CN114315195A - 一种单组份早强速凝型地聚合物的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单组份早强速凝型地聚合物的制备方法，包括如下步骤：S1、将赤泥、高炉矿渣、硬石膏按照一定质量比均匀混合后进行煅烧；S2、煅烧后的固体物料破碎后外掺质量比20％～30％的固体碱性激发剂和10～15％的粉煤灰；S3、混合后进行粉磨得到地聚合物材料的粉体，再加入其他外加剂混合均匀。本发明提供的单组份早强速凝型地聚合物的制备方法，可以直接加水拌和应用，能迅速反应硬化，具有优异的理化性能；一方面可以提高矿渣和赤泥的活性，另一方面将赤泥、高炉矿渣等多种冶金废渣共同处理后转化为地聚合物材料，降低了固废资源的处理难度，大幅度提高了固废资源的利用率和使用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种地聚合物的制备方法，尤其涉及一种单组份早强速凝型地聚合物的制备方法。
背景技术
赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的工业固体废弃物，由于赤泥结合的化学碱难以脱除且含量大，又含有氟、铝及其他多种杂质，对于赤泥的无害化利用一直以来难以进行。赤泥在堆放过程中除了占用大量土地外，还由于赤泥中的化学成分入渗土地易造成土地碱化和地下水污染。赤泥中含有SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3等，其活性较低。目前，国内外处理赤泥的方法主要有烧结法、联合法和拜耳法，赤泥的综合利用极为有限，相对于赤泥巨大的排放量，有限的利用率仍然不能减缓赤泥给社会、环境带来的沉重负担。
矿渣是在高炉炼铁过程中的副产品。在炼铁过程中，氧化铁在高温下还原成金属铁，铁矿石中的二氧化硅、氧化铝等杂质与石灰等反应生成以硅酸盐和硅铝酸盐为主要成分的熔融物，经过淬冷成质地疏松、多孔的粒状物。
地聚合物是一种由AlO4和SiO4四面体结构单元组成三维立体网状结构的无机聚合物，化学式为Mn{-(SiO2)zAlO2}n·wH2O，无定形到半晶态，属于非金属材料。这种材料具有优良的机械性能和耐酸碱、耐火、耐高温的性能，有取代普通波特兰水泥的可能和可利用矿物废物和建筑垃圾作为原料的特点，在建筑材料、高强材料、固核固废材料、密封材料、和耐高温材料等方面均有应用。
常用地聚合物矿物原材料为矿粉、粉煤灰、偏高岭土中的一种或多种复合，地聚合物性能受原材料影响较大，各种矿物质材料中的成分差异较大、硅和铝元素的比例差异大、矿物成分的活性差异大，从而导致地聚合物材料的产品性能差异较大、稳定性较差、应用难度大、制备困难从而导致其应用极为局限，且优异的早期性能和化学稳定性二者往往不可兼得。
中国专利文献CN201910334389.6公开了一种赤泥基一步法地聚合物注浆材料及其制备方法，利用赤泥作为原料，与活性铝硅源、固体碱性激发剂共同混合煅烧，该步骤在合理性上有待商榷，在持续高温煅烧条件下，铝硅原料会与碱性激发剂发生反应，在此基础上将反应后的地聚合物固结体进行研磨，所以该制备方法所得的地聚合物材料各龄期强度均较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种单组份早强速凝型地聚合物的制备方法，可以直接加水拌和应用，能迅速反应硬化，具有优异的理化性能；一方面可以提高矿渣和赤泥的活性，另一方面将赤泥、高炉矿渣等多种冶金废渣共同处理后转化为地聚合物材料，降低了固废资源的处理难度，大幅度提高了固废资源的利用率和使用价值。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种单组份早强速凝型地聚合物的制备方法，包括如下步骤：S1、将赤泥、高炉矿渣、硬石膏按照一定质量比均匀混合后进行煅烧；S2、煅烧后的固体物料破碎后外掺质量比20％～30％的固体碱性激发剂和10～15％的粉煤灰；S3、混合后进行粉磨得到地聚合物材料的粉体，再加入其他外加剂混合均匀。
进一步地，所述步骤S1中赤泥使用前烘干至恒重，所述赤泥、高炉矿渣、硬石膏的质量比为35～45:50～60:5～10。
进一步地，所述步骤S1煅烧温度为800～1000℃，煅烧时间为1～3h。
进一步地，所述步骤S1中的固体碱性激发剂为苛性碱和固体硅酸钠的混合物。
进一步地，所述步骤S1中的高炉矿渣为水淬渣，粒径小于30mm；
进一步地，所述步骤S2中的粉煤灰为II级灰。
进一步地，所述步骤S3中的外加剂为聚羧酸减水剂、钠基膨润土、纤维素醚、可再分散乳胶粉中的一种或几种混合；外加剂的重量占总粉料的比例为0.1～2％。
进一步地，所述步骤S3采用立磨高压辊式研磨，至粉体粒径在45μm筛孔的通过率不低于90％，研磨后的粉体比表面积不小于500㎡/kg。
进一步地，还包括将步骤S3中的地聚合物粉体加水混合搅拌均匀，并控制水灰比为0.5～0.6，使得初凝时间为5～15min，终凝时间为20～30min；2h抗压强度为15～25MPa，28d抗压强度为50～70MPa。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的单组份早强速凝型地聚合物的制备方法，从制备工艺和反应机理分析，优点在于：
1、赤泥为碱性物质，在处治和综合利用时存在碱性污染和活性偏低的问题，此外还存在重金属离子和放射性核素超标的问题。将烘干后的赤泥经过800℃以上高温煅烧后，硅铝和钙离子易溶解形成CaO-Al2O3-SiO2三元体系，活性较高，可以有效地促进碱激发反应的程度，提高赤泥的利用率和利用价值，且有效地固定重金属离子解决放射性核素超标问题，降低污染。所述赤泥、高炉矿渣、硬石膏的质量比优选为35～45:50～60:5～10，赤泥掺量尽可能高，以便提高赤泥的利用率。但是若赤泥(活性较低)掺量过高、高炉矿渣掺量过低，体系的矿物质成分活性偏低，导致碱激发反应不完全，使得最终的产物力学性能较差。硬石膏是作为调凝剂，过高过低均会影响凝结时间，此外其所含的硫酸根离子可以起到碱激发的作用。
2、硬石膏经800～1000℃煅烧后结构松弛、活性更高，也是一种固体碱性激发剂。体系中碱激发和硫酸盐激发剂作用共存，地聚合物反应和水化反应同时进行，生成了地聚合物凝胶、类沸石以及钙矾石等反应产物。苛性碱、硅酸钠、硫酸盐三者的碱性按顺序由高到低，苛性碱与硅酸钠重量比优选为1:10，苛性碱的碱性最强，用于调整碱性，提高碱激发反应速率和反应程度。硅酸钠一方面具有较高的碱性，作为碱性激发剂，另一方面含有硅酸根离子，是一种为地聚合物基体碱激发反应提供硅元素的原材料。硫酸根离子来源于石膏，在碱激发反应中起到的作用相对较低；硫酸根离子与体系中的铝相和钙质容易反应生成钙矾石，使得碱激发与硫酸盐激发并存。
3、在煅烧后的固体物料中加入10～15％比例的粉煤灰，一方面是可以有效地降低碱激发反应的反应热，降低收缩率，提高地聚合物的体积稳定性，另一方面粉煤灰在研磨过程中可起到助磨剂的作用，提高粉体的细度和比表面积，提高产量，降低研磨的能耗。
4、常规地聚合物制备需要采用双组份溶液进行混合，将碱性激发剂溶液和矿物材料浆液充分混合，工艺较为复杂。本发明所提供的制备方法将所有矿物质材料充分混合研磨，粉体加水混合搅拌均匀后即可获得单组份早强速凝型地聚合物材料，工艺简单，且有助于提高地聚合物材料的混合均匀性和性能稳定性。
5、采用立磨高压辊式研磨，至粉体粒径在45μm筛孔的通过率不低于90％，将物料充分混合均匀并充分研磨，研磨后的粉体比表面积不小于500㎡/kg。更高的比表面积能有效地促进地聚合物材料体系充分反应，促进更多的地聚合物凝胶基体由无定形化合物转化成结晶化合物，使产物具有更强的“聚合度”，制备出理化性能更高、耐候性耐腐蚀性能更优异的地聚合物材料。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
一种单组份早强速凝型地聚合物材料，原材料包括如下组分：赤泥28份、高炉矿渣35份、硬石膏7份、固体激发剂20份、粉煤灰8份、外加剂2份。
所述的固体激发剂为苛性碱与硅酸钠1:10重量比混合，外加剂为聚羧酸减水剂0.5份，可再分散乳胶粉1.5份。
一种单组份早强速凝型地聚合物材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将烘干后的赤泥、高炉矿渣、硬石膏装入回转窑进行煅烧，煅烧温度为800℃，煅烧时间为3h，冷却备用；
2)将冷却后的混合材料初步破碎，加入固体激发剂和粉煤灰，送入立磨，将物料充分混合均匀并充分研磨，至粉体粒径在45μm筛孔的通过率不低于90％，研磨后的粉体比表面积不小于500㎡/kg；
3)将外加剂加入研磨后的粉体中，并按照水灰比0.55加入水，高速搅拌3min使其混合均匀，即可得到早强速凝型地聚合物材料浆体。
实施例2
一种单组份早强速凝型地聚合物材料，原材料包括如下组分：赤泥25份、高炉矿渣40份、硬石膏7份、固体激发剂18份、粉煤灰7.5份、外加剂2.5份。
所述的固体激发剂为苛性碱与硅酸钠1:10重量比混合，外加剂为聚羧酸减水剂0.5份，钠基膨润土1.5份。
一种单组份早强速凝型地聚合物材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将烘干后的赤泥、高炉矿渣、硬石膏装入回转窑进行煅烧，煅烧温度为900℃，煅烧时间为2h，冷却备用；
2)将冷却后的混合材料初步破碎，加入固体激发剂和粉煤灰，送入立磨，将物料充分混合均匀并充分研磨，至粉体粒径在45μm筛孔的通过率不低于90％，研磨后的粉体比表面积不小于500㎡/kg；
3)将外加剂加入研磨后的粉体中，并按照水灰比0.5加入水，高速搅拌3min使其混合均匀，即可得到早强速凝型地聚合物材料浆体。
实施例3
一种单组份早强速凝型地聚合物材料，原材料包括如下组分：赤泥30份、高炉矿渣38份、硬石膏5份、固体激发剂16.5份、粉煤灰9.2份、外加剂1.3份。
所述的固体激发剂为苛性碱与硅酸钠1:10重量比混合，外加剂为聚羧酸减水剂0.2份，钠基膨润土1份，纤维素醚0.1份。
一种单组份早强速凝型地聚合物材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将烘干后的赤泥、高炉矿渣、硬石膏装入回转窑进行煅烧，煅烧温度为1000℃，煅烧时间为1h，冷却备用；
2)将冷却后的混合材料初步破碎，加入固体激发剂和粉煤灰，送入立磨，将物料充分混合均匀并充分研磨，至粉体粒径在45μm筛孔的通过率不低于90％，研磨后的粉体比表面积不小于500㎡/kg；
3)将外加剂加入研磨后的粉体中，并按照水灰比0.6加入水，高速搅拌3min使其混合均匀，即可得到早强速凝型地聚合物材料浆体。
试块制备和性能测试参照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》GB/T 17671-1999、《建筑砂浆基本性能试验方法标准》JGJ/T70-2009进行测试。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
Claims (9)
1.一种单组份早强速凝型地聚合物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将赤泥、高炉矿渣、硬石膏按照一定质量比均匀混合后进行煅烧；
S2、煅烧后的固体物料破碎后外掺质量比20％～30％的固体碱性激发剂和10～15％的粉煤灰；
S3、混合后进行粉磨得到地聚合物材料的粉体，再加入其他外加剂混合均匀。
2.如权利要求1所述的单组份早强速凝型地聚合物的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中赤泥使用前烘干至恒重，所述赤泥、高炉矿渣、硬石膏的质量比为35～45:50～60:5～10。
3.如权利要求1所述的单组份早强速凝型地聚合物的制备方法，其特征在于，所述步骤S1煅烧温度为800～1000℃，煅烧时间为1～3h。
4.如权利要求1所述的单组份早强速凝型地聚合物的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的固体碱性激发剂为苛性碱和固体硅酸钠的混合物。
5.如权利要求1所述的单组份早强速凝型地聚合物的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的高炉矿渣为水淬渣，粒径小于30mm。
6.如权利要求1所述的单组份早强速凝型地聚合物的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的粉煤灰为II级灰。
7.如权利要求1所述的单组份早强速凝型地聚合物的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中的外加剂为聚羧酸减水剂、钠基膨润土、纤维素醚、可再分散乳胶粉中的一种或几种混合；外加剂的重量占总粉料的比例为0.1～2％。
8.如权利要求1所述的单组份早强速凝型地聚合物的制备方法，其特征在于，所述步骤S3采用立磨高压辊式研磨，至粉体粒径在45μm筛孔的通过率不低于90％，研磨后的粉体比表面积不小于500㎡/kg。
9.如权利要求1所述的单组份早强速凝型地聚合物的制备方法，其特征在于，还包括将步骤S3中的地聚合物粉体加水混合搅拌均匀，并控制水灰比为0.5～0.6，使得初凝时间为5～15min，终凝时间为20～30min；2h抗压强度为15～25MPa，28d抗压强度为50～70MPa。
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