一种常温下利用碱激发固废微粉制备托贝莫来石基无机胶凝材料的方法及其产品

本发明涉及一种无机胶凝材料及其制备，尤其涉及一种常温下利用碱激发固废微粉制备托贝莫来石基无机胶凝材料的方法及其产品，属于固废资源化利用技术领域。

背景技术：

工业化的发展使得固废产量与储量的飞速增长，固废的再利用率低的问题日益显著，固废的处理、储存以及处置已成为社会经济可持续发展的约束。处理固废的方法一般有掩埋、堆置或用于道路建设的次级建筑材料。

对于固废的活化方式有化学活化与物理活化，碱激发是利用固废制备无机胶凝材料最为有效的化学活化方式，除碱激发外，还有硫酸盐激发、碳酸盐激发等，物理活化方式有煅烧、研磨、超声波以及微波等。其中的碱激发是一种有效提高固废微粉活性的化学活化方式。碱激发胶凝材料本质上是在原料中加入碱性物质来提高原料活性而制得的一种无机胶凝材料，碱激发剂一般采用水玻璃、naoh等，制备过程中可加入多种原料与多种碱激发剂。利用纯固废微粉作为前驱体，在不加入水泥的前提下制备无机胶凝材料，对于固废的资源化、减量化具有重大意义。碱激发固废胶凝材料是有望成为水泥替代品的无机胶凝材料之一，利用固废制备无机胶凝材料是固废资源化的有效利用途径。

托贝莫来石与胶凝材料中c-s-h凝胶同为水化硅酸钙，其具有较高的晶化程度，xrd图谱中托贝莫来石呈现明显的晶体峰，c-s-h凝胶呈现“馒头峰”。托贝莫来石具有明显的层状结构，对于重金属离子具有较好的吸附效果，可作为吸附材料应用于各领域。

传统的托贝莫来石的制备方法需要高温，如中国专利cn105780121a公开了一种以粉煤灰为原料合成托贝莫来石晶须的方法，是在高压密闭容器中，于150℃～260℃反应，得到托贝莫来石晶须；中国专利cn109081353a公开了一种利用腐植酸活化焚烧炉底灰制备的托贝莫来石及应用，是氢氧化钠水溶液与腐植酸水溶液以体积比1：1混合后与焚烧炉底灰，搅拌得到悬浮泥浆液；将悬浮泥浆液放置于120～180℃中水热反应24h，反应液冷却至室温，用去离子水洗涤，洗涤产物干燥，得到所述托贝莫来石。但其制得的托贝莫来石一般作为高性能吸附材料使用，不具有力学性能。

申请人在不掺入水泥熟料的前提下，并在常温利用全固废制备得到了托贝莫来石基无机胶凝材料，不仅解决了固废资源化利用难的问题，还获得了具有良好力学性能的托贝莫来石基无机胶凝材料，该托贝莫来石基无机胶凝材料在实际的工程推广应用具有重要的经济效益和理论意义。经检索，有关在常温下利用碱激发固废微粉制备托贝莫来石基无机胶凝材料的方法及其产品还未见报道。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明要解决的问题是提供一种常温下利用碱激发固废微粉制备托贝莫来石基无机胶凝材料的方法及其产品。

本发明所述的常温下利用碱激发固废微粉制备托贝莫来石基无机胶凝材料的方法，步骤是：

将粉煤灰、矿渣微粉与钢渣微粉按质量比x:92-x:8进行配合作为固废微粉原料，其中x＝20～52；以1～5mol/l的氢氧化钠溶液作为碱激发剂，在20±2℃的条件下，将氢氧化钠溶液与配合后固废微粉按质量比为0.4-0.5:1混合，然后置于净浆搅拌机中充分搅拌并倒模；将倒模的浆料置于养护箱中养护成型，即得到托贝莫来石基无机胶凝材料。

优选的实施方是：所述将粉煤灰、矿渣微粉与钢渣微粉按质量比24:68:8进行配合作为固废微粉原料，以3mol/l的氢氧化钠溶液作为碱激发剂，在20℃的条件下，将氢氧化钠溶液与配合后固废微粉按质量比为0.4:1混合，然后置于净浆搅拌机中充分搅拌并倒模；将倒模的浆料置于养护箱中养护成型，即得到托贝莫来石基无机胶凝材料。

上述常温下利用碱激发固废微粉制备托贝莫来石基无机胶凝材料的方法中：所述的粉煤灰为f类粉煤灰，粒径小于100μm。

其中：所述的粉煤灰中主要组份的质量百分比是：al2o329.59％、sio254.7％、cao3.97％、fe2o37.79％。

上述常温下利用碱激发固废微粉制备托贝莫来石基无机胶凝材料的方法中：所述的矿渣微粉中主要组份的质量百分比是：al2o314.24％、sio229.75％、cao41.45％、fe2o31.7％。

上述常温下利用碱激发固废微粉制备托贝莫来石基无机胶凝材料的方法中：所述的钢渣微粉中主要组份的质量百分比是：al2o33.8％、sio216.06％、cao46.85％、fe2o321％。

上述常温下利用碱激发固废微粉制备托贝莫来石基无机胶凝材料的方法中：所述充分搅拌条件优选是利用净浆搅拌机慢速搅拌120s，停转15s，快速搅拌120s，循环进行。

上述常温下利用碱激发固废微粉制备托贝莫来石基无机胶凝材料的方法中：所述养护箱中的养护条件优选是20℃，相对湿度99％。

本发明所述常温下利用碱激发固废微粉制备托贝莫来石基无机胶凝材料的方法制得的产品。

本发明公开了一种常温下利用碱激发固废微粉制备托贝莫来石基无机胶凝材料的方法及其产品，既解决了固废产量、储量急速上升与固废利用率低、固废资源化利用难的问题，降低了能耗与环境污染，又获得了一种具有较好力学性能的托贝莫来石基无机胶凝材料，可广泛用于绿色环保方向的基础设施建设，具有明显的经济与环境效益。

本发明突出的实质性特点和显著进步体现在：

传统的托贝莫来石的制备方法需要高温，而本发明所述产品托贝莫来石基无机胶凝材料是在常温下制备养护制得。传统的托贝莫来石的制备需要对产物进行洗涤及干燥，其产品一般仅作为高性能吸附材料使用，而本发明通过碱激发固废微粉制备得到了托贝莫来石基无机胶凝材料，在含有大量托贝莫来石的前提下，还具有良好的力学性能；其中粉煤灰、矿渣微粉与钢渣微粉质量比为24：68：8时，28d抗压强度达到峰值37.1mpa。传统的碱激发固废无机胶凝材料只考虑力学性能，而本发明利用水化产物的不同，在保证材料具有良好性能前提下，赋予了材料新的功能，在实际的工程推广应用中具有重要的经济效益和理论意义。

附图说明

图1是粉煤灰、矿渣微粉与钢渣微粉的xrd图谱。

图2是本发明所述方法制备的托贝莫来石基无机胶凝材料的xrd图谱。

图3是水化产物中托贝莫来石的sem照片，(a)、(b)可明显看到微观结构呈现片状类蜂窝状结构的托贝莫来石。

图4是本发明水化产物的sem照片，(a)无定形凝胶c-s-h，(b)各种水化产物分布图像，其中包括托贝莫来石、无定形凝胶c-s-h以及针棒状钙矾石。

图5是不同氢氧化钠浓度制备的无机胶凝材料28d抗压强度。

图6是不同粉煤灰掺量制备的无机胶凝材料28d抗压强度。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明内容进行详细说明。如下所述例子仅是本发明的较佳实施方式而已，应该说明的是，下述说明仅仅是为了解释本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

下述实施例中，所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均从商业途径得到。

实施例1：粉煤灰、矿渣微粉与钢渣微粉的来源及主要组分鉴定

1、粉煤灰、矿渣微粉与钢渣微粉

固废微粉原料粉煤灰取自山东省的燃煤电厂，粉煤灰为f类粉煤灰，粒径小于100μm；所述的粉煤灰中主要组份的质量百分比是：al2o329.59％、sio254.7％、cao3.97％、fe2o37.79％。矿渣取自山东省的炼铁厂高炉矿渣，利用水淬法处理并煅烧研磨成微粉；所述的矿渣微粉中主要组份的质量百分比是：al2o314.24％、sio229.75％、cao41.45％、fe2o31.7％。钢渣取自山东省的炼钢厂，煅烧研磨成微粉；所述的钢渣微粉中主要组份的质量百分比是：al2o33.8％、sio216.06％、cao46.85％、fe2o321％。

2、原料主要组分鉴定

利用xrd对粉煤灰、矿渣、钢渣进行成分分析，其矿物组成如图1所示，粉煤灰主要物相为α石英、莫来石、赤铁矿与方解石；矿渣微粉主要物相为硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙等非晶相钙硅铝矿物；钢渣微粉主要物相为硅酸二钙、硅酸三钙、铁酸二钙、ro相以及游离氧化钙。

实施例2：不同碱溶液浓度激发制备托贝莫来石基无机胶凝材料及力学性能分析

1、具体制备过程

在常温的条件下，分别取200g浓度为1、2、3、4、5mol/l的氢氧化钠溶液作为碱激发溶液；粉煤灰、矿渣微粉、钢渣微粉分别取120g、340g、40g进行配合；将不同浓度的氢氧化钠溶液(5组)分别倒入净浆搅拌机容器中，再加入配合后的固废微粉，慢搅120s，停15s，快搅120s循环进行至充分搅拌好后并倒模；将倒模的浆料置于20℃，99％相对湿度的养护箱中养护成型，得到5组托贝莫来石基无机胶凝材料。

2、无机胶凝材料的微观表征及力学性能测试

制备的无机胶凝材料水化产物通过x射线衍射分析，结果如图2所示，衍射角2θ位于29.4°、36.1°、39.5°和49.5°衍射峰对应产物为托贝莫来石，形成馒头峰对应产物为c-s-h凝胶。利用sem观察其微观结构，如图3、4所示。图3可明显看到微观结构呈现片状类蜂窝状结构的托贝莫来石，图4(a)为c-s-h凝胶，图4(b)为托贝莫来石、无定形凝胶c-s-h以及针棒状钙矾石等微观形貌。

对5组材料进行力学性能测试结果如图5所示，显示浓度为3mol/l的naoh作为碱激发剂制备的样品，其28d强度最高，达到37.1mpa。

实施例3：托贝莫来石基无机胶凝材料及其力学性能测试

1、具体制备过程

在20℃条件下，取200g3mol/l的氢氧化钠溶液；粉煤灰、矿渣微粉、钢渣微粉按质量比x：92-x：8的比例进行配合，其中x分别取20、24、28、32、36、40、44、48、52，获得9组配合固废微粉；将碱激发溶液(200g3mol/l的氢氧化钠溶液)倒入净浆搅拌机容器中，再分别加入配合后的固废微粉，慢搅120s，停15s，快搅120s循环进行至充分搅拌好后并倒模；将倒模的浆料置于20℃，99％相对湿度的养护箱中养护成型，得到9组托贝莫来石基无机胶凝材料。

2、胶凝材料的力学性能测试

对9组材料进行力学性能测试结果如图6所示，显示粉煤灰掺量为24％时材料的28d抗压强度最高，达到37.1mpa。