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高性能碱激发材料的特性与优点

已有 480 次阅读 2019-12-10 10:24 |系统分类:科研笔记

   自1824年英国人J.阿斯普丁取得专利权至今,现在主要使用的水泥--硅酸盐水泥近200年来为人类文明发展立下了汗马功劳,但其主要组成物—硅酸盐熟料的制备仍存在碳排放、能耗和物耗高,粉尘和硫氮氧化物气体污染严重及耐蚀耐久性差等突出问题。碱激发水泥自1940年代在前乌克兰发明至今,经过很多的应用实验和实践被证明是安全可靠的。除干缩性大和凝结时间过快外,碱激发水泥长期未能推广的最主要原因之一碱激发剂掺量大,影响碱激发材料的耐风化性且导致后者成本过高。2019年6月的专利201910512806.1和201910512806.1对传统碱激发水泥进行技术改进,显著降低其激发剂掺量与成本,制得新型高性价比的碱激发结构材料,后者系由少量碱溶液激发含碱金属的硅铝酸钙镁玻璃粉体固结而制得,其在保持传统碱激发材料强度性能的前提下,大大降低了碱激发剂的用量,其特性与优点主要表现在如几个方面。

一、 新型碱激发水泥的能耗、资源消耗与碳排放低于硅酸盐水泥

新型碱激发水泥的SiO2(氧化硅)含量远高于硅酸盐水泥,CaO含量则只及后者的1/2-2/3,其主要元素硅、铝、钙和碱金属等的含量更接近地壳的均值(见表1),表明①其原料更加广泛易得;而其煅烧温度为1250-1350℃,也远低于硅酸盐水泥熟料的1450℃。因此,生产新型碱激发水泥的②碳排放与能耗远低于硅酸盐水泥,③对石灰岩等矿产资源的消耗也少得多,且④前者对石灰石的质量要求低,其中的氧化镁含量并不受限制。

1 碱激发水泥与硅酸盐水泥化学组成与烧成温度对比


SiO2

Al2O3

TFe2O3

CaO

R2O

MgO

SO3

烧成温度

地壳

59.14

15.34

6.88

5.08

6.97

3.49

0.13


新型碱激发水泥

35-55

10-20

0-10

20-45

3.0-8.0

0-20

-

1250-1350℃

硅酸盐水泥(均值)

21

5

4

62

≤0.6

≤5.0

≤3.5

1450℃

二、 新型碱激发水泥混凝土的耐久性和抗腐蚀性高于硅酸盐水泥混凝土

由于激发用碱量少,水化体中残余的游离碱相较传统碱激发水泥显著降低,从而新型碱激发水泥混凝土的泛碱风化现象也显著减弱,其耐久性和使用寿命提高。碱激发材料的抗酸和抗海水腐蚀性远高于硅酸盐水泥混凝土,适于应用于海工建筑、化学料池和建造排污管道等。

三、 新型碱激发水泥能更充分利用固体废物为其原料,是一种利废水泥

水泥作为最大宗工业品之一,越来越成为消纳固体废物的利器。焚烧生产垃圾制备硅酸盐水泥已多有范例,但还有更多的固体废物、尤其是工业废渣得不到处理与利用,成为现代社会的心腹之患。新型碱激发材料的前驱体熟料为玻璃态,玻璃的化学组成对其物理化学性质的影响是惭变的,也就是说其化学组成在一定范围内变化时其使用性能基本稳定,工业废渣用作新型碱激发材料的原料时,其所含的少量杂质对使用性能的影响甚微。由于SiO2是地壳中含量最高的化学组分,从天然原料中提取各种资源后排出的工业废物多为以SiO2为主要化学组成并包含主要造岩元素和少量其它杂质的固体废渣,它们排量巨大,占用土地,污染土壤与水体,恶化环境,新型碱激发水泥由于其SiO2需量高的特点,可以大量利用多数工业固体废物为其原料,从而有效消纳固体废渣,利废环保。下面举几个固体废渣的例子展开说明。

1、 拜耳法赤泥

利用拜耳法工艺从铝土矿中提取氧化铝时伴随排出大量的红色废泥,称为赤泥。赤泥是含水的强碱性废物,其淋滤液破坏土壤和水体的pH值,使土壤不能生产植物、水里不能生存鱼虾,对环境产生巨大的污染破坏;当赤泥被风干后又会产生大量微尘,随风进入大气而污染空气。我国氧化铝工业年排赤泥近1亿吨,迄今没有经济有效的处理和利用方法,新型碱激发材料的发明为处理和利用拜耳法赤泥开辟了新的天地,赤泥的化学组成与新型碱激发材料前驱体(熟料)很接近,完全可以大量利用赤泥适当调配其它原料制备胶凝硬化的结构材料应用于建筑道路等广泛领域。

2、 红土型镍矿冶炼排出的镍铁渣

红土型镍矿越来越成为提炼镍铁的主要矿石品种,相应的冶金工艺排出的镍铁渣在中国达到每年数千万吨。这种废渣虽然主要为玻璃相,但其化学组成镁高钙低,在掺入水泥与混凝土中时可能造成安定性不良而不便应用,其它处理途径消纳量少,若能直接用来制备水泥,则可作为建筑材料被有效地消耗处理掉并资源化利用。通过在1600℃高温的镍铁熔渣中掺加廉价易得的化学调整剂调节其化学组成,主要利用余热在1300℃左右煅烧制得新型碱激发水泥的熟料,然后用少量碱溶液对磨细的熟料粉进行激发即可固化为建筑行业普遍使用的结构材料。其煅烧工艺可通过改造排渣生产线而整合到冶炼工艺中去,低成本地制备碱激发材料而不再排出废渣。

3、 煤矸石

煤矸石是最大宗的矿业废渣,我国年产数亿吨。在主要的产煤地区,煤矸石的处理和利用率很低。煤矸石的化学组分以硅铝氧化物为主,同时含有一煊量的钙镁和碱金属氧化物。传统的硅酸盐水泥由于氧化硅含量低,可利用的煤硅石量很有限;而新型碱激发材料中氧化硅含量高得多,其它氧化物组成也有一定占比,从而可将煤矸作为主要原料大掺量加入利用。




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