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  廢渣硅鋁基無機礦物聚合材料建材制品性能試驗研究

http://www.wgibu.tw   發布時間:2012.9.14  訪問3090次
 
 
  

廢渣硅鋁基無機礦物聚合材料建材制品性能試驗研究

杜世永

摘要:闡述了廢渣硅鋁基無機礦物聚合材料的物理化學基礎,無機礦物聚合材料的強度、抗滲、抗凍、耐熱、耐化學侵蝕性能特點及研究開發該產品的成功案例、經濟效益和社會效益。介紹國際國內發展的情況和國內開發應用及展望。

關鍵詞:廢渣基、無機礦物聚合材料、粉煤灰、復合外加劑

 

無機礦物聚合材料這一名詞是法國Davidovits教授在1991提出來的,是以燒粘土、礦渣等為主要原料,在激發劑和促硬劑的作用下所得到的一種新型材料,無機礦物聚合原料中的硅鋁氧化物在土聚反應過程中經歷了一個由解聚到再聚合的過程,形成了與地殼中大量存在的類沸石結構,這種結構具有強度高、耐久性好等優點。

一、無機礦物聚合材料的物理化學基礎

無機礦物聚合材料是以堿金屬、堿土金屬的碳酸鹽、硫酸鹽和硅酸鹽化合物作為激發劑來激發粉煤灰、礦渣的活性,得到強度高、穩定性好的水硬性膠凝材料。這種化合物在水中有很高的溶解度,使液相有較高的OHOH與礦渣中的SiOSi作用,使SiO鍵斷裂,促進SiO2的溶解。其過程為:

OH

OSiOSi――SiO+SiOH

SiO+ OH OSiOH

堿化合物對于AIOAI鍵也有同樣效果。當有Ca2+Na+存在時,

SiO+Ca2+SiOCa

SiOCa+OHSiOCaOH

    并且-SiOCaOH+OSiOH→SiOSi+Ca(OH)2

    隨著鈣、硅離子從礦渣中大量溶出,水泥漿體溶液內鈣、硅離子的濃度超過水化硅酸鈣的溶解度,使CSH凝膠成核、晶體長大。堿金屬離子除了在水化初期起破壞硅氧鍵的催化劑作用外,后期還與Me3+ 一起形成沸石類水化產物。

無機礦物聚合膠凝材料的水化產物主要有:低堿度CSH凝膠(一般CS1)﹔堿土鋁硅酸鹽水化物和堿-堿土鋁硅酸鹽水化物;沸石類:方鈉3Na2OAl2O32SiO22NaCl, 鈉沸石Na2OAl2O33SiO22H2O,桿沸石Na2O4CaO5Al2O310SiO212H2O;霞石、長石類,水霞石R20Al2O32SiO2nH2O ,鈉云母Na2O3Al2O36SiO2nH2O,等等。

這些水化產物的細微晶體不僅具有很高的強度,在熱力學上也很穩定,極難溶于水,并且大多與自然界中鈉、鉀-鈣-鋁硅酸鹽礦物的組成、結構及形成過程很相似,因而非常穩定。 

二、無機礦物聚合材料的性能特點 

無機礦物聚合材料的性能與常用的硅酸鹽水泥相比,具有以下幾方面特點。技術性能好強度高,特別是早期強度高

無機礦物聚合材料的抗壓強度1d可達68MPa3d可達96MPa28d強度可達150MPa,其后期強度還會繼續增長。而硅酸鹽水泥等28d抗壓強度最高僅為80MPa左右。

水化熱低

由于堿金屬R+的水化能僅為堿土金屬R2+27,所以無機礦物聚合膠凝材料的水化熱比硅酸水泥低的多,僅為其12左右,尤其適合大體積混凝土。

抗滲性好

無機礦物聚合材料水化后空隙率與硅酸水泥相當,但其毛細孔率較低,凝膠孔的孔隙率較高,特別是其中孔徑大于2μm的毛細孔率僅為0.3%,而硅酸鹽水泥為6.2%,因而其抗滲性良好。無機礦物聚合膠凝材料的抗滲標號為S40以上,而硅酸鹽水泥僅為S2S12

抗凍性好

由于無機礦物聚合材料的孔隙大多為膠孔,且孔內堿溶液的冰點低,開始凍脹破壞的最低溫度為-50℃,因此能耐4001000次凍融循環;而硅酸水泥僅為-15℃,凍融循環在300次以下。無機礦物聚合材料不僅可在05℃施工,還能在5~-15℃低溫下較好的硬化。

耐熱性好

無機礦物聚合材料耐熱混凝土可耐熱3001600℃,抗壓強度30110MPa,熱穩定性大于20次冷熱循環(殘余強度為原始強度的80%140%),重燒線收縮率0.4%1.0%。與硅酸水泥相比,還可縮短施工周期12,使用壽命提高12倍,后者通常不作為耐熱混凝土的膠結料。 

抗化學侵蝕性能優良

在海水中放置1年后,硅酸鹽水泥混凝土強度較低,無機礦物聚合材料混凝土強度反而提高。在1%MgSO4溶液中1年以后,硅酸鹽水泥混凝土被破壞,無機礦物聚合材料混凝土強度提高(抗硫酸鹽侵蝕系數KC120.9);在稀酸中1年后,無機礦物聚合材料混凝土強度不變,硅酸鹽水泥混凝土36個月即被破壞。

工作性和耐久性好

其標準稠度需水量少,僅為1721%,混凝土塌落度可達200250毫米。由于礦渣溶解于無機礦物聚合材料的基質中,生成(Ca.K)(OSiAlSiAlO)三維網絡結構,把堿固結于結構中,因此,不易產生堿-集料反應。另外還有良好的抗碳化性能。由于OH-的鈍化作用,能有效的抑制鋼筋銹蝕。此外,混凝土與鋼筋的粘結力比同標號的硅酸鹽混凝土高15%30%,并且具有良好的耐磨性和護筋能力,因而其耐久性大大優于硅酸鹽水泥。

經濟效益顯著

無機礦物聚合材料生產工藝簡單,建造同樣規模的無機礦物聚合材料廠的基建投資僅為硅酸鹽水泥廠的1030%。充分利用資源、節約能源、降低成本。與62.5mpa硅酸鹽水泥相比無機礦物聚合材料的成本只需前者的50%,煤耗低70%,電耗低50%

無機礦物聚合材料的水化特點決定了它可以使用硅酸鹽水泥混凝土中不能使用的集料。可以采用細沙、輕質亞沙土、各種選礦過程的尾礦作為細集料,采用砂礫石﹑冶金工業的加工尾礦作粗集料,還可以使用含泥率達5%,石粉達20%的非標準集料。因而能充分利用地方原料擴大混凝土原料來源,減少運輸量,降低混凝土成本。

由于無機礦物聚合材料的強度提高,可以減少構件尺寸,減少建筑材料用量和運輸量,由于它硬化快,早期強度高,可以加速模板周轉和施工進度,提高建設效率。由于其抗滲性﹑抗凍性﹑抗蝕性好,可以降低維護作用,延長建筑物使用壽命。

社會效益良好

無機礦物聚合材料能大量利用各種固體廢渣,并且本身不產生新的環境污染,符合實施“可持續發展戰略”的要求。無機礦物材料的原材料來源廣泛,凡事CA0.52.0AS0.10.6的礦渣都可以使用;不能作為硅酸鹽水泥混合材的酸性﹑超酸性礦渣也可以使用。此外,赤泥﹑電熱磷渣﹑鋼渣﹑粉煤灰以及冶煉有色金屬的爐渣等工業廢渣都可以作為其原料。還可以使用火山灰﹑沸石等天然礦物作為其主要原料,可以使用劣質粗﹑細集料配制混凝土,有利于自然資源的合理利用。

生產無機礦物聚合材料過程中,一般不需要高溫燒成,不排放CO2SO2NOX等污染環境的有害氣體。所有這些對于加強環境保護,維持生態平衡都具有重要意義。

三、無機礦物聚合材料可利用的固體廢渣

1、粉煤灰

    2、煤渣

    3、煤矸石

    4、建筑垃圾

    5、高爐水淬礦渣

    6、鋼渣

    7、磷渣

    8、赤泥

    9、鎂渣  

    10、電石渣

    11、磷石膏

    12、脫硫石膏

13、鐵尾礦和黃金、鋁、銅等多種尾礦

四、無機礦物聚合材料FKWJ系列復合外加劑

1FKWJ系列復合外加劑的組成

FKWJ系列復合外加劑主要由堿金屬堿土金屬的碳酸鹽、硫酸鹽和硅酸鹽組成。

2、用途

主要用于激發粉煤灰、礦渣、磷渣、煤渣、鎂渣、赤泥、鋼渣等固體廢渣和偏高嶺土、廢磚瓦等的活性,進而形成生態型膠凝材料。

五、無機礦物聚合材料研究開發應用現狀及展望

國外開發應用情況

由于無機礦物聚合材料優異的性能、良好的經濟效益和社會效益,成為近年來世界各國竟相研究開發的熱門課題之一。

無機礦物聚合材料這一名詞是法國Davidovits教授在1991提出來的,是以燒粘土、礦渣等為主要原料,在激發劑和促硬劑的作用下所得到的一種新型材料。無機礦物聚合材料中的硅鋁氧化物在土聚反應過程中經歷了一個由解聚到再聚的過程,形成了與地殼中大量存在的沸石結構,這種結構具有強度高、耐久性好等優點。在歐美申請330多項專利。

前蘇聯及烏克蘭在無機礦物聚合材料的研究開發方面處于時間領先水平。從1958年起試生產無機礦物聚合材料的建筑構件,60年代初期開始批量生產。在1980~1995,頒發了30多個有關標準,內容涉及其原材料生產工藝過程、混凝土、結構與設計,推薦使用于抗滲、耐熱、侵蝕性、有機物環境等特種領域,使無機礦物聚合材料的生產、設計、應用規范化。無機礦物聚合材料的生產和應用得到很大發展,廣泛用于建造房屋、廠房、道路、市政工程和水利工程。僅1993年前蘇聯地區就生產了200多萬m3無機礦物聚合材料混凝土構件。19881993年,全部使用無機礦物聚合材料建造3220層高的住宅樓。每橦建筑面積5105m2,有80套住房的建筑,使用無機礦物聚合材料混凝土25379.9m3,標志著無機礦物聚合材料完全可以取代硅酸鹽水泥用于重大建筑工程。

法國、美國、加拿大、波蘭、荷蘭(1981年)、盧森堡、比利時、印度(1979年)都在無機礦物聚合材料的研發方面取得了重大成果。

前蘇聯1988229日,美國1992年公開了這類無機礦物聚合物的專利。1994年荷蘭佛·伊姆拉瑪爾在《國際水泥評論》雜志(2月號)發表了這方面的論文。

國內開發應用及展望

    我國從80年代開始進行無機礦物聚合材料的研究開發。并且用無機礦物聚合材料批量生產了預應力、非預應力的建筑構件,用于建設工廠、學校等實際工程。研制的礦渣-鋼渣磚投入批量生產,激發劑-礦渣-沸石水泥用于廢料處理。

我從1977年開始研究利用粉煤灰渣生產環保節能建筑材料。1994年我利用粉煤灰、造氣爐渣、礦渣為主要原料,復合型化工原料為激發劑,研制成功了無機礦物聚合材料磚,抗壓強度達33.8Mpa,抗折強度達4.9Mpa。一經檢驗開封市產品質量監督檢驗所就簽發了一年的合格證。

2007年,在新疆,我利用粉煤灰、電石渣、礦渣為主要原料,用我研制的FKWJ復合外加劑,大批量的生產了無機礦物聚合材料多孔磚,經新疆自治區有關部門歷時三年包括砌體試驗在內的各種檢測全部合格。于2010512日新疆維吾爾自治區建設廳科學技術處簽定為:同意該產品按照燒結普通磚、燒結多孔磚的強度等級應用,設計和驗收。

新疆生產建設兵團,新疆石河子市人民政府、農八師分別授于我科學進步二、三等獎。

2010年,在內蒙,我利用粉煤灰、電石渣、礦渣為主要原料,用我研制的FAWKj系列復合外加劑,大批量的生產了無機礦物聚合材料免燒陶粒和輕質自保溫砌塊,經內蒙古自治區有關部門檢測,內蒙古自治區已批準在內蒙古自治區大力推廣應用。

2011,我們利用粉煤灰,礦渣,陶瓷廢料,黃金尾礦,鐵尾礦等廢渣為主要原料,用我們研制的FWkj系列復合激活增強外加劑,大批量的生產了無機礦物聚合材料非煅燒輕集料,用這種非鍛燒輕集料生產輕集料混凝土實心,空心和發泡混凝土復合自保溫內外墻板。四方代凹凸連接槽的輕集料混凝土實心,空心和發泡混凝土的新型抗震,防裂,高強,砌筑快捷,省工省料的復合自保溫新型砌塊。這種新型自保溫砌塊以混合砂漿將四方凹凸槽榫連接后,墻體結構堅固耐久,再以U型卡將每層砌塊固定于框架上連成一個整體,因此建筑物抵抗地震和臺風等自然災害的性能優于普通混凝土和加氣混凝土砌塊。在砌筑工藝上采用交叉壓縫安裝,每遇轉角和T型連接處,鋪于不等邊的T型和L型砌塊壓縫連接,建筑物的保溫節能,隔音隔熱,高強耐久等整體性能,優于一般傳統的砌塊和輕質墻板。受到國內外專家和客戶的一致好評,并遠銷羅馬尼亞和印度尼西亞等國家。

但是由于我們的研究開發工作還不夠系統深入,加上無機礦物聚合材料的原料來源廣、組成與性能差異大,使得無機礦物聚合材料的性能穩定性不夠,并且缺乏必要的國家標準和技術標準來規范無機礦物聚合材料的生產、設計和應用,使得無機礦物聚合材料在我國還沒有廣泛應用。我們將努力向同行的專家教授學習,進一步深入研究開發無機礦物聚合材料,使無機礦物聚合材料在我國得到很大發展。

 參考文獻

1、王宙 王晴 丁兆洋等、養護制度對礦渣基無機礦物聚合材料力學性能的影響新型建筑材料201081113

2、楊立信、國外堿性粉煤灰膠潔料研究、粉煤灰綜合利用199964951

3、陳建華、寶詳、奚新國、堿膠凝材料,新型建筑材料  19996 2829

4、淑萍 、彭小芹、李昶等廢輪胎橡膠粉改性地聚物水泥砂漿路用性能研究  新型建筑材料  2010127376

 

            

 

            

 

            

 
 
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