化学激发镁渣-矿渣基地质聚合物胶凝材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种化学激发镁渣-矿渣基地质聚合物胶凝材料的制备方法，该方法是利用可提供无机铝硅酸盐成分的镁渣和矿渣为原料，在化学激发剂硅酸钠的激发下，生成镁渣-矿渣基地质聚合物胶凝材料；其中，镁渣的重量为原料重量的4％-25％(原料指镁渣和矿渣总重量)，化学激发剂硅酸钠的用量为原料重量的0-15％，水渣比为0.28。其制备方法是在室温下将配方量的原料置入净浆搅拌机中搅拌，再将硅酸钠水溶液加入拌和，形成混合均匀的浆体，成型，标准养护一天后脱模，然后室温养护不同龄期，检测其抗压强度，该地质聚合物胶凝材料28天龄期的抗压强度最高可达65MPa。制备过程无需加热、无三废排放、绿色环保。

说明书

技术领域

本发明属于无机复合材料类的制备，具体涉及一种化学激发镁渣-矿渣基地质聚合物胶凝 材料及其制备方法。

背景技术

镁渣是金属镁厂在炼镁过程中排放的固体废弃物。在我国主要采用的方法是硅热还原法， 其生产工艺是将白云石(MgCO3·CaCO3)在回转窑中大约1250℃锻烧，再经研磨成粉与硅铁 粉(含硅75％)和萤石粉(含氟化钙95％)混合并压制成球，送入耐热钢还原罐内，在还原炉 中大约1200℃的温度及大约10Pa真空条件下还原制取粗镁，再经过熔剂精炼、铸锭、表面 处理，即得到金属镁锭，剩余的残渣即为镁渣，通常根据镁矿的不同，生产1吨镁排放的镁渣 从8-20吨不等。这些还原废渣如果得不到很好的处理，不仅对周围环境造成污染，还会占用 大量土地，充分高附加值的绿色利用镁渣就成为能源、资源、环境保护三方面迫切需要解决 的大问题。

目前，国内对镁渣的利用主要集中在三个方面：一是利用镁渣制备新型墙体材料；司密 花等人^[1，2]报导了利用镁渣、碱渣、粉煤灰、煤渣、尾矿砂、石粉、粗骨料、油页岩渣、活性 助凝材料、废砂、水泥及适量水生产碱渣砖。张继强等人^[3-5]采用镁还原渣、碎石、石膏或/ 和石灰、煤渣等为原料，将镁还原渣用蒸汽蒸1-3小时或加水睏料1-5天后再与其它原料加水 混合、压制成型，干燥后制成。二是利用镁渣部分替代石灰石煅烧硅酸盐水泥熟料；仝仲盛 等人^[6-15]将镁渣研细后加热至450℃～500℃，再水淬至40℃～50℃；将水淬后镁渣去除水分， 并冷却至常温后与水泥熟料及石膏均匀混合而成；张继强等人^[16，17]利用镁渣制备加气混凝土 砌块，是将镁还原渣、水、水泥和石膏、发气剂，并混匀，经静停预养、蒸压养护制备而成。 三是利用镁渣代替部分水泥作为混合材生产复合硅酸盐水泥。因为镁行业是个高污染、高能 耗、自动化程度低及劳动环境恶劣的行业，所以，近年来欧美和日本等发达国家逐步停止了 镁的生产，而中国已经成为世界上最大的镁生产国和出口国。故国外对镁渣应用的研究也很 少有所报导。

将炼镁厂排放的镁渣与炼钢厂排放的矿渣作为制备地质聚合物胶凝材料的原材料，不仅 可以充分利用二种固体废弃物，变废为宝，而且对于我国的镁业及钢铁等行业的循环经济， 资源的可持续发展，对建设“资源节约型，环境友好型社会”具有重要的意义。

由于镁渣中含有较高含量的游离CaO和游离MgO，会引起所制备的胶凝材料发生不同程 度的体积膨胀，严重时会引起胶凝材料的结构破坏。因此，镁渣在胶凝材料中应用的问题一 直没能得到很好的解决，依据发明人查阅的大量专利及文献资料，没有发现有关将镁渣用于 制备无机地质聚合物胶凝材料的专利及文献报导。

发明人给出的参考文献如下：

[1]司密花，郭东京，郭锐，一种免烧免蒸碱渣砖及其制备方法，公开(公告)号： CN102161579。

[2]司密花，郭东京，郭锐，利用大宗工业废渣制备的免烧砌块砖，公开(公告)号： CN102093011。

[3]张继强，陈黔，一种添加煤渣的镁渣砖及其制备方法，公开(公告)号：CN101113623。

[4]张继强，陈黔，高强度镁渣砖及其制备方法，公开(公告)号：CN101389579。

[5]侯西平，一种建筑用镁渣砌块，公开(公告)号：CN101486557。

[6]仝仲盛，孙金凤，吴学云，一种镁渣硅酸盐水泥及其制造方法，公开(公告)号： CN101492260。

[7]仝仲盛，杨富青，张富，一种利用镁渣制造水泥的方法，公开(公告)号：CN101367627。

[8]仝仲盛，杨富青，张富，一种利用镁渣制造硅酸盐镁渣水泥的方法，公开(公告)号： CN101417867。

[9]仝仲盛，杨富青，张富，一种硅酸盐水泥，公开(公告)号：CN101423341。

[10]仝仲盛，杨富青，张富，一种白硅酸盐水泥，公开(公告)号：CN101367626。

[11]仝仲盛，杨富青，张富，一种利用镁渣制造白水泥的方法，公开(公告)号： CN101367628。

[12]仝宗元，张富，张大同，刘永明，郭强，韩全恒，胡宝玉，杨文官，利用炼镁废渣 生产复合及砌筑水泥的工艺，公开(公告)号：CN1260330。

[13]陈黔，张继强，热还原法炼镁联产水泥的方法，公开(公告)号：CN101130453。

[14]仝宗元，张富，张大同，刘永明，郭强，韩全恒，胡宝玉，杨文官，利用炼镁废渣 生产砌筑水泥的方法，公开(公告)号：CN1702051。

[15]张继强，陈黔，镁渣复合硅酸盐水硬性胶凝材料，公开(公告)号：CN101323519。

[16]张继强，陈黔，镁渣加气混凝土砌块及其制备方法，公开(公告)号：CN101182161。

[17]张继强，陈黔，添加煤渣的镁渣加气混凝土砌块的制备方法，公开(公告)号： CN101190834。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种以工业固体废弃物镁渣和矿渣为混合原料，以硅酸钠作为 化学激发剂，利用化学激发镁渣-矿渣基地质聚合物胶凝材料的制备方法。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种化学激发镁渣-矿渣基地质聚合物胶凝材料的制备方法，其特征在于，该方法利用可 提供无机铝硅酸盐成分的镁渣和矿渣为原料，在化学激发剂硅酸钠的作用下，生成镁渣-矿渣 基地质聚合物胶凝材料；其中，镁渣的重量为原料重量的4％-25％，化学激发剂硅酸钠的用量 为混合原料重量的0-15％，水渣比为0.28。

上述化学激发镁渣-矿渣基地质聚合物胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)准确称取镁渣和矿渣置入双转双速净浆搅拌机中；

2)将配方量的硅酸钠溶入定量水中，然后将硅酸钠水溶液加入双转双速净浆搅拌机中拌 和，水渣质量比为0.28，搅拌形成混合均匀的浆体；

3)将浆体装入模具中成型，脱模，放入标准养护箱养护，然后检测其3d，7d，28d不同 龄期的抗压强度。

本发明制备的化学激发镁渣-矿渣基地质聚合物胶凝材料带来的技术效果如下：

(1)能够规模利用镁渣和矿渣制备地质聚合物胶凝材料，使镁渣和矿渣工业固体废弃物 得到资源化利用。

(2)采用无需加热的常温常压制备工艺技术，制备过程无三废排放，是一种环境友好的 绿色制备过程。

本发明的创新性在于提出了利用镁渣与矿渣制备地质聚合物胶凝材料的新思路。

具体实施方式

以下结合发明人提供的实施例对本发明作进一步的详细说明，需要说明的是，这些实施 例仅为了发明人更好的诠释本发明，本发明不限于这些实施例。

在以下的实施例中，所制备的化学激发镁渣-矿渣基地质聚合物胶凝材料的主要原料是由 工业固体废弃物镁渣及矿渣，化学激发剂等组成，具体如下：

1、镁渣

选择府谷镁业集团提供的镁渣，其主要化学组成(质量百分数)为：CaO(53.11％)，SiO₂(31.41％)，MgO(7.95％)，Fe₂O₃(4.39％)，Al₂O₃(0.84％)，P₂O₅(0.38％)，SO₃(0.034％)， K₂O(0.069％)，TiO₂(0.047％)，MnO(0.073％)，其它(1.697％)。

经球磨1小时，测试镁渣的密度为3.16×10³kg/m³，比表面积为486m²/kg。

2、矿渣

选择莱钢集团提供的矿渣，其主要化学组成(质量百分数)为：CaO(36.48％)，SiO₂(25.49％)， Al₂O₃(11.36％)，MgO(6.57％)，Na₂O(0.40％)，SO₃(2.40％)，K₂O(0.51％)，TiO₂(0.71％)， MnO(0.39％)，Fe₂O₃(0.56％)，其它(15.13％)。

经球磨1小时，测试矿渣的密度为2.931×10³kg/m³，比表面积为410m²/kg。

3、化学激发剂硅酸钠

采用固体硅酸钠，分子式为Na₂SiO₃·9H₂O。

4、拌合水

采用自来水作为拌合水。

制备实施例1：

准确称取镁渣及矿渣混合原料900g，以此为计量基础(100％)，其中，镁渣重量为混合 原料重量的8％；采用外掺法，化学激发剂硅酸钠的掺量分别为混合原料重量的0％，3％，7％， 10％，15％，其中以零掺量作为参照，水渣比为0.28(质量比)。将镁渣和矿渣的混合原料倒 入双转双速净浆搅拌机中进行搅拌分散；将硅酸钠水溶液加入拌和，高速搅拌形成混合均匀 的浆体；

将浆体装入50mm×31.5mm×31.5mm的三联模具中，在胶砂振实台上振实，用刮板刮平， 得到成型的浆体试块。将成型的试块放入标准养护箱养护1天，脱模后，将试块放入养护室 分别养护3天(3d)和7天(7d)等龄期，获得不同化学激发剂掺量的各种镁渣-矿渣基地质 聚合物胶凝材料。采用抗压仪测定不同龄期的抗压强度，结果见表1。

表1化学激发剂的不同掺量与镁渣-矿渣基地质聚合物的抗压强度

从表1中可以看出，化学激发剂硅酸钠的掺量为混合原料重量10％的试块，在养护7d后 具有最佳的抗压强度。

制备实施例2：

准确称取镁渣及矿渣混合原料900g，以此为计量基础(100％)，其中镁渣的重量分别为 混合原料重量的4％，8％，12％，16％，20％，25％；采用外掺法，化学激发剂硅酸钠的掺量为混 合原料重量的10％，水渣比为0.28(质量比)。将镁渣和矿渣的混合原料倒入双转双速净浆搅 拌机中进行搅拌分散；将硅酸钠水溶液加入拌和，高速搅拌形成混合均匀的浆体；将浆体装 入50mm×31.5mm×31.5mm的三联模具中，在胶砂振实台上振实，用刮板刮平，得到成型的浆 体试块。将成型的试块放入标准养护箱中养护1天，脱模后，将试块放入养护室分别养护3 天(3d)，7天(7d)及28天(28d)等不同龄期，获得不同镁渣掺量的各种镁渣-矿渣基地 质聚合物胶凝材料。采用抗压仪测定不同龄期的抗压强度，结果见表2。

表2镁渣的不同掺量与镁渣-矿渣基地质聚合物的抗压强度

从表2中可以看出，镁渣的掺量为混合原料重量的4％，化学激发剂硅酸钠的掺量为混合 原料重量的10％的试块，在养护28d后，达到65MPa的最佳抗压强度。