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CN114426405B - 一种钾水玻璃和碳酸钾激发矿渣-白泥胶凝材料及其使用方法 - Google Patents

一种钾水玻璃和碳酸钾激发矿渣-白泥胶凝材料及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钾水玻璃和碳酸钾激发矿渣‑白泥胶凝材料及其使用方法，钾水玻璃和碳酸钾激发矿渣‑白泥胶凝材料由矿渣、白泥、K2CO3、K2SiO3溶液组成，其力学性能和工作性能均能达到普通硅酸盐水泥的要求，且效果更好，将K2CO3溶于外加水中，搅拌至无色透明得到K2CO3溶液，将其和K2SiO3溶液加入矿渣和白泥复合前驱体中搅拌即可使用，施工方便。本发明研发的钾水玻璃和碳酸钾激发矿渣‑白泥胶凝材料可为白泥的处理消化提供途径，如能将其合理应用，不仅可以减少普通硅酸盐水泥的用量，亦可以将白泥消耗。因此本发明具有良好的经济、社会和环保效益，适合大规模推广应用。

Description

一种钾水玻璃和碳酸钾激发矿渣-白泥胶凝材料及其使用 方法
技术领域
本发明属于固废利用领域，主要是涉及一种钾水玻璃和碳酸钾激发矿渣-白泥胶凝材料及其使用方法。
背景技术
白泥是造纸厂在碱回收过程中产生的一种工业副产品，这种工业副产品的处理方式主要为堆积或者填埋。由于白泥主要成分为氧化钙和碳酸钙，且白泥存在少量的硫化钠、铝、铁化合物及尘埃杂质等，具有含水率大、碱性高等特点。
硅酸钾具有很强的碱性，是作为碱激发胶凝材料激发剂的优质选择，但其并不是天然的，其生产过程对环境有一定的污染。此外，使用硅酸钾作为激发剂制成的碱激发胶凝材料，会表现出工作性差、凝结时间过短、收缩变形较大等缺点，这阻碍了其在实际中的应用。但以硅酸钾作为激发剂的碱激发胶凝材料，其强度发展快，力学性能好。与硅酸钠和硅酸钾激发剂相比，采用碳酸钾作为激发剂，其碱激发水泥的强度发展较为缓慢；但碳酸钾作为一种天然矿物，较容易获得，成本较低。本发明采用硅酸钾和碳酸钾作为碱激发胶凝材料的复合激发剂，可以起到取长补短的作用，使其在性能和成本之间创造良好的平衡。
而白泥的妥当处理是当今急需解决的重大问题，有必要研究开发一种可以对上述白泥进行规模化利用的碱激发复合胶凝材料，以有效缓解由白泥堆积或填埋造成的环境污染以及占用土地的问题。《碱-矿渣水泥的制备》（专利号：CN199410011000.3）介绍了以钠水玻璃为激发剂的碱矿渣胶凝材料制备方法，但以水玻璃作为单一激发剂，其成本较高，且水玻璃的生产过程对环境污染较大。本发明采用复合钾水玻璃和碳酸钾作为复合激发剂，将白泥作为碱激发胶凝材料的重要组分之一，对消耗白泥，保护环境意义重大。
发明内容
当今材料价格逐渐上涨，且消耗的速度也十分迅速，将白泥应用于碱矿渣胶凝材料中，不仅可以减少矿渣的使用量，同时又能消耗白泥，起到很好的节能环保作用，创造良好的经济效益。跟普通硅酸盐水泥相比，碱矿渣-白泥胶凝材料具有节能环保、强度高和价格低等明显优势。
为实现上述目的，本发明的内容如下：
一种钾水玻璃和碳酸钾激发矿渣-白泥胶凝材料，其各组分按照重量百分数计：该胶凝材料由前驱体和复合激发剂组成；前驱体由白泥和矿渣组成，复合激发剂由K2CO3和K2SiO3溶液组成；其中，白泥5%～35%、矿渣65%～95%，两者的重量百分比之和为100%，K2CO3用量为白泥和矿渣两者重量之和的1%～7%，K2SiO3溶液用量为白泥和S95矿渣两者重量之和的9%～28%；K2CO3纯度为99%，K2SiO3溶液固含量为40wt%～50wt%，模数为1.0～2.0。胶凝材料使用时加入适量外加水。
进一步的，矿渣为S95矿渣，比表面积为400～450 m2/kg，密度为2.5～3.0 g/cm3；白泥比表面积为200～250 m2/kg，密度为2.5～3.0 g/cm3。
进一步的，钾水玻璃和碳酸钾激发矿渣-白泥胶凝材料的使用方法，包括以下步骤：外加水的重量为白泥和矿渣两者重量之和的30%～40%，水胶比中的水由外加水和K2SiO3溶液中的水组成；水胶比为0.38～0.45；首先将K2CO3称量好后先溶于外加水中，并搅拌至无色透明得到K2CO3溶液；其次将白泥、矿渣先混合均匀，之后加入标准砂，再加入K2CO3溶液后立即加入K2SiO3溶液搅拌混合成浆体，将其倒入模具中并振动密实；振动密实后在模具表面覆盖一层保鲜膜薄膜，放置一天后拆模，并将试块放置≥95wt%相对湿度和20±2℃的温度下养护至相应龄期，参照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》的实验方法测其抗折强度以及抗压强度。
与现有的常用的碱激发水泥相比较，本发明有益效果为：
（1）矿渣是作为碱激发胶凝材料的优质前驱体之一，但随着矿渣的广泛使用，其价格上涨，而白泥价格低廉，将其应用到碱激发胶凝材料中，可节约成本。且白泥的处理方式主要为堆积或者填埋，对环境造成很大的影响，将其应用到碱激发胶凝材料中，为白泥的处理利用提供了新的思路，能起到了保护环境的作用。
（2）使用硅酸钾作为激发剂制成的碱激发矿渣胶凝材料，硅酸钾中可溶性SiO3 2-会使加快早期反应速率，表现出工作性差、凝结时间过短、收缩变形较大等问题，这阻碍了其在实际中的应用；但采用硅酸钾作为激发剂，所制备的碱激发水泥也具有强度发展快和力学性能好等优点。与硅酸钾激发剂相比，采用碳酸钾作为激发剂制备的碱激发水泥，前驱体（矿渣、白泥）解聚出的Ca2+会先与激发剂提供的CO3 2-反应生成碳酸钙等，当CO3 2-完全消耗后，氢氧化钾激发矿渣和白泥，生成 C-A-S-H 和水滑石等水化产物，这使胶凝材料早龄期的力学性能发展较缓慢，且单独以碳酸钾为激发剂的碱激发水泥，一天内无法成型，但后期力学性能有较大提升。碳酸钾作为一种天然存在的矿物，较为容易获得，成本较低。将两种激发剂复合，克服了钾水玻璃（凝结时间过短）和碳酸钾（前期力学性能发展较缓慢）各自的缺点，提高碱激发水泥的综合性能。而若以强碱（如氢氧化钾、氢氧化钠等）替代碳酸钾再复合硅酸钾作为激发剂，则同样存在凝结时间过短、收缩变形较大的问题。
（3）矿渣活性较高，以矿渣作为前驱体的碱激发胶凝材料具有较好的力学性能；白泥活性较低，很难直接作为前驱体制备碱激发胶凝材料。但采用白泥取代部分碱矿渣水泥前驱体中的矿渣，分散于体系中的白泥可以起到微集料作用，可以使所制备的碱激发胶凝材料满足工程应用要求。
具体实施方式
一下结合具体实验实例对本发明作进一步详细的描述，其主要用来说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本发明实例中采用了白泥、S95矿渣、K2CO3、K2SiO3溶液（固含量为50wt%，模数为1.0）。各组分重量为：按照重量百分数计；矿渣为95%，白泥为5%，两者的重量百分数之和为100%，K2CO3为白泥和S95矿渣两者重量之和的7%， K2SiO3溶液为白泥和S95矿渣两者重量之和的9%，外加水的重量为造纸白泥和S95矿渣两者重量之和的40%。
首先将K2CO3称量好后先溶于外加水中，并搅拌至无色透明得到K2CO3溶液，将白泥与S95矿渣加入水泥砂浆搅拌锅中搅拌1min，之后加入标准砂，胶砂比为1:2，再搅拌1min，而后加入K2CO3溶液立即加入K2SiO3溶液，慢速搅拌1min混合成浆体，最后快速搅拌1min，初凝时间为42min，终凝时间为61min，将其倒入40×40×160mm3的模具中振动密实，振动密实后在模具表面覆盖一层保鲜膜薄膜，放置一天后拆模，拆模后将试块放置≥95wt%相对湿度和20（±2）℃的温度下养护至相应龄期。参照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》的实验方法测其抗压和抗折强度，测得试块28d的抗折强度为4.7 MPa，抗压强度为55.9 MPa。参照JC/T603-2004《水泥胶砂干缩试验方法》测得28d的干燥收缩为1287 με。
实施例2
本发明实例中采用了白泥、S95矿渣、K2CO3、K2SiO3溶液（固含量为46wt%，模数为1.5）。各组分重量为：按照重量百分数计；矿渣为80%，白泥为20%，两者的重量百分数之和为100%，K2CO3为白泥和S95矿渣两者重量之和的5%， K2SiO3溶液为白泥和S95矿渣两者重量之和的14%，外加水的重量为白泥和S95矿渣两者重量之和的37%。
首先将K2CO3称量好后先溶于外加水中，并搅拌至无色透明得到K2CO3溶液，将白泥与S95矿渣加入水泥砂浆搅拌锅中搅拌1min，之后加入标准砂，胶砂比为1:2，再搅拌1min，而后加入K2CO3溶液立即加入K2SiO3溶液，慢速搅拌1min混合成浆体，最后快速搅拌1min，初凝时间为23min，终凝时间为37min，将其倒入40×40×160mm3的模具中振动密实，振动密实后在模具表面覆盖一层保鲜膜薄膜，放置一天后拆模，拆模后将试块放置≥95wt%相对湿度和20（±2）℃的温度下养护至相应龄期。参照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》的实验方法测其抗压和抗折强度，测得试块28d的抗折强度为5.5 MPa，抗压强度为60.5 MPa。参照JC/T603-2004《水泥胶砂干缩试验方法》测得28d的干燥收缩为1579 με。
实施例3
本发明实例中采用了白泥、S95矿渣、K2CO3、K2SiO3溶液（固含量为40wt%，模数为2.0）。各组分重量为：按照重量百分数计，矿渣为65%，白泥为35%，两者的重量百分数之和为100%，K2CO3为白泥和S95矿渣两者重量之和的1%， K2SiO3溶液为白泥和S95矿渣两者重量之和的28%，外加水的重量为白泥和S95矿渣两者重量之和的30%。
首先将K2CO3称量好后先溶于外加水中，并搅拌至无色透明得到K2CO3溶液，将白泥与S95矿渣加入水泥砂浆搅拌锅中搅拌1min，之后加入标准砂，胶砂比为1:2，再搅拌1min，而后加入K2CO3溶液立即加入K2SiO3溶液，慢速搅拌1min混合成浆体，最后快速搅拌1min，初凝时间为15min，终凝时间为30min，将其倒入40×40×160mm3的模具中振动密实，振动密实后在模具表面覆盖一层保鲜膜薄膜，放置一天后拆模，拆模后将试块放置≥95wt%相对湿度和20（±2）℃的温度下养护至相应龄期。参照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》的实验方法测其抗压和抗折强度，测得试块28d的抗折强度为5.8 MPa，抗压强度为68.5 MPa。参照JC/T603-2004《水泥胶砂干缩试验方法》测得28d的干燥收缩为1852 με。
对比例1（不使用K2CO3）
本对比例中采用了白泥、S95矿渣、K2SiO3溶液（固含量为40wt%，模数为2.0）。各组分重量为：按照重量百分数计，矿渣为65%，白泥为35%，两者的重量百分数之和为100%，K2SiO3溶液为白泥和S95矿渣两者重量之和的29%，外加水的重量为白泥和S95矿渣两者重量之和的30%。
将白泥与S95矿渣加入水泥砂浆搅拌锅中搅拌1min，之后加入标准砂，胶砂比为1:2，再搅拌1min，而后加入K2SiO3溶液和外加水，慢速搅拌1min混合成浆体，最后快速搅拌1min，初凝时间为10min，终凝时间为22min，将其倒入40×40×160mm3的模具中振动密实，振动密实后在模具表面覆盖一层保鲜膜薄膜，放置一天后拆模，拆模后将试块放置≥95wt%相对湿度和20（±2）℃的温度下养护至相应龄期。参照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》的实验方法测其抗压和抗折强度，测得试块28d的抗折强度为5.9 MPa，抗压强度为69.4 MPa。参照JC/T603-2004《水泥胶砂干缩试验方法》测得28d的干燥收缩为2468 με。
对比例2（不使用K2SiO3溶液）
本对比例中采用了白泥、S95矿渣、K2CO3。各组分重量为：按照重量百分数计；矿渣为80%，白泥为20%，两者的重量百分数之和为100%，K2CO3为白泥和S95矿渣两者重量之和的10%，外加水的重量为白泥和S95矿渣两者重量之和的40%。
首先将K2CO3称量好后先溶于外加水中，并搅拌至无色透明得到K2CO3溶液，将白泥与S95矿渣加入水泥砂浆搅拌锅中搅拌1min，之后加入标准砂，胶砂比为1:2，再搅拌1min，而后加入K2CO3溶液，慢速搅拌1min混合成浆体，最后快速搅拌1min，将其倒入40×40×160mm3的模具中振动密实，振动密实后在模具表面覆盖一层保鲜膜薄膜，放置一天后无法拆模，试块不能成型。
对比例3（仅使用模数为2.0的Na2SiO3溶液，即钠水玻璃）
本对比例中采用了白泥、S95矿渣、Na2SiO3溶液（固含量为40wt%，模数为2.0）。各组分重量为：按照重量百分数计，矿渣为65%，白泥为35%，两者的重量百分数之和为100%，模数为2.0的Na2SiO3溶液为白泥和S95矿渣两者重量之和的29%，外加水的重量为白泥和S95矿渣两者重量之和的30%。
将白泥与S95矿渣加入水泥砂浆搅拌锅中搅拌1min，之后加入标准砂，胶砂比为1:2，再搅拌1min，而后加入Na2SiO3溶液和外加水，慢速搅拌1min混合成浆体，最后快速搅拌1min，初凝时间为13min，终凝时间为28min，将其倒入40×40×160mm3的模具中振动密实，振动密实后在模具表面覆盖一层保鲜膜薄膜，放置一天后拆模，拆模后将试块放置≥95wt%相对湿度和20（±2）℃的温度下养护至相应龄期。参照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》的实验方法测其抗压和抗折强度，测得试块28d的抗折强度为5.7 MPa，抗压强度为67.7 MPa。参照JC/T603-2004《水泥胶砂干缩试验方法》测得28d的干燥收缩为2250 με。
对比例1中使用K2SiO3溶液（不使用K2CO3）的碱激发造纸白泥-矿渣胶凝材料28d的抗折强度为5.9 MPa，抗压强度为69.4 MPa，28d的干燥收缩为2468 με。对比例3中使用Na2SiO3溶液（不使用K2CO3）的碱激发造纸白泥-矿渣胶凝材料28d的抗折强度为5.7 MPa，抗压强度为67.7MPa，28d的干燥收缩为2250 με。本发明中实施例3采用K2SiO3溶液和K2CO3作为复合激发剂，28d的抗折强度为5.8 MPa，抗压强度为68.5 MPa，28d的干燥收缩为1852 με。虽然它们抗压强度和抗折强度相差不多，但本发明采用复合激发剂保证了一定的强度，同时减少了收缩，也节约了成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种钾水玻璃和碳酸钾激发矿渣-白泥胶凝材料，其特征在于：该胶凝材料由前驱体和复合激发剂组成；前驱体由造纸白泥和矿渣组成，其中白泥5%～35%、矿渣65%～95%，两者的重量百分比之和为100%，复合激发剂由K2CO3固体和K2SiO3溶液组成；K2CO3用量为白泥和矿渣两者重量之和的1%～7%，K2SiO3溶液用量为白泥和矿渣两者重量之和的9%～28%；使用时加入适量外加水；
矿渣为S95矿渣，比表面积为400～450 m2/kg，密度为2.5～3.0 g/cm3；
白泥比表面积为200～250 m2/kg，密度为2.5～3.0 g/cm3；
K2CO3纯度为99%，使用时将其溶于外加水中，搅拌至无色均匀得到K2CO3溶液；
K2SiO3溶液固含量为40wt%～50wt%，模数为1.0～2.0。
2.根据权利要求1所述的钾水玻璃和碳酸钾激发矿渣-白泥胶凝材料的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）外加水的重量为白泥和矿渣两者重量之和的30%～40%，水胶比为0.38～0.45；首先将K2CO3称量好后先溶于外加水中，并搅拌至无色透明得到K2CO3溶液；
（2）将白泥与矿渣加入水泥砂浆搅拌锅中搅拌1min，之后加入标准砂，再搅拌1min，而后加入K2CO3溶液后立即加入K2SiO3溶液，慢速搅拌1min混合成浆体，最后快速搅拌1min，将其倒入模具中振动密实，振动密实后在模具表面覆盖一层保鲜膜薄膜，放置一天后拆模，拆模后将试块放置相对湿度≥95wt%和20 ±2 ℃的温度下养护。
3.根据权利要求2所述的使用方法，其特征在于：水胶比中的水由外加水和K2SiO3溶液中的水组成。
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碱激发造纸白泥-矿渣胶凝材料的实验研究;刘来宝等;《中华纸业》;20130630;第34卷(第12期);第16-19页 *

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