一种地聚物胶凝材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种地聚物胶凝材料及其制备方法。该地聚物胶凝材料以高岭土和提取铁后的赤泥为主要原料制得。本发明工艺简单，需要设备少，可以大量处理赤泥，成本低廉，可推广性强，受环境影响小，且制得的地聚物胶凝材料具有较好的力学性能，其它特性指标也与偏高岭土地聚物基本相当甚至更好，利用提取铁后的赤泥代替部分偏高岭土制备地聚物对提高赤泥综合利用程度具有重大的意义。
【专利说明】一种地聚物胶凝材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无机胶凝材料【技术领域】，特别涉及一种地聚物胶凝材料及其制备方 法。
【背景技术】
[0002] 赤泥又称红泥，是制铝工业中从铝土矿提取氧化铝以后剩下的不溶性并有污染 性的废渣，一般平均每生产It氧化铝，就附带排放l.(T2.0t的赤泥。随着铝工业的发 展，赤泥的排放量日益增加，据估计，全世界氧化铝工业每年产生的赤泥超过6 X 107t，2010 年达450(Γ5000万吨，累计赤泥堆积量已达几亿吨。我国采取筑坝、湿法堆存、干法堆存等 方法处理赤泥，不仅占用了大量土地，而且使得大量的废碱液渗透到附近农田，造成土壤碱 化、沼泽化，并污染地表地下水源。
[0003] 目前，因资源紧缺、环境保护日益重要的当今社会，赤泥回收利用及其综合治理已 经成为热点问题。将赤泥代替部分硅酸盐制备各种工业用品引起人们关泛的关注，尤其是 利用赤泥代替部分偏高岭土或粉煤灰制备地聚物胶凝材料，更是引起了科学工作者的极大 关注。其主要原因有两个：①地聚物是一种由碱激发硅铝质材料形成的胶凝材料，其由于 在制备过程中生成[Si04]t四面体和[Α104] 5-四面体中间体，然后发生缩聚反应而生成新 的-〇-Si-〇-Al-〇-的无机聚合物网络结构胶凝材料，与普通硅酸盐胶凝材料相比，具有力 学性能更好、早期强度高、原料来源广、工艺简单、节约能源和环境污染小（基本不排放C0 2) 等优点，是一种环保水泥，是近年来国际上研究非常活跃的材料之一。②赤泥主要化学成分 中含有Si0 2、CaO、Fe203、A1203、Na 20、Ti02、K20等，尤其Si02、A120 3的含量比较高、故它具有 制备地聚物胶凝材料所需要的主要成分。此外，其含碱性，可以进一步增强制备地聚物胶凝 材料过程中所需碱激发剂的功能。因此，研究利用赤泥代替部分偏高岭土制备地聚物胶凝 材料，对赤泥的综合利用具有很重要的意义。
[0004] 在国外，对赤泥制备地聚物胶凝材料的研究更为深入，在21世纪初期，W. Hajjaji 等就设想通过赤泥和偏高岭土为原料，以硅酸钠/NaOH为激发剂制备地聚物胶凝材料，并 通过实验发现在地聚物胶凝材料中赤泥的最高含量可达25%，并且赤泥的含量不影响地聚 物胶凝材料的物理特性，所制得的地聚物胶凝材料的化学性能稳定，并且偏高岭土 /赤泥 所制的产物具有偏高岭土相似的吸水率和密度，证明利用赤泥代替部分偏高岭土的可行 性。Anuj Kumar等则通过以拜耳法赤泥粉煤灰制备地聚物胶凝材料，并发现用10%和20% 赤泥所制得地地聚物胶凝材料--铺路砖时，这些砖块满足IS 15658 :2006标准，并且有 毒金属浸出量在允许的范围内，证明赤泥可以有更广阔的使用空间。Jian He等以两种工业 废料，赤泥（RM)和新型无机聚合物复合材料--稻壳灰（RHA)制备地聚物胶凝材料，经研究 发现合成RM-RHA地聚物是一种复合纯无机聚合物粘合剂和其他阶段的填料，其抗压强度 高达20. 5MPa，表明该RM-RHA地聚物胶凝材料可以是潜在的水泥建筑材料。
[0005] 对于地聚合物形成机理的研究始于1986年，但其结构形成过程的规律、特点、聚 缩产物的形成条件、机理仍不清楚，更难以定量分析。而对以赤泥作为原料之一制备赤泥/ 偏高岭土地聚物材料的研究则开始的比较晚，在20世纪90年代才起步，到21世纪初才开 始着重研究。就目前而言，对赤泥的性质研究、赤泥掺量对地聚物性能的影响还不清楚，其 最佳赤泥/偏高岭土配比并没有清晰地描述，此外，掺入赤泥对所制得的地聚物水化和耐 热性的影响也不明确，同时赤泥中铁含量普遍较高，因此从赤泥中回收铁是提高赤泥综合 利用程度的重要工艺，但除铁后的赤泥对地聚物的影响研究较少，无明确的结论。
[0006] 为解决上述前人研究工作中存在的问题，本发明围绕提取铁后的赤泥制备地聚物 胶凝材料开展研究，本思路未见文献报道，对拓展赤泥综合利用范围具有积极的意义。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种地聚物胶凝材料及其制备方法。
[0008] 本发明的地聚物胶凝材料以高岭土和提取铁后的赤泥为主要原料制得。
[0009] 制备上述地聚物胶凝材料的具体步骤为： (1)制备水玻璃溶液 向模数为3. 26,固含量ω =36. 35%，密度P =1. 40g/mL的市售工业级水玻璃中加入氢氧 化钠制得模数为1. 2~1. 7的水玻璃溶液。
[0010] (2)高岭土制备活性偏高岭土 将较大颗粒的高岭土研磨成细粉，在马弗炉中于600°C条件下焙烧6小时，制得偏高岭 土，待其冷却后，通过密封式研磨机研磨成细粉，即为活性偏高岭土，装袋待用。
[0011] (3)制备地聚物胶凝材料 a.按照水玻璃掺量为ΚΓ30%、水灰比为0. 3~0. 4以及赤泥与活性偏高岭土质量比为 0.2~0. 3,称取步骤（1)制得的水玻璃溶液、步骤（2)制得的活性偏高岭土、额外加水和赤 泥；所述水玻璃掺量为所添加的步骤（1)制得的水玻璃溶液与步骤（2)制得的活性偏高岭 土的质量百分数，水灰比为水与步骤（2)制得的活性偏高岭土的质量比，水为额外加水、水 玻璃溶液中的水和氢氧化钠转化为氧化钠所脱的水三者之和。
[0012] b.将步骤（3)第a步称取的额外加水加入到步骤（3)第a步称取的水玻璃溶液 中，搅拌混合均匀，冷却，制得溶液备用。
[0013] c.将步骤（3)第a步称取的活性偏高岭土和赤泥放入搅拌锅中，启动砂浆搅拌机 进行搅拌，当搅拌均匀后，开始缓慢加入步骤（3)第b步制得的溶液，搅拌混合，当浆料的稀 稠度适合时停止搅拌，即制得地聚物浆料。
[0014] d.将步骤⑶第c步制得的地聚物楽料装入4cmX4cmX 16cm的模具中，并放于振 实台上振荡成型，在室温条件下养护一天，待试样硬化后脱模，将脱模后的样品在50°C下继 续养护7天，即制得地聚物胶凝材料。
[0015] 所述1?岭土为工业级；赤泥为提取铁后的赤泥，该赤泥中Fe203的质量百分比含量 低于6%。
[0016] 本发明工艺简单，需要设备少，可以大量处理赤泥，成本低廉，可推广性强，受环境 影响小，且制得的地聚物胶凝材料具有较好的力学性能，其它特性指标也与偏高岭土地聚 物基本相当甚至更好，利用提取铁后的赤泥代替部分偏1?岭土制备地聚物对提1?赤泥综合 利用程度具有重大的意义。
【具体实施方式】
[0017] 实施例： (1)制备水玻璃溶液 向模数为3. 26,固含量ω =36. 35%，密度P =1. 40g/mL的市售工业级水玻璃中加入氢氧 化钠制得模数为1. 5的水玻璃溶液。
[0018] (2)高岭土制备活性偏高岭土 将较大颗粒的高岭土研磨成细粉，在马弗炉中于600°C条件下焙烧6小时，制得偏高岭 土，待其冷却后，通过密封式研磨机研磨成细粉，即为活性偏高岭土，装袋待用。
[0019] (3)地聚物胶凝材料制备 a.按照水玻璃掺量为20%、水灰比为0. 33以及赤泥与活性偏高岭土质量比为0. 25,称 取步骤（1)制得的水玻璃溶液、步骤（2)制得的活性偏高岭土、额外加水和赤泥；所述水玻 璃掺量为所添加的步骤（1)制得的水玻璃溶液与步骤（2)制得的活性偏高岭土的质量百分 数，水灰比为水与步骤（2)制得的活性偏高岭土的质量比，水为额外加水、水玻璃溶液中的 水和氢氧化钠转化为氧化钠所脱的水三者之和。
[0020] b.将步骤⑶第a步称取的额外加水加入到步骤⑶第a步称取的水玻璃溶液 中，搅拌混合均匀，冷却，制得溶液备用。
[0021] C.将步骤（3)第a步称取的活性偏高岭土和赤泥放入搅拌锅中，启动砂浆搅拌机 进行搅拌，当搅拌均匀后，开始缓慢加入步骤（3)第b步制得的溶液，搅拌混合，当浆料的稀 稠度适合时停止搅拌，即制得地聚物浆料。
[0022] d.将步骤⑶第c步制得的地聚物楽料装入4cm X 4cm X 16cm的模具中，并放于振 实台上振荡成型，在室温条件下养护一天，待试样硬化后脱模，将脱模后的样品在50°C下继 续养护7天，即制得地聚物胶凝材料。
[0023] 所述1?岭土为工业级；赤泥为提取铁后的赤泥，该赤泥中Fe203的质量百分比含量 为4%。
[0024] 本实施例制得的地聚物胶凝材料的强度达到67. IMPa，此外在该配方比例下其物 理性能也是最好，对应的吸水率、容积密度分别为1073. lkg/m3和1.897kg/m2,这说明用提 取铁后的赤泥代替部分偏高岭土制得的地聚物的性能达到国家标准，也就是说经回收铁的 赤泥还可继续用于制备地聚物，为提高赤泥的综合利用提供新的途径。
【权利要求】
1. 一种地聚物胶凝材料，其特征在于该地聚物胶凝材料以高岭土和提取铁后的赤泥为 主要原料制得。
2. 根据权利要求1所述的地聚物胶凝材料的制备方法，其特征在于具体步骤为： (1) 制备水玻璃溶液 向模数为3. 26,固含量ω =36. 35%，密度P =1. 40g/mL的市售工业级水玻璃中加入氢氧 化钠制得模数为1. 2~1. 7的水玻璃溶液； (2) 高岭土制备活性偏高岭土 将较大颗粒的高岭土研磨成细粉，在马弗炉中于600°C条件下焙烧6小时，制得偏高岭 土，待其冷却后，通过密封式研磨机研磨成细粉，即为活性偏高岭土，装袋待用； (3) 制备地聚物胶凝材料 a. 按照水玻璃掺量为ΚΓ30%、水灰比为0. 3~0. 4以及赤泥与活性偏高岭土质量比为 0.2~0. 3,称取步骤（1)制得的水玻璃溶液、步骤（2)制得的活性偏高岭土、额外加水和赤 泥；所述水玻璃掺量为所添加的步骤（1)制得的水玻璃溶液与步骤（2)制得的活性偏高岭 土的质量百分数，水灰比为水与步骤（2)制得的活性偏高岭土的质量比，水为额外加水、水 玻璃溶液中的水和氢氧化钠转化为氧化钠所脱的水三者之和； b. 将步骤⑶第a步称取的额外加水，加入到步骤⑶第a步称取的水玻璃溶液中，搅 拌混合均匀，冷却，制得溶液备用； c. 将步骤（3)第a步称取的活性偏高岭土和赤泥放入搅拌锅中，启动砂浆搅拌机进行 搅拌，当搅拌均匀后，开始缓慢加入步骤（3)第b步制得的溶液，搅拌混合，当浆料的稀稠度 适合时停止搅拌，即制得地聚物浆料； d. 将步骤（3)第c步制得的地聚物楽料装入4cm X 4cm X 16cm的模具中，并放于振实台 上振荡成型，在室温条件下养护一天，待试样硬化后脱模，将脱模后的样品在50°C下继续养 护7天，即制得地聚物胶凝材料； 所述高岭土为工业级；赤泥为提取铁后的赤泥，该赤泥中Fe203的质量百分比含量低于 6%〇
【文档编号】C04B7/14GK104150792SQ201410388705
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月9日 优先权日:2014年8月9日
【发明者】刘峥, 谢思维, 张菁, 欧冰冰 申请人:桂林理工大学