅型铁尾矿与赤泥的碱激发胶凝材料，其特征在于：所述高硅型铁尾矿、赤泥以及煤矸石中SiO₂与Al₂O₃的摩尔比为3.0～3.9。

9.根据权利要求8所述掺高硅型铁尾矿与赤泥的碱激发胶凝材料，其特征在于：所述高硅型铁尾矿、赤泥以及煤矸石中Na₂O与Al₂O₃的摩尔比为0.2～0.9。

10.一种如权利要求1～9任一所述掺高硅型铁尾矿与赤泥的碱激发胶凝材料的制备方法，其特征在于，按如下步骤实施：

（1）将高硅型铁尾矿、赤泥、煤矸石加入搅拌机中以115～125转/分钟转速搅拌均匀，再将碱渣溶于碱性激发剂中，待完全溶解后加入搅拌机，低速搅拌混合，再将标准砂倒入搅拌锅中，停拌，接下来再以285～295转/分钟转速搅拌，即得碱激发胶凝材料浆体；

（2）将步骤（1）所得碱激发胶凝材料浆体注入模具中，凝结硬化拆模，然后置于养护装置中在温度22～24℃，相对湿度96～98%条件下进行养护，即得目的产品。