一种碱激发胶凝材料及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种利用硅质铁尾矿制备的碱激发胶凝材料及其制备方法，包括有以下步骤：1)将硅质铁尾矿粉、粉煤灰和矿渣粉按照配比混合均匀，得到铁尾矿粉—粉煤灰—矿渣粉复合粉体；2)将液态水玻璃和水混合，制得碱激发剂溶液；3)将碱激发剂溶液加入到复合粉体中，搅拌均匀得到碱激发胶凝材料浆体；4)将碱激发胶凝材料浆体注入模具中振动成型并在常温条件下养护至脱模，得到碱激发胶凝材料净浆试件；5)将碱激发胶凝材料净浆试件进行蒸养。本发明的有益效果在于：本发明提供的碱激发胶凝材料硬化浆体具备优良的力学性能，最优配比的3 d抗压强度＞60 MPa，28 d抗压强度＞80 MPa。
【专利说明】一种碱激发胶凝材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于建筑材料领域，特别是涉及一种利用硅质铁尾矿制备的碱激发胶凝材 料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 我国目前累积堆存尾矿100亿t以上，年产出量达到了 12亿t，占全国大宗工业 固体废弃物年产生总量的45. 8%，占全世界尾矿产出量的50%以上。与粉煤灰、煤矸石等 大宗工业固体废弃物相比，尾矿的综合利用技术更复杂、难度更大。目前，我国尾矿的综合 利用率只有13. 3%，相比之下，尾矿的综合利用大大滞后于其它大宗工业固体废弃物。其 中，铁尾矿的产生量最大，在我国各类尾矿产生量所占比例达到45 %，年排放量从2000年 的1. 37亿t快速增长到2009年的5. 36亿吨，仅10年的累计产生量就达28. 32亿吨。铁尾 矿的大量堆存不仅占用了土地和造成了资源的浪费，而且部分铁尾矿中含有重金属等有害 物质以及细尾矿颗粒引起的扬尘等对地下水资源、人类生活环境带来了严重污染和危害， 破坏生态平衡，现已受到全社会的广泛关注。
[0003] 铁尾矿的矿物组成主要为结构稳定的脉石矿物，如石英、长石、辉石、石榴石、角闪 石等，几乎没有活性，同时随着选矿技术的提高，尾矿的中位粒径已由十几年前200 μπι降 至现在的40 μπι，即使用作混凝土集料其粒径也已不适合。因此，大大限制了其消纳途径。 为了解决铁尾环境污染和资源浪费的问题，采取合适的手段激发铁尾矿的胶凝活性，然后 将其用作水泥混合材和混凝土掺合料有许多新的研宄出现。归纳起来，铁尾矿胶凝活性的 提高手段主要有机械粉磨、化学激发、热活化或者三种激发手段中任意两种复合。例如，发 明专利CN103011648A《一种混凝土用改性铁尾矿活性掺合料及其制备方法》公开了一种利 用聚羧酸盐减水剂对铁尾矿进行表面改性提高其活性的方法，采用该方法生产的改性铁尾 矿活性掺合料的活性与与II级粉煤灰相当，但聚羧酸盐减水剂在其中只起分散助磨作用， 仅有助于铁尾矿细度的提高，并不能激发铁尾矿的化学活性。发明专利CN102850011A《一 种利用铁尾矿制备活性粉末混凝土的工艺方法》公开了一种利用机械力来活化SiO 2含量 69%的铁尾矿，使其作为活性粉末混凝土的活性粉末组分，同时将0. 16mm?I. 25mm的铁尾 矿作为细骨料制备活性粉末混凝土的方法，但有研宄表明机械粉磨并不能提高铁尾矿的化 学活性，铁尾矿在常温下主要以物理填充效应为主；因此，寻求另一种更广泛、更有效的铁 尾矿活性改性方法显得尤为重要。经检索，目前未见以铁尾矿为主要原料制备碱激发胶凝 材料的相关文献公开。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种以硅质铁尾矿为主要原料制备碱激发胶凝材料及其制备方法， 扩充了铁尾矿的综合利用面，解决了铁尾矿堆存所导致的环境污染和资源浪费问题，同时， 也拓展了碱激发胶凝材料的原料范围，解决了目前以矿渣、偏高岭土以及粉煤灰为主制备 碱激发胶凝材料时原材料来源受限、成本较高的问题。
[0005] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种碱激发胶凝材料，包括有由 硅质铁尾矿粉、粉煤灰和矿渣粉所组成的复合粉体、占复合粉体重量5%?15%的液态水 玻璃、占复合粉体重量15 %?30 %的水，所述复合粉体各组分质量百分含量为：硅质铁尾 矿粉50%?75%、粉煤灰0?45%、矿渣粉5%?50%。
[0006] 按上述方案，所述复合粉体各组分质量百分含量为：硅质铁尾矿粉50?75%、粉 煤灰15?25%、矿渣粉35?50%。
[0007] 按上述方案，所述复合粉体各组分质量百分含量为：硅质铁尾矿粉50%、粉煤灰 15%、矿渣粉35%。
[0008] 按上述方案，所述娃质铁尾矿粉是将娃质铁尾矿原矿磨至比表面积300m2/kg? 600m2/kg〇
[0009] 按上述方案，所述娃质铁尾矿粉是将娃质铁尾矿原矿磨至比表面积300m2/kg? 400m2/kg〇
[0010] 按上述方案，所述液态水玻璃模数η为I. 0?2. 0。
[0011] 所述的碱激发胶凝材料的制备方法，包括有以下步骤：
[0012] 1)将硅质铁尾矿粉、粉煤灰和矿渣粉按照配比混合均匀，得到铁尾矿粉一粉煤 灰一矿渣粉复合粉体，所述复合粉体各组分质量百分含量为：硅质铁尾矿粉50%?75%、 粉煤灰〇?45%、矿渣粉5%?50% ;
[0013] 2)将液态水玻璃和水混合，制得碱激发剂溶液；其中液态水玻璃的质量占复合粉 体重量的5%?15%，水占复合粉体重量15%?30% ;
[0014] 3)将碱激发剂溶液加入到复合粉体中，搅拌均匀得到碱激发胶凝材料浆体；
[0015] 4)将碱激发胶凝材料浆体注入模具中振动成型并在常温条件下养护至脱模，得到 碱激发胶凝材料净浆试件；
[0016] 5)将碱激发胶凝材料净浆试件进行蒸养。
[0017] 按上述方案，所述的蒸养温度为40?80°C，蒸养时间为0?15h。
[0018] 本发明提供的硅质铁尾矿基碱激发胶凝材料以铁尾矿为主要原料，加入粉煤灰和 矿渣粉调节体系中硅、铝、钙等元素的含量比例，以适当模数的液态水玻璃为碱激发剂，经 成型、蒸养等工序制备而成。反应机理在于，铁尾矿、粉煤灰和矿渣粉组成的复合粉体材料， 在水玻璃碱激发剂的作用下发生解聚，在水介质中重新聚合成新的凝胶体。
[0019] 本发明的有益效果在于：以来源广泛的惰性硅质铁尾矿为主要原料，不仅扩大了 铁尾矿资源化综合利用途径，解决了铁尾矿长期堆存的资源浪费和污染环境的问题，而且 扩展了碱激发胶凝材料生产的原料来源。与传统的硅酸盐水泥等胶凝材料生产过程相比， 本发明提供的碱激发胶凝材料制备过程无需高温煅烧，大大节约了生产成本，减少了水泥 生产的高资源、高能源消耗与高CO 2排放，是一种新型低碳胶凝材料。此外，本发明提供的碱 激发胶凝材料硬化浆体具备优良的力学性能，最优配比的3d抗压强度> 60MPa，28d抗压强 度> 80MPa。因此，本发明提供的碱激发胶凝材料及其制备方法具有广阔的市场应用前景。
【具体实施方式】
[0020] 本发明提供的碱激发胶凝材料是由硅质铁尾矿粉、粉煤灰和矿渣粉的复合粉体在 水玻璃的激发下得到的。其原料配方包括以下质量百分含量的组分：50%?75%硅质铁 尾矿粉、5%?50%矿渣粉、O?45%粉煤灰（铁尾矿粉、粉煤灰、矿渣粉含量百分比之和为 100 %，形成复合粉体）、占复合粉体重量5 %?15 %的液态水玻璃、占复合粉体重量15 %? 30%的水。其中：
[0021] 复合粉料原料之一的硅质铁尾矿粉，是将硅质铁尾矿原矿在球磨机中球磨至满足 比表面积为300m2/kg?600m2/kg的粉体所得。优选铁尾矿粉的比表面积为300m 2/kg? 400m2/kg。铁尾矿粉在复合粉体中所占比例为50%?75%，优选为50%。
[0022] 复合粉料原料之一的粉煤灰为F类II级粉煤灰，比表面积为427m2/kg，粉煤灰在复 合粉体中所占比例为〇?45%，优选为15%。在粉料中添加粉煤灰的目的是为了调节体系 中硅元素和铝元素的比例，使体系在碱激发之后聚合程度更高，从而具有更好的力学性能。
[0023] 复合粉料原料之一的矿渣粉为S75级磨细矿渣粉，比表面积为405m2/kg，矿渣粉在 复合粉料中所占比例为5%?50%，优选为35%。在粉料中添加矿渣粉可以显著提高碱激 发胶凝材料净浆试件的早期力学性能。
[0024] 胶凝材料原料中之一的碱激发剂为模数I. 0?2. 0的水玻璃（Na2O · nSi02)，其掺 量为复合粉料重量的5%?15%，优选为10% (掺量以水玻璃溶液中Na2O · nSi02的质量 计）。不同模数η的液态水玻璃（Na2O · nSi02)是将化学纯NaOH加入模数η = 3. 3的原状 工业水玻璃中调节得到的。
[0025] 此外，制备碱激发胶凝材料净浆所需水含量为复合粉体质量的15%?30%，优选 为 20%。
[0026] 表1制备碱激发胶凝材料的粉体材料的化学组成单位：wt%
【权利要求】
1. 一种碱激发胶凝材料，包括有由硅质铁尾矿粉、粉煤灰和矿渣粉所组成的复合粉体、 占复合粉体重量5 %?15 %的液态水玻璃、占复合粉体重量15 %?30 %的水，所述复合 粉体各组分质量百分含量为：硅质铁尾矿粉50%?75%、粉煤灰0?45%、矿渣粉5%? 50%〇
2. 根据权利要求1所述的碱激发胶凝材料，其特征在于：所述复合粉体各组分质量百 分含量为：硅质铁尾矿粉50?75%、粉煤灰15?25%、矿渣粉35?50%。
3. 根据权利要求2所述的碱激发胶凝材料，其特征在于：所述复合粉体各组分质量百 分含量为：硅质铁尾矿粉50%、粉煤灰15%、矿渣粉35%。
4. 根据权利要求1所述的碱激发胶凝材料，其特征在于：所述硅质铁尾矿粉是将硅质 铁尾矿原矿磨至比表面积300m2/kg?600m2/kg。
5. 根据权利要求4所述的碱激发胶凝材料，其特征在于：所述硅质铁尾矿粉是将硅质 铁尾矿原矿磨至比表面积300m2/kg?400m2/kg。
6. 根据权利要求1所述的碱激发胶凝材料，其特征在于：所述液态水玻璃模数n为 1. 0 ?2. 0〇
7. 权利要求1所述的碱激发胶凝材料的制备方法，包括有以下步骤： 1) 将硅质铁尾矿粉、粉煤灰和矿渣粉按照配比混合均匀，得到铁尾矿粉一粉煤灰一矿 渣粉复合粉体，所述复合粉体各组分质量百分含量为：硅质铁尾矿粉50%?75%、粉煤灰 0?45%、矿渣粉5%?50% ; 2) 将液态水玻璃和水混合，制得碱激发剂溶液；其中液态水玻璃的质量占复合粉体重 量的5%?15%，水占复合粉体重量15%?30% ; 3) 将碱激发剂溶液加入到复合粉体中，搅拌均匀得到碱激发胶凝材料浆体； 4) 将碱激发胶凝材料浆体注入模具中振动成型并在常温条件下养护至脱模，得到碱激 发胶凝材料净浆试件； 5) 将碱激发胶凝材料净浆试件进行蒸养。
8. 根据权利要求7所述的碱激发胶凝材料的制备方法，其特征在于所述的蒸养温度为 40?80°C，蒸养时间为0?15h。
【文档编号】C04B7/147GK104446045SQ201410618006
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月5日 优先权日:2014年11月5日
【发明者】李北星, 叶茂, 冯紫豪 申请人:武汉理工大学