一种高强度高耐碱性煤矸石固废微晶玻璃及其制备方法

本发明涉及煤矸石固废综合利用领域，尤其是涉及一种高强度高耐碱性煤矸石固废微晶玻璃及其制备方法。

背景技术：

1、海洋面积在地球总表面占比中高达71%。海上石油平台、航海运输、海上风力发电和海边房屋建筑等海洋工程，为国家经济的发展做出了巨大贡献。然而，这些重大海洋工程设施在海洋腐蚀环境的长期作用下，面临着严峻的挑战。海洋腐蚀不仅导致设施装备结构损伤、服役寿命缩短，还带来巨大的经济损失。重大海洋工程设施通常设计有50年甚至上百年的服役寿命，然而，在多种海洋腐蚀环境因素协同作用下，据有关调查，钢筋混凝土年腐蚀损失超过1000亿元。更为严重的是，海洋腐蚀还可能引发突发性灾难事故，危及人民群众的生命财产安全。海洋腐蚀已成为制约我国建筑业可持续发展的关键因素之一。硅酸盐玻璃一般对碱的耐受性较差，长期浸泡在弱碱性（7.5<ph<8.2）海水中，玻璃网络结构中硅氧骨架（≡si-o-si≡）慢慢会和海水中的大量oh-发生离子交换而侵蚀破坏。玻璃陶瓷又称为微晶玻璃，是经过高温融化、成型、热处理而制成的一种晶体相与玻璃相结合的质地坚硬、密实均匀的复合材料。由于结构的特殊性，它拥有更高的强度和更优异的化学性，可以有效的提升海洋工程用材料的力学性能和耐碱腐蚀性能。

2、煤矸石是煤炭的一种共伴生矿物，是一种含煤高岭土，产生于煤炭的开采和洗选加工过程。其热值一般低于6.3 mj/kg，含有al2o3、sio2和fe2o3等无机灰分，总含量达到煤矸石总量的60%-95%，因难以利用而成为一种工业固废。一般地，每生产1t原煤会产生0.15-0.2t煤矸石。煤矸石的大量堆放带来了非常严重的社会、环境和经济问题。煤矸石是目前我国排放量最大的固体废弃物，但它的存在既有环保又有经济效益的双重特点。随意抛弃煤矸石，将会给周围的生态带来巨大的破坏。将其进行适当的回收，则可以让它变成一种有益的可再生能源。煤矸石对生态系统的危害很大，既占用了耕地，又含有一些有毒的成分，在风化后，会向土壤、水生态系统和人体健康带来巨大的危害。另外，在干燥季节，煤矸石中残余的碳元素会引发林火，释放出大分子氧化物、二氧化硫、一氧化碳和烟尘（例如pm 2.5）等污染物，对空气质量构成了极大的威胁。其实，这也是一种“离位资源”，将其加以有效的处置和使用，不但可以有效的提高矿山的环境质量，维持矿山的生态结构，还可以大幅度降低对土地的占用，节省资源，研发新的产品等。因此，加大对我国煤矸石资源的利用，有着重大的理论和实际应用价值。

3、在已有报道中，蒋超等人尝试了50 wt%煤矸石，直接整体析晶法制备微晶玻璃，并对其耐碱性进行了测试，测试采用naoh（10 wt%）溶液加热微沸（95 ℃）保持1h，该煤矸石微晶玻璃最优碱失重率约为0.45 %。湛玲丽等人公开了一种85 g（70 wt%）掺量的煤矸石高铝微晶玻璃的制备方法，耐碱性测试采用naoh（10 wt%）溶液常温浸泡处理24 h，虽然煤矸石利用率很高，但是耐碱失重率高达1.49 %。然而，上述煤矸石固废微晶玻璃材料并未涉及抗弯强度等力学性能，并且耐碱腐蚀性能仍有待进一步提升。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种高强度高耐碱性煤矸石固废微晶玻璃及其制备方法，解决现有技术中煤矸石固废微晶玻璃的力学性能以及耐碱腐蚀性能不佳的技术问题。

2、第一方面，本发明提供了一种高强度高耐碱性煤矸石固废微晶玻璃，该高强度高耐碱性煤矸石固废微晶玻璃的基础玻璃原料，以氧化物的质量份数计，包括：10-70份煤矸石、10-50份sio2、2-20份al2o3、6-21份b2o3、2-12份zno、2-12份r2o、2-12份cao、2-12份zro2；其中r2o为na2o、k2o的一种或几种。

3、第二方面，本发明提供了一种高强度高耐碱性煤矸石固废微晶玻璃的制备方法，包括如下步骤：

4、原料混合：将基础玻璃各组分原料称重后混合均匀制成配合料；

5、高温熔制：将配合料经高温熔制后制成玻璃液；

6、成型晶化：将玻璃液成型后进行晶化处理，得到高强度高耐碱性煤矸石固废微晶玻璃。

7、与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

8、本发明实现了煤矸石固废的再利用，且所制备的高强度高耐碱性煤矸石固废微晶玻璃的耐碱性能和力学性能优异，有望用于海洋工程材料。本发明为解决煤矸石堆积造成的资源浪费、环境污染等问题提供了借鉴参考。

技术特征：

1.一种高强度高耐碱性煤矸石固废微晶玻璃，其特征在于，所述高强度高耐碱性煤矸石固废微晶玻璃的基础玻璃原料，以氧化物的质量份数计，包括：10-70份煤矸石、10-50份sio2、2-20份al2o3、6-21份b2o3、2-12份zno、2-12份r2o、2-12份cao、2-12份zro2；其中，r2o为na2o、k2o的一种或几种。

2.根据权利要求1所述高强度高耐碱性煤矸石固废微晶玻璃，其特征在于，所述高强度高耐碱性煤矸石固废微晶玻璃的主要晶相为：莫来石、锌铝尖晶石、斜锆石和铝锆固溶体。

3. 根据权利要求2所述高强度高耐碱性煤矸石固废微晶玻璃，其特征在于，所述锌铝尖晶石的平均晶粒尺寸为1.0-1.5 μm，其含量为四种晶相总量的31%-42%；

4. 根据权利要求1所述高强度高耐碱性煤矸石固废微晶玻璃，其特征在于，所述高强度高耐碱性煤矸石固废微晶玻璃于10 wt%的naoh溶液中95 ℃、2h失重率小于0.13%；抗弯强度为150-220 mpa。

5.根据权利要求1所述高强度高耐碱性煤矸石固废微晶玻璃，其特征在于，所述煤矸石固废微晶玻璃的基础玻璃原料，以氧化物的质量份数计，包括：40-60份煤矸石、10-22份sio2、4-10份al2o3、10-15份b2o3、5-10份zno、3-6份r2o、3-6份cao、4-6份zro2。

6. 根据权利要求1所述高强度高耐碱性煤矸石固废微晶玻璃，其特征在于，经高温处理和xrf测定，按重量百分比计，所述煤矸石的成分包括：sio2 50%-55 %、al2o3 22%-28 %、k2o 2%-3%、fe2o3 1%-4 %、cao 1%-2 %、mgo 1%-2 %、na2o 0-1 %、tio2 0-2 %；余量为气体混合物，主要包括co2+so3 5%-10 %。

7. 根据权利要求1所述高强度高耐碱性煤矸石固废微晶玻璃，其特征在于，所述高强度高耐碱性煤矸石固废微晶玻璃的成分换算成氧化物为：sio2 45%-65 %、b2o3 10%-20 %、al2o3 8%-17 %、zno 4%-10 %、r2o 4%-10 %、cao 4%-10 %、mgo 0.5%-2%、zro2 4%-10%、fe2o30.5%-2 %、tio2 0-1 %。

8.一种如权利要求1-7中任一项所述高强度高耐碱性煤矸石固废微晶玻璃的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

9. 根据权利要求8所述高强度高耐碱性煤矸石固废微晶玻璃的制备方法，其特征在于，所述高温熔制的温度为1500-1600 ℃，所述高温熔制的时间为1.5-4.5小时。

10. 根据权利要求8所述高强度高耐碱性煤矸石固废微晶玻璃的制备方法，其特征在于，所述晶化处理的温度为900-1100 ℃，所述晶化处理的时间为1-2小时。

技术总结
本发明公开了一种高强度高耐碱性煤矸石固废微晶玻璃及其制备方法。该高强度高耐碱性煤矸石固废微晶玻璃的基础玻璃原料，以氧化物的质量份数计，包括：10‑70份煤矸石、10‑50份SiO<subgt;2</subgt;、2‑20份Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;、6‑21份B<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;、2‑12份ZnO、2‑12份R<subgt;2</subgt;O、2‑12份CaO、2‑12份ZrO<subgt;2</subgt;；其中R<subgt;2</subgt;O为Na<subgt;2</subgt;O、K<subgt;2</subgt;O的一种或几种。本发明实现了煤矸石固废的再利用，且所制备的高强度高耐碱性煤矸石固废微晶玻璃的耐碱性能和力学性能优异，有望用于海洋工程材料。本发明为解决煤矸石堆积造成的资源浪费、环境污染等问题提供了借鉴参考。

技术研发人员：熊德华,贾涵
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2025/3/10