阅读说明：本技术 一种单组分地聚物水泥制备方法 (Preparation method of single-component geopolymer cement ) 是由 张会芝 刘纪峰 杨悦 陈孝国 连跃宗 付晓强 于 2020-05-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种单组分地聚物水泥制备方法。本发明利用金属尾矿、长石、造纸白泥和水泥窑粉等主要成分为SiO<Sub>2</Sub>、Al<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>和含Ca化合物的工业副产品,通过加入固体碱激发剂制备单组分地聚物水泥。一方面减少了金属尾矿堆存带来的环境压力,另一方面由于原料来源广,价格低廉,能实现金属尾矿等固体废弃物的资源化利用。该单组分地聚物水泥的28d立方体抗压强度为35～45MPa,可广泛应用于混凝土制备、岩土体灌浆加固、公路或机场跑道快速修复、混凝土预制构件制作、墙体砌块制作以及透水路面砖和路缘石等建材产品的生产原材料。(The invention provides a preparation method of single-component geopolymer cement. The invention utilizes metal tailings, feldspar, papermaking white mud, cement kiln powder and the like as the main components of SiO 2 、Al 2 O 3 And industrial by-products of Ca-containing compounds, by adding a solid alkali activator. On one hand, the environmental pressure caused by the stockpiling of the metal tailings is reduced, and on the other hand, the resource utilization of the metal tailings and other solid wastes can be realized due to wide raw material sources and low price. The single-component geopolymer cement has the 28d cubic compressive strength of 35-45 MPa, and can be widely applied to production raw materials of building material products such as concrete preparation, rock and soil mass grouting reinforcement, rapid repair of highways or airport runways, concrete prefabricated part manufacturing, wall building block manufacturing, permeable pavement bricks, kerbs and the like.)

一种单组分地聚物水泥制备方法

技术领域

本发明涉及水泥材料领域，且特别涉及一种单组分地聚物水泥制备方法。

背景技术

矿产资源是社会赖以生存和发展的物质基础。目前国内95％以上的一次性能源中80％以上的工业原料和70％以上的农业生产资料都来自矿产资源。由于矿产资源的有效综合利用率较低，使得大量有用资源进入了尾矿废石之中。我国的工业废渣和金属尾矿几乎各地都有，有的工业废渣量还很大，如粉煤灰。若不处理和综合利用，尾矿会占用越来越多的土地，引起二次环境污染，造成资源的浪费，进一步影响矿产资源的可持续发展。

金属尾矿单组分地聚物水泥，是利用金属尾矿或其混合料，加固体碱激发剂制备的地聚物，类似普通水泥，可直接加水使用，具有很好的发展前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单组分地聚物水泥制备方法，以解决金属尾矿综合利用率低从而造成尾矿堆积，资源浪费和由此引起的环境污染等问题。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出一种单组分地聚物水泥制备方法，包括以下步骤：

S1、获取原材料，并分别统计所述原材料中SiO₂、Al₂O₃和含Ca化合物的含量，得到分析结果，其中，所述含Ca化合物为CaO和/或CaCO₃，所述原材料选自金属尾矿、造纸白泥、长石和水泥窑粉尘中的一种或多种；

S2、根据分析结果，调配所述原材料获得掺合料；

S3、在所述掺合料中加入Na₂CO₃混合均匀，然后煅烧，并立即冷却煅烧后的熔融材料，得到煅烧产物；

S4、对所述煅烧产物进行研磨得到单组分地聚物水泥。

本发明实施例的单组分地聚物水泥制备方法的有益效果是：

1、本发明利用金属尾矿、长石、造纸白泥和水泥窑粉尘等主要成分为SiO₂、Al₂O₃和CaO(CaCO₃)的工业副产品制备单组分地聚物水泥，一方面减少了金属尾矿堆存带来的环境压力，另一方面由于原料来源广，价格低廉，能实现金属尾矿等固体废弃物的资源化利用，节约能源，而且还减少碳排放。

2、本发明制备的单组分地聚物水泥的主要成分为玻璃态材料，其含有95％以上的无定型物。该单组分地聚物水泥的28d立方体抗压强度为35～45MPa，能达到32.5或42.5号水泥强度标准。其3d立方体抗压强度和7d立方体抗压强度分别为28d立方体抗压强度的40％和75％。该类型单组分地聚合物水泥具有便于工程施工、综合性能好和节能环保等优点，可广泛应用于混凝土制备、岩土体灌浆加固、公路或机场跑道快速修复、混凝土预制构件制作、墙体砌块制作以及透水路面砖和路缘石等建材产品的生产原材料。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明提供了一种单组分地聚物水泥制备方法，包括以下步骤：

S1、获取原材料，并分别统计所述原材料中SiO₂、Al₂O₃和含Ca化合物的含量，得到分析结果，其中，所述原材料选自金属尾矿、长石、造纸白泥和水泥窑粉尘等主要成分为SiO₂、Al₂O₃和含Ca化合物的工业副产品。所述含Ca化合物为CaO和/或CaCO₃，其中，CaCO₃通过高温煅烧可以获得CaO。通过综合利用金属尾矿等固体废弃物，一方面能减少尾矿堆存带来的环境压力，另一方面由于其原料来源广，价格低廉，能规模化实现金属尾矿等固体废弃物的资源化利用，节约能源。

进一步地，按照质量百分比计，所述金属尾矿中，所述SiO₂为35％～45％、所述Al₂O₃为5％～8％、所述CaO为25％～30％，所述造纸白泥中，所述SiO₂为1％～3％、所述Al₂O₃为0.2％～0.8％、所述CaO为45％～55％，所述长石中，所述SiO₂为65％～80％、所述Al₂O₃为13％～15％、所述CaO为1％～3％，所述水泥窑粉尘中，所述SiO₂为6％～8％、所述Al₂O₃为2％～3％、所述CaO为45％～60％。

S2、根据分析结果，调配所述原材料获得掺合料。

进一步地，按质量百分比计，所述掺合料中，所述SiO₂为30％～45％、所述Al₂O₃为6％～15％，所述CaO为30％～40％，其中，所述SiO₂和所述Al₂O₃的质量比为4.5～6.5：1。

进一步地，所述原材料选用所述金属尾矿、所述造纸白泥和所述长石，所述金属尾矿、所述造纸白泥和所述长石按质量比5:3:2进行掺合制备所述掺合料，按质量百分比计，所述掺合料中，所述SiO₂为35％～36％、所述CaO为30％～31％、所述Al₂O₃为6％～8％，所述SiO₂和所述Al₂O₃的质量比为5.65：1。

进一步地，所述原材料选用所述金属尾矿、所述水泥窑粉尘和所述长石，所述金属尾矿、所述水泥窑粉尘和所述长石按质量比5:3:2进行掺合制备所述掺合料，按质量百分比计，所述掺合料中，所述SiO₂为36％～38％、所述CaO为30％～31％、所述Al₂O₃为6％～8％，所述SiO₂和所述Al₂O₃的质量比为5.4：1。

S3、在所述掺合料中加入Na₂CO₃混合均匀，然后煅烧，并立即冷却煅烧后的熔融材料，得到煅烧产物。

进一步地，所述Na₂CO₃在所述掺合料中的质量分数为15％～25％，Na₂CO₃作为固体碱激发剂用于单组分地聚物水泥的制备过程中。随着固体碱激发剂逐渐增加，掺合料中的PH值变大，[OH]^-浓度增加，激活反应加快，但当其达到峰值时，由于反应过于迅速，产物不易扩散，附着在细颗粒表面形成保护膜，反而会阻止反应的进一步发生，因此，优选地，本发明Na₂CO₃在所述掺合料中的质量分数为15％～25％，保证掺合料在该反应条件下具有较快的反应速度。所述煅烧温度为1250℃～1350℃，所述煅烧时间为2.5～3.5小时。经过Na₂CO₃激发并在该煅烧温度下煅烧2.5～3.5小时得到的熔融材料，其在28d养护后的28d立方体抗压强度可达到35～45MPa，具有较好的质量，因此该活化方式为较佳的活化方式。所述熔融材料采用快速空气流冷却，其中，该空气流的流速为0.6～1.5m/s。该方法有效利用空气流，加强和加快对所述熔融材料的冷却，以提高所述单组分地聚物水泥的质量，改善其耐磨性。

S4、对所述煅烧产物进行研磨得到单组分地聚物水泥。

进一步地，将冷却后的所述熔融材料研磨后，筛分得到粒径小于50μm的单组分地聚物水泥，其主要成分为玻璃态材料，且该玻璃态材料中的无定型物的质量分数大于95％。

在所述单组分地聚物水泥中掺加水，加水后搅拌5分钟。所述水与所述单组分地聚物水泥的水固比为0.29～0.31：1。然后将该单组分地聚物水泥装入规格为150cm*150cm*150cm的钢试模中进行养护，养护的相对湿度均为99±1，养护温度为23±2℃，养护时间为24小时。养护后拆模，然后在相同条件下再次养护28天。

养护28天后，所述单组分地聚物水泥的28d立方体抗压强度为35～45MPa，该单组分地聚物水泥的28d立方体抗压强度达到32.5或42.5号水泥强度标准，其3d立方体抗压强度和7d立方体抗压强度分别为28d立方体抗压强度的40％和75％。

本发明制备的单组分地聚物水泥和普通水泥一样，可广泛用于混凝土制备、岩土体灌浆加固、公路或机场跑道快速修复、混凝土预制件构件制作、墙体砌块制作或透水路面砖、路缘石等建材产品的生产原材料。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供的一种单组分地聚物水泥制备方法，包括以下步骤：

(1)掺合料的制备：金属尾矿、造纸白泥和长石的成分组成如表1。根据表1中SiO₂、Al₂O₃和CaO的质量比，按质量百分比计，金属尾矿、造纸白泥和长石分别按50％、30％和20％进行掺合制备掺合料。其中，按质量百分比计，该掺合料中，SiO₂为35.6％，CaO为30.1％，Al₂O₃为6.3％，SiO₂和Al₂O₃的质量比为5.65:1。

表1金属尾矿、造纸白泥和长石成分分析结果(质量比％)

成分	SiO<sub>2</sub>	CaO	MgO	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	SO<sub>3</sub>	Na<sub>2</sub>O	K<sub>2</sub>O	烧失量
										金属尾矿	41.0	28.6	4.0	8.4	6.7	3.1	0.2	0.2	7.8
造纸白泥	2.1	51.3	0.5	0.2	0.5	0.3	0.6	0.9	43.6
										长石	72.3	2.0	0.3	0.9	14.2	0.2	3.1	4.9	2.1

(2)单组分地聚物水泥的制备：在掺合料中掺加Na₂CO₃，该Na₂CO₃在掺合料中的质量分数为25％。掺合料和Na₂CO₃混合均匀后，在1350℃的高温中煅烧2.5小时，将煅烧后的熔融材料立即用快速空气流冷却后研磨，其中，该空气流的流速为1.5m/s。磨细后用50μm的筛子筛分，保留的粒径小于50μm的物质即为单组分地聚物水泥，其成分主要为玻璃态材料，含有95％以上的无定型物。

该实施例获得的单组分地聚物水泥的28d立方体抗压强度为35MPa，该单组分地聚物水泥的28d立方体抗压强度达到32.5号水泥强度标准，其3d立方体抗压强度和7d立方体抗压强度分别为28d立方体抗压强度的40％和75％。其具有便于工程施工、综合性能好和节能环保等优点，可广泛应用于混凝土制备、岩土体灌浆加固、公路或机场跑道快速修复、混凝土预制构件制作、墙体砌块制作以及透水路面砖和路缘石等建材产品的生产原材料。

实施例2

本实施例中提供了一种单组分地聚物水泥制备方法，与实施例1不同之处在于：

步骤(1)中掺合料的制备：金属尾矿、水泥窑粉尘和长石的成分组成如表2。根据表2中SiO₂、Al₂O₃和CaO的质量比，金属尾矿、造纸白泥和长石按5:3:2的质量比掺合制备掺合料。其中，按质量百分比计，该掺合料中，SiO₂为37.2％，CaO为30.6％，Al₂O₃为6.9％，SiO₂和Al₂O₃的质量比为5.4:1。

表2金属尾矿、水泥窑粉尘和长石成分分析结果(质量比％)

该实施例获得的单组分地聚物水泥的28d立方体抗压强度为45MPa，该单组分地聚物水泥的28d立方体抗压强度达到42.5号水泥强度标准，其3d立方体抗压强度和7d立方体抗压强度分别为28d立方体抗压强度的40％和75％。其具有便于工程施工、综合性能好和节能环保等优点，可广泛应用于混凝土制备、岩土体灌浆加固、公路或机场跑道快速修复、混凝土预制构件制作、墙体砌块制作以及透水路面砖和路缘石等建材产品的生产原材料。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。