利用粉煤灰生产硅铝胶凝材料及其应用方法.pdf

一种利用粉煤灰生产硅铝胶凝材料及其应用方法。该方法是：将煤矸石破碎、粉磨得到的粉体在500～750℃温度下煅烧0.5～2h，制得煅烧高岭土。将粉煤灰、石灰和煅烧高岭土按照一定比例在球磨机中球磨1～2h即得硅铝胶凝材料粉料，然后密封，包装。按比例混合均匀得到固体外加剂，密封包装。使用时，先将外加剂溶解于水中配制成外加剂溶液(硅铝胶凝材料物料、外加剂用量和水的用量的比例为100∶(5～10)∶(40～50)，然后将外加剂溶液缓慢加入至硅铝胶凝材料粉料中，搅拌均匀后，即可现场浇筑或者成型，然后在常温下(≥20℃)，养护至规定龄期。本发明原料来源广泛，生产成本较低，工艺过程简单，便于实施推广。

1.  一种硅铝胶凝材料，其特征在于，生产该胶凝材料的粉料是以下述重量配比的组分为原料，经混合、球磨而成的粉料：
粉煤灰        50～70重量份
煅烧高岭土    10～20重量份
生石灰        10～20重量份
其中，所述的煅烧高岭土为煤矸石在550～750℃条件下煅烧0.5～2.0h而得到；上述经混合、球磨得到的粉料的比表面积为500～800m²/kg。

2.  根据权利要求1所述的硅铝胶凝材料，其特征在于，相对于混合料的总重量，粒度达到-325目的混合料＞90wt％。

3.  一种权利要求1所述的硅铝胶凝材料的应用方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
(1)制备外加剂：以质量份数计，A、B、C三种原料按(1～9)∶(0.01～0.99)∶(0.01～0.99)的比例混合均匀。其中，A指NaOH或/和KOH，B指木质磺酸钙或/和三乙醇胺，C指硅酸钠。
(2)将上述步骤(1)得到的外加剂充分溶解于水中制成外加剂溶液，然后将制得的外加剂溶液缓缓加入到权利要求1所述的硅铝胶凝材料粉料中，搅拌2-4分钟后浇筑或者成型，在常温下养护至规定龄期。

4.  根据权利要求3所述的硅铝胶凝材料的应用方法，其特征在于，在所述的步骤(2)中，按比例配制得到的外加剂溶液的pH≥14。

5.  根据权利要求3所述的硅铝胶凝材料的应用方法，其特征在于，在所述的步骤(2)中，硅铝胶凝材料物料、外加剂的质量和水的质量的比例为100∶(5～10)∶(40～50)。

6.  根据权利要求3所述的硅铝胶凝材料的应用方法中，其特征在于，在所述的步骤(2)中，在所述的浇筑或者成型之后进行养护，养护温度为20～36℃。

利用粉煤灰生产硅铝胶凝材料及其应用方法
技术领域
本发明涉及一种硅铝胶凝材料及其生产工艺和应用方法。
背景技术
硅铝胶凝材料是以矿物聚合材料理论为基础的一种新型无机非金属材料。传统的水泥行业，由于其在生产过程中需要消耗大量的资源和能源，并且排放大量的温室气体和固体粉尘，在环境问题日渐受到重视的今天，它面临着巨大的挑战。因此，生产绿色胶凝材料是当前的一种必需，更是该行业可持续发展的首选之路。目前，燃煤电厂固体废物粉煤灰大量排放，其中大部分得不到有效的利用而被堆存起来，既占用了大量土地，又造成了灰场附近大气环境和地下水的严重污染。由于粉煤灰的火山灰活性较低，国内外利用粉煤灰为主要原料生产胶凝材料通常需要在60～120℃温度条件下养护来获得强度，因而不宜直接用于现场施工，推广起来难度很大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种力学强度较高，可用于土壤固化、公路基层建设、渠道护坡等工程的硅铝胶凝材料。
本发明的另一个目的在于提供一种利用粉煤灰为主要原料，在常温条件下养护，生产硅铝胶凝材料制品。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种硅铝胶凝材料，其特征在于，生产该胶凝材料的粉料是以下述重量配比的组分为原料，经混合、球磨而成的粉料：
粉煤灰        50～70重量份
煅烧高岭土    10～20重量份
生石灰        10～20重量份
其中，所述的煅烧高岭土为煤矸石在550～750℃条件下煅烧0.5～2.0h而得到；上述经混合、球磨得到的粉料的比表面积为500～800m²/kg。
本发明的硅铝胶凝材料，其机理特征在于它以粉煤灰为主要原料，在碱硅酸盐等外加剂溶液的作用下，制备出力学强度较高，可用于土壤固化、公路基层建设、渠道护坡等工程的胶凝材料。
在本发明的硅铝胶凝材料中，相对于混合料的总重量，粒度达到-325目的混合料＞90wt％。
本发明的生产硅铝胶凝材料的工艺方法的目的可以通过如下技术措施来实现：
生产硅铝胶凝材料的方法包括如下步骤：
(1)制备外加剂：以质量份数计，A、B、C三种原料按(1～9)∶(0.01～0.99)∶(0.01～0.99)的比例混合均匀，密封、包装、封存。其中外加剂A指NaOH或/和KOH，B指木质磺酸钙或/和三乙醇胺，C指硅酸钠。
(2)制备硅铝胶凝材料粉料：煤矸石在550～750℃条件下煅烧，得到煅烧高岭土。以质量份数计，将粉煤灰50～70份，煅烧高岭土10～20份，生石灰10～20份，置于球磨机中混合、球磨。所得混合物料的比表面积为500～800m²/kg。将球磨得到的粉料密封、包装、封存，即为硅铝胶凝材料粉料。
(3)硅铝胶凝材料的应用方法：将步骤(1)得到的外加剂加入至水中充分溶解，得到外加剂溶液；将外加剂溶液缓慢加入到步骤(2)得到的硅铝胶凝材料粉料中，搅拌2～4分钟，即可浇筑或者成型，室温下养护至标准龄期。
在本发明中的硅铝胶凝材料制备方法步骤中，生石灰为一级钙质石灰。
在本发明中的硅铝胶凝材料制备方法步骤中，所述的煤矸石的煅烧时间优选为0.5～2.0h。
在本发明中的硅铝胶凝材料制备方法步骤中，所述的粉煤灰是低钙粉煤灰，即CaO≤10wt％。
在本发明中的硅铝胶凝材料制备方法步骤中，所述的胶凝材料粉料在球磨后，粉料粒度要求达到-325目＞90％。
在本发明中的硅铝胶凝材料制备方法步骤中，所述胶凝材料粉体在运输与贮存时，不得受潮或混入杂物。
在本发明中的硅铝胶凝材料应用步骤中，硅铝胶凝材料物料、外加剂的质量和水的质量的比例为100∶(5～10)∶(40～50)。
在本发明中的外加剂溶液的配制时，要求制成的外加剂溶液的pH≥14。
在本发明中的硅铝胶凝材料应用步骤中，其后期养护温度不低于20℃。
硅铝胶凝材料是以矿物聚合材料为理论基础的，它主要由粉煤灰离子在碱硅酸盐等外加剂的溶液作用下，反应生成游离的[AlO₄]和[SiO₄]四面体相互交联形成空间网络，通过阳离子(Na⁺，K⁺，Li⁺，Ca²⁺，Ba²⁺，NH₄⁺或H₃O⁺)达到电荷平衡。随着反应的进行和水分的蒸发，材料产生强度，逐渐硬化。其胶凝体系反应历程可分为如下几个步骤：
(1)在球磨过程中，粉煤灰颗粒表面的硅氧和铝氧键在机械力的冲击下发生断裂，比表面积增大，粉煤灰的反应活性得到提高。
(2)在外加剂溶液的作用下，粉煤灰等硅铝质原料中硅氧键被破坏，从而解聚，形成低聚体，同时石灰原料中的CaO与水反应：
CaO+H₂O→Ca(OH)₂

(3)体系中低聚体脱水形成高聚体，CaO与硅酸根阴离子团及溶解出的铝酸根阴离子团反应，生成水化硅酸钙凝胶和水化铝酸钙凝胶。

2CaO+FA(粉煤灰)+2H₂O→2Ca²⁺+SiO₂(活性)+4OH^-→C-S-H
2CaO+FA(粉煤灰)+2H₂O→2Ca²⁺+Al₂O₃(活性)+4OH^-→C-A-H
(4)高聚体继续发生聚合反应形成聚合物骨架，制品的力学强度逐渐形成；体系中的Ca²⁺可以激发多硅铝酸盐网络的形成和基体相的硬化；在养护过程中，形成的水化硅酸钙凝胶和水化铝酸钙凝胶等非晶体，会逐渐结晶转变为沸石相，从而能够获得更高的力学强度。
本发明的优点是：
(1)在常温(≥20℃)条件下，利用粉煤灰等硅铝质原料在外加剂溶液作用下发生的聚合反应，生成具有较高强度的胶凝材料，为粉煤灰的减量化和资源化合理利用开辟了新的途径。
(2)本发明制备铝硅胶凝材料的养护是在常温条件下完成，切合当前现场施工的习惯；生产过程中条件温和，环境污染小，温室气体CO₂排放量小，无粉尘和废水排放，材料的综合能源消耗和生产成本得到显著降低。
(3)本发明制备的胶凝材料制品力学性能优良，早期强度发展较快，其3d抗压强度为10～20MPa，28d抗压强度可达标号325硅酸盐水泥标准。
(4)本发明的主要原料为燃煤电厂固体废物粉煤灰，原料供应充足且价格低廉；生产和应用流程简洁，实施推广方便；工艺的社会和环境效益显著，市场潜力大且经济效益好。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：将KOH、木质磺酸钙和硅酸钠按5∶0.1∶0.5的比例混合均匀，制得外加剂。煤矸石经鄂式破碎机破碎、球磨机粉磨后，得到煤矸石粉体，煤矸石粉体在650℃温度下煅烧2h，得到煅烧高岭土。将粉煤灰、煅烧高岭土和生石灰按照7∶1∶2的比例(质量比)混合球磨1.5h，得到的粉体物料的比表面积为600m²/kg。将外加剂充分溶解于水中配制成外加剂溶液，硅铝胶凝材料物料、外加剂用量和水的用量的比例为100∶8∶45，进行胶砂实验。把各种原料进行混合，搅拌均匀后，即得硅铝胶凝材料制品。具体方法参见GB/T17671-1999。经测定，3d胶砂抗压强度为14MPa，28d胶砂抗压强度为33MPa，达到了325标号硅酸盐水泥标准的要求。初凝时间和终凝时间分别为1h和11h。