一種堿激發(fā)膠凝材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種利用硅質(zhì)鐵尾礦制備的堿激發(fā)膠凝材料及其制備方法，包括有以下步驟：1)將硅質(zhì)鐵尾礦粉、粉煤灰和礦渣粉按照配比混合均勻，得到鐵尾礦粉—粉煤灰—礦渣粉復合粉體；2)將液態(tài)水玻璃和水混合，制得堿激發(fā)劑溶液；3)將堿激發(fā)劑溶液加入到復合粉體中，攪拌均勻得到堿激發(fā)膠凝材料漿體；4)將堿激發(fā)膠凝材料漿體注入模具中振動成型并在常溫條件下養(yǎng)護至脫模，得到堿激發(fā)膠凝材料凈漿試件；5)將堿激發(fā)膠凝材料凈漿試件進行蒸養(yǎng)。本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供的堿激發(fā)膠凝材料硬化漿體具備優(yōu)良的力學性能，最優(yōu)配比的3 d抗壓強度＞60 MPa，28 d抗壓強度＞80 MPa。
【專利說明】一種堿激發(fā)膠凝材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于建筑材料領(lǐng)域，特別是涉及一種利用硅質(zhì)鐵尾礦制備的堿激發(fā)膠凝材 料及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 我國目前累積堆存尾礦100億t以上，年產(chǎn)出量達到了 12億t，占全國大宗工業(yè) 固體廢棄物年產(chǎn)生總量的45. 8%，占全世界尾礦產(chǎn)出量的50%以上。與粉煤灰、煤矸石等 大宗工業(yè)固體廢棄物相比，尾礦的綜合利用技術(shù)更復雜、難度更大。目前，我國尾礦的綜合 利用率只有13. 3%，相比之下，尾礦的綜合利用大大滯后于其它大宗工業(yè)固體廢棄物。其 中，鐵尾礦的產(chǎn)生量最大，在我國各類尾礦產(chǎn)生量所占比例達到45 %，年排放量從2000年 的1. 37億t快速增長到2009年的5. 36億噸，僅10年的累計產(chǎn)生量就達28. 32億噸。鐵尾 礦的大量堆存不僅占用了土地和造成了資源的浪費，而且部分鐵尾礦中含有重金屬等有害 物質(zhì)以及細尾礦顆粒引起的揚塵等對地下水資源、人類生活環(huán)境帶來了嚴重污染和危害， 破壞生態(tài)平衡，現(xiàn)已受到全社會的廣泛關(guān)注。
[0003] 鐵尾礦的礦物組成主要為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的脈石礦物，如石英、長石、輝石、石榴石、角閃 石等，幾乎沒有活性，同時隨著選礦技術(shù)的提高，尾礦的中位粒徑已由十幾年前200 μπι降 至現(xiàn)在的40 μπι，即使用作混凝土集料其粒徑也已不適合。因此，大大限制了其消納途徑。 為了解決鐵尾環(huán)境污染和資源浪費的問題，采取合適的手段激發(fā)鐵尾礦的膠凝活性，然后 將其用作水泥混合材和混凝土摻合料有許多新的研宄出現(xiàn)。歸納起來，鐵尾礦膠凝活性的 提高手段主要有機械粉磨、化學激發(fā)、熱活化或者三種激發(fā)手段中任意兩種復合。例如，發(fā) 明專利CN103011648A《一種混凝土用改性鐵尾礦活性摻合料及其制備方法》公開了一種利 用聚羧酸鹽減水劑對鐵尾礦進行表面改性提高其活性的方法，采用該方法生產(chǎn)的改性鐵尾 礦活性摻合料的活性與與II級粉煤灰相當，但聚羧酸鹽減水劑在其中只起分散助磨作用， 僅有助于鐵尾礦細度的提高，并不能激發(fā)鐵尾礦的化學活性。發(fā)明專利CN102850011A《一 種利用鐵尾礦制備活性粉末混凝土的工藝方法》公開了一種利用機械力來活化SiO 2含量 69%的鐵尾礦，使其作為活性粉末混凝土的活性粉末組分，同時將0. 16mm?I. 25mm的鐵尾 礦作為細骨料制備活性粉末混凝土的方法，但有研宄表明機械粉磨并不能提高鐵尾礦的化 學活性，鐵尾礦在常溫下主要以物理填充效應為主；因此，尋求另一種更廣泛、更有效的鐵 尾礦活性改性方法顯得尤為重要。經(jīng)檢索，目前未見以鐵尾礦為主要原料制備堿激發(fā)膠凝 材料的相關(guān)文獻公開。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供了一種以硅質(zhì)鐵尾礦為主要原料制備堿激發(fā)膠凝材料及其制備方法， 擴充了鐵尾礦的綜合利用面，解決了鐵尾礦堆存所導致的環(huán)境污染和資源浪費問題，同時， 也拓展了堿激發(fā)膠凝材料的原料范圍，解決了目前以礦渣、偏高嶺土以及粉煤灰為主制備 堿激發(fā)膠凝材料時原材料來源受限、成本較高的問題。
[0005] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種堿激發(fā)膠凝材料，包括有由 硅質(zhì)鐵尾礦粉、粉煤灰和礦渣粉所組成的復合粉體、占復合粉體重量5%?15%的液態(tài)水 玻璃、占復合粉體重量15 %?30 %的水，所述復合粉體各組分質(zhì)量百分含量為：硅質(zhì)鐵尾 礦粉50%?75%、粉煤灰0?45%、礦渣粉5%?50%。
[0006] 按上述方案，所述復合粉體各組分質(zhì)量百分含量為：硅質(zhì)鐵尾礦粉50?75%、粉 煤灰15?25%、礦渣粉35?50%。
[0007] 按上述方案，所述復合粉體各組分質(zhì)量百分含量為：硅質(zhì)鐵尾礦粉50%、粉煤灰 15%、礦渣粉35%。
[0008] 按上述方案，所述娃質(zhì)鐵尾礦粉是將娃質(zhì)鐵尾礦原礦磨至比表面積300m2/kg? 600m2/kg〇
[0009] 按上述方案，所述娃質(zhì)鐵尾礦粉是將娃質(zhì)鐵尾礦原礦磨至比表面積300m2/kg? 400m2/kg〇
[0010] 按上述方案，所述液態(tài)水玻璃模數(shù)η為I. 0?2. 0。
[0011] 所述的堿激發(fā)膠凝材料的制備方法，包括有以下步驟：
[0012] 1)將硅質(zhì)鐵尾礦粉、粉煤灰和礦渣粉按照配比混合均勻，得到鐵尾礦粉一粉煤 灰一礦渣粉復合粉體，所述復合粉體各組分質(zhì)量百分含量為：硅質(zhì)鐵尾礦粉50%?75%、 粉煤灰〇?45%、礦渣粉5%?50% ;
[0013] 2)將液態(tài)水玻璃和水混合，制得堿激發(fā)劑溶液；其中液態(tài)水玻璃的質(zhì)量占復合粉 體重量的5%?15%，水占復合粉體重量15%?30% ;
[0014] 3)將堿激發(fā)劑溶液加入到復合粉體中，攪拌均勻得到堿激發(fā)膠凝材料漿體；
[0015] 4)將堿激發(fā)膠凝材料漿體注入模具中振動成型并在常溫條件下養(yǎng)護至脫模，得到 堿激發(fā)膠凝材料凈漿試件；
[0016] 5)將堿激發(fā)膠凝材料凈漿試件進行蒸養(yǎng)。
[0017] 按上述方案，所述的蒸養(yǎng)溫度為40?80°C，蒸養(yǎng)時間為0?15h。
[0018] 本發(fā)明提供的硅質(zhì)鐵尾礦基堿激發(fā)膠凝材料以鐵尾礦為主要原料，加入粉煤灰和 礦渣粉調(diào)節(jié)體系中硅、鋁、鈣等元素的含量比例，以適當模數(shù)的液態(tài)水玻璃為堿激發(fā)劑，經(jīng) 成型、蒸養(yǎng)等工序制備而成。反應機理在于，鐵尾礦、粉煤灰和礦渣粉組成的復合粉體材料， 在水玻璃堿激發(fā)劑的作用下發(fā)生解聚，在水介質(zhì)中重新聚合成新的凝膠體。
[0019] 本發(fā)明的有益效果在于：以來源廣泛的惰性硅質(zhì)鐵尾礦為主要原料，不僅擴大了 鐵尾礦資源化綜合利用途徑，解決了鐵尾礦長期堆存的資源浪費和污染環(huán)境的問題，而且 擴展了堿激發(fā)膠凝材料生產(chǎn)的原料來源。與傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥等膠凝材料生產(chǎn)過程相比， 本發(fā)明提供的堿激發(fā)膠凝材料制備過程無需高溫煅燒，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本，減少了水泥 生產(chǎn)的高資源、高能源消耗與高CO 2排放，是一種新型低碳膠凝材料。此外，本發(fā)明提供的堿 激發(fā)膠凝材料硬化漿體具備優(yōu)良的力學性能，最優(yōu)配比的3d抗壓強度> 60MPa，28d抗壓強 度> 80MPa。因此，本發(fā)明提供的堿激發(fā)膠凝材料及其制備方法具有廣闊的市場應用前景。

【具體實施方式】
[0020] 本發(fā)明提供的堿激發(fā)膠凝材料是由硅質(zhì)鐵尾礦粉、粉煤灰和礦渣粉的復合粉體在 水玻璃的激發(fā)下得到的。其原料配方包括以下質(zhì)量百分含量的組分：50%?75%硅質(zhì)鐵 尾礦粉、5%?50%礦渣粉、O?45%粉煤灰（鐵尾礦粉、粉煤灰、礦渣粉含量百分比之和為 100 %，形成復合粉體）、占復合粉體重量5 %?15 %的液態(tài)水玻璃、占復合粉體重量15 %? 30%的水。其中：
[0021] 復合粉料原料之一的硅質(zhì)鐵尾礦粉，是將硅質(zhì)鐵尾礦原礦在球磨機中球磨至滿足 比表面積為300m2/kg?600m2/kg的粉體所得。優(yōu)選鐵尾礦粉的比表面積為300m 2/kg? 400m2/kg。鐵尾礦粉在復合粉體中所占比例為50%?75%，優(yōu)選為50%。
[0022] 復合粉料原料之一的粉煤灰為F類II級粉煤灰，比表面積為427m2/kg，粉煤灰在復 合粉體中所占比例為〇?45%，優(yōu)選為15%。在粉料中添加粉煤灰的目的是為了調(diào)節(jié)體系 中硅元素和鋁元素的比例，使體系在堿激發(fā)之后聚合程度更高，從而具有更好的力學性能。
[0023] 復合粉料原料之一的礦渣粉為S75級磨細礦渣粉，比表面積為405m2/kg，礦渣粉在 復合粉料中所占比例為5%?50%，優(yōu)選為35%。在粉料中添加礦渣粉可以顯著提高堿激 發(fā)膠凝材料凈漿試件的早期力學性能。
[0024] 膠凝材料原料中之一的堿激發(fā)劑為模數(shù)I. 0?2. 0的水玻璃（Na2O · nSi02)，其摻 量為復合粉料重量的5%?15%，優(yōu)選為10% (摻量以水玻璃溶液中Na2O · nSi02的質(zhì)量 計）。不同模數(shù)η的液態(tài)水玻璃（Na2O · nSi02)是將化學純NaOH加入模數(shù)η = 3. 3的原狀 工業(yè)水玻璃中調(diào)節(jié)得到的。
[0025] 此外，制備堿激發(fā)膠凝材料凈漿所需水含量為復合粉體質(zhì)量的15%?30%，優(yōu)選 為 20%。
[0026] 表1制備堿激發(fā)膠凝材料的粉體材料的化學組成單位：wt%

【權(quán)利要求】
1. 一種堿激發(fā)膠凝材料，包括有由硅質(zhì)鐵尾礦粉、粉煤灰和礦渣粉所組成的復合粉體、 占復合粉體重量5 %?15 %的液態(tài)水玻璃、占復合粉體重量15 %?30 %的水，所述復合 粉體各組分質(zhì)量百分含量為：硅質(zhì)鐵尾礦粉50%?75%、粉煤灰0?45%、礦渣粉5%? 50%〇
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的堿激發(fā)膠凝材料，其特征在于：所述復合粉體各組分質(zhì)量百 分含量為：硅質(zhì)鐵尾礦粉50?75%、粉煤灰15?25%、礦渣粉35?50%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的堿激發(fā)膠凝材料，其特征在于：所述復合粉體各組分質(zhì)量百 分含量為：硅質(zhì)鐵尾礦粉50%、粉煤灰15%、礦渣粉35%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的堿激發(fā)膠凝材料，其特征在于：所述硅質(zhì)鐵尾礦粉是將硅質(zhì) 鐵尾礦原礦磨至比表面積300m2/kg?600m2/kg。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的堿激發(fā)膠凝材料，其特征在于：所述硅質(zhì)鐵尾礦粉是將硅質(zhì) 鐵尾礦原礦磨至比表面積300m2/kg?400m2/kg。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的堿激發(fā)膠凝材料，其特征在于：所述液態(tài)水玻璃模數(shù)n為 1. 0 ?2. 0〇
7. 權(quán)利要求1所述的堿激發(fā)膠凝材料的制備方法，包括有以下步驟： 1) 將硅質(zhì)鐵尾礦粉、粉煤灰和礦渣粉按照配比混合均勻，得到鐵尾礦粉一粉煤灰一礦 渣粉復合粉體，所述復合粉體各組分質(zhì)量百分含量為：硅質(zhì)鐵尾礦粉50%?75%、粉煤灰 0?45%、礦渣粉5%?50% ; 2) 將液態(tài)水玻璃和水混合，制得堿激發(fā)劑溶液；其中液態(tài)水玻璃的質(zhì)量占復合粉體重 量的5%?15%，水占復合粉體重量15%?30% ; 3) 將堿激發(fā)劑溶液加入到復合粉體中，攪拌均勻得到堿激發(fā)膠凝材料漿體； 4) 將堿激發(fā)膠凝材料漿體注入模具中振動成型并在常溫條件下養(yǎng)護至脫模，得到堿激 發(fā)膠凝材料凈漿試件； 5) 將堿激發(fā)膠凝材料凈漿試件進行蒸養(yǎng)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的堿激發(fā)膠凝材料的制備方法，其特征在于所述的蒸養(yǎng)溫度為 40?80°C，蒸養(yǎng)時間為0?15h。
【文檔編號】C04B7/147GK104446045SQ201410618006
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月5日
【發(fā)明者】李北星, 葉茂, 馮紫豪 申請人:武漢理工大學