水热合成节能多孔材料绿色制造理论与关键技术研究

摘要

我国目前正处于社会、经济高速发展的时期，寻求工业化与城镇化的协同发展是全面建设和谐社会的重要途径。建筑节能与工业固体废弃物资源化利用是我国目前正积极发展的两大重要领域。水热合成反应对原材料具有较强的包容性，水热合成节能多孔材料（ Hydrothermal-synthesis Energy-saving Porous Material-HEPM）是目前少数可以实现单一材料自保温的结构功能一体化墙体材料。因此，HEPM绿色制造原料体系及工艺体系的研究具有环境保护与能源节约的双重重大意义。本文依托国家科技支撑计划课题（2011BAJ03B03），系统研究了硅质固废、钙质固废对 HEPM料浆性能、制品物理力学性能的影响；基于料浆性能调节组分对坯体形成过程、制品物理力学性能的影响研究，提出适用于高利废HEPM体系的坯体形成过程调节方法；采用SEM、EDX、XRD、DSC-TG、NMR等微观测试方法揭示了钙、硅固废与料浆性能调节组分对HEPM水热合成水化产物的影响机理；基于绿色原料体系设计，创新性地提出钙-硅固废混合球磨技术与微波发气预养护技术。通过对绿色原料体系、坯体形成过程与绿色制造技术的系统研究，实现以低硅铁尾矿与石英尾砂作为硅质材料，电石渣作为主要钙质材料，工业固体废弃物利用率达85%以上的B04、A2.0与B05、A2.5级HEPM高效、稳定绿色制造。本文主要工作及所取得的重要成果如下： 1、HEPM绿色原料体系与影响机理 （1）单组分替代时最大掺量≤硅质材料质量的60%，高利废HEPM体系中最大掺量≤硅质材料质量的50%，比表面积达到约340m2/kg以上时，制品物理力学性能可满足GB11968-2006中B05，A2.5级的性能要求，研究表明硅质固废-低硅铁尾矿比例的增加对HEPM制品力学性能有显著的不利影响。 （2）由于低硅铁尾矿中SiO2含量较少且多存在于复合硅酸盐矿物中，硅质材料中低硅铁尾矿比例增加导致 C-S-H总量明显减少；低硅铁尾矿比表面积在250~370m2/kg间波动对C-S-H总量影响不明显，细度增大可促进白云母参与水热合成反应，托贝莫来石结晶度降低。 （3）钙质固废-电石渣相对生石灰替代量增加对坯体形成过程有较大影响。随替代量增加，由于生石灰水化放热效应逐渐减弱，坯体达到0.8发气率的时间从9min延长至30min，最终发气率从1.5倍减小至1.2倍，制品绝干密度增大，坯体稠化速度显著降低；高利废原料体系 Kalk在0.46~0.66，电石渣比表面积在228~325m2/kg间波动时对坯体形成过程影响较小。 （4）从制品力学性能角度电石渣可完全替代生石灰；体系Kalk在0.46~0.66间增大时制品抗压强度逐渐增大；随电石渣比表面积从228m2/kg增大至325m2/kg，制品抗压强度从2.5MPa提升至2.7MPa。 （5）电石渣替代量的增大导致 C-S-H（B）与托贝莫来石减少；Kalk在0.46~0.66间提高与电石渣细度的增大可促进C-S-H的形成。 2、高利废HEPM坯体形成过程调节方法及其影响 （1）高利废 HEPM体系水料比（W/R）调整至0.54~0.56，料浆流动度180~190mm，坯体形成过程稳定性较佳，比强度较高；制品绝干密度与抗压强度的降低是由于孔壁结构中水分蒸发引起的毛细孔增加造成的。 （2）硫铝酸盐水泥（SAC）的掺入因其初期高水化热可显著加速料浆发气，发气结束后料浆稠化较快，且掺量越高稠化速率越快；SAC替代25~50%PO42.5水泥时制品抗压强度从2.55MPa提升至2.9~3.0MPa。 （3）高活性复合硅质增强剂（HCSE）可促进料浆前期发气，掺入2%HCSE时，制品绝干密度低至420kg/m3，抗压强度可达2.15~2.2MPa，达到B04、A2.0级要求。 3、基于高利废HEPM绿色制造关键技术与工业应用 （1）根据高利废体系原料特性，以硅质材料作为钙质材料的研磨介质，提出钙、硅固废混合湿磨工艺，提高研磨效率，改善混合物料均匀性，提高了钙-硅质水热合成反应率，促进C-S-H的形成，制品抗压强度提升5~8%，同时可取消传统工艺的生石灰破碎、粉磨与储存。 （2）基于高利废体系HEPM坯体形成过程工艺需求，提出以微波加热为基础的坯体形成过程控制技术，相对本体系在传统养护工艺下，发气量增加3~7%，发气时间缩短10~30%，坯体稠化速率随微波养护温度升高有不同程度加快。 （3）高利废体系 HEPM在工业生产线中应用结果表明坯体形成过程稳定、高效，制品物理力学性能满足B05、A2.5级性能指标要求，成品率95%以上，导热系数0.125~0.131W/(m·K)。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 存在的问题与挑战

1.4 研究目标与内容

1.5 拟解决的技术问题与技术路线

1.6 创新点

第2章 原材料与实验方法

2.1 原材料

2.2 原材料特性评价方法

2.3 测试样品制备流程

2.4 料浆性能评价方法

2.5 HEPM主要性能评价方法

第3章 高利废HEPM原料体系、工艺与矿物分析

3.1 孔壁材料设计

3.2 坯体形成过程调节

3.3 HEPM水化产物种类、形貌及转变过程

第4章 硅质固废对HEPM料浆与制品性能影响

4.1 实验设计

4.2 硅质固废单组份替代的影响

4.3 高利废体系硅质固废多组分替代的影响

4.4 硅质固废细度的影响

4.5 本章小结

第5章 钙质固废对HEPM料浆与制品性能影响

5.1 实验设计

5.2 钙质固废单组份替代

5.3 高利废体系钙质固废的影响

5.4 钙质固废细度的影响

5.5 本章小结

第6章 坯体形成过程调节及其影响研究

6.1 实验设计

6.2 水料比（W/R）调节

6.3 胶凝材料掺量调节

6.4 胶凝材料体系调节

6.5 基础配比料浆性能与水化产物

6.6 外加剂调节

6.7 本章小结

第7章 高利废HEPM绿色制造关键技术与工业应用

7.1 高利废HEPM原料体系评价

7.2 高利废HEPM原料低能耗混合预处理技术

7.3 高利废HEPM坯体形成过程调节技术

7.4 水热合成养护阶段低能耗技术

7.5 高利废HEPM绿色制造体系工业应用试验

7.6 重金属浸出安全性分析

7.7 本章小结

第8章 结论与展望

8.1 结论

8.2 创新点

8.3 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要成果与工作