一种地热粘土基地质聚合物的制备方法与流程

本发明公开了一种地热粘土基地质聚合物的制备方法。

背景技术：

随着环境的不断恶化和人类环保意识的加强，传统水泥工业由于能源、资源消耗大，环境污染严重已经面临着严峻的挑战，除了对现有的水泥生产工艺进行改进之外，如何开发出一种低能耗、低污染的水泥替代品也成为亟待解决的重要问题。

地质聚合物是一种三维无定型结构的新型硅铝酸盐凝胶材料。地质聚合物的生产能耗低，仅为水泥生产能耗的30%，且生产过程中的碳排放量仅为水泥的20%。此外，地质聚合物还具有耐久性好、抗渗性强、强度高、凝结速度快、对重金属固定效果好等优越的性能，因此在建筑材料、高强材料、密封材料等领域显示出了广阔的应用前景，被视为水泥的替代材料。

地热粘土（geothermalclay）是地热资源开发中常见的工业废料，富含大量的硅铝酸盐，在2017年首次提出（wanq.,raof.,songs,león-patiñoc.a.,2017,geothermalclay-basedgeopolymerbinders:synthesisandmicrostructuralcharacterization,appliedclayscience,146,223-229）。至今尚未发现地热粘土的相关应用。由于受到地热高温以及地热活动的影响，其中的硅酸盐和铝酸盐矿物具有比一般粘土更高的反应活性，因此可以被用作地质聚合物的反应原料。

因此本发明利用地热粘土代替高岭土等原料合成具有较高强度的地质聚合物，极大的降低了制备的原料成本，同时使废弃的地热粘土资源化利用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种地热粘土合成地质聚合物的方法，旨在进一步降低地质聚合物的制备成本和原料预处理的碳排放，同时提高地热粘土的利用率。

一种地热粘土基地质聚合物的制备方法，包括以下步骤：

（1）地热粘土预处理：将地热粘土烘干，研磨至一定粒度后，在马弗炉中煅烧；

（2）向步骤（1）煅烧后的原料中加入碱性激发剂，充分搅拌；

（3）将步骤（2）得到的混合体系浇注到模具中，放在振动台上振动，排除气泡；

（4）将步骤（3）的模具密封，放入恒温养护箱中，在标准大气压下进行养护，之后再转移到室温下养护。

步骤（1）所述烘干条件为60℃烘干48小时。

步骤（1）所述研磨后粒度为100%小于1毫米。

步骤（1）所述马弗炉温度为550-800℃，煅烧时间为2小时。

步骤（2）所述碱性激发剂与原料按质量比1:0.9-1：1.1混合。

所述碱性激发剂的制备方法为：将氢氧化钠和硅酸钠按比例混合均匀后，作为溶质溶于水中，混合均匀。

所述氢氧化钠和硅酸钠的摩尔比为1:1-1:2；所述溶质与水按质量比1：1.7-1：2.5混合。

步骤（3）所述振动时间为5-10分钟。

步骤（4）所述养护箱的养护温度为60-80℃，养护时间为6小时。

步骤（4）所述室温下养护时间为7-10天。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本方案获得地热粘土地质聚合物产品实用性强，抗压性能良好，可以大规模应用于建设工程中，如制备净浆、砂浆、混凝土、砌块等；本方案利用废弃的地热粘土作为原料，降低了地质聚合物的制备成本；本方案减轻了地热粘土作为固体废物堆存带来的安全隐患和可能造成的环境破坏；此外，本方案使用地热粘土具有较高的反应活性，降低了原料活化的成本和能耗，有利用节约能源、保护生态环境。

附图说明

图1是本发明实施例1的地热粘土基地质聚合物材料的应力应变关系图。

图2是本发明实施例2的地热粘土基地质聚合物材料的应力应变关系图。

图3是本发明实施例3的地热粘土基地质聚合物材料的应力应变关系图。

具体实施方式

实施例1

一种地热粘土合成地质聚合物的方法，包括以下步骤，

（1）原料预处理：将地热粘土在60°c烘干48小时后，进行研磨至粒度100%小于1毫米，并在马弗炉中800°c煅烧2小时；

（2）加入碱性激发剂，系向（1）中获得的原料中按表1的量，加入氢氧化钠和硅酸钠的混合溶液并充分搅拌；

（3）将步骤（2）所获得的混合体系浇筑到模具中，并放在振动台上，震动5分钟，排除气泡；

（4）将步骤（3）所获得的混合体系密封，放入恒温的养护箱中，在标准大气压下进行养护，养护温度为80摄氏度，养护时间为6小时，之后再室温下再养护10天。

图1为实施例1的地热粘土地质聚合物的应力应变关系曲线图。观察图中渣土地质聚合物材料的应力应变关系曲线，在应变前期，应力随应变的变化率增大而逐渐加大，到应变达到2.4%时，应力达到最大为19.3mpa。之后材料被破坏，曲线呈现下降的趋势。

在实施例1中，原料预处理时，优选的煅烧温度为800°c，与其他煅烧温度相比，此温度下煅烧的地热粘土具有最好的反应活性，生产的地质聚合物结构最为紧密。

所述碱性激发剂为氢氧化钠和硅酸钠混合溶液，所述溶液中氢氧化钠和硅酸钠的摩尔比为1:1。这两种碱的混合溶液对地热粘土基地质聚合物的聚合反应有促进作用，能够形成最为紧密、同质的地质聚合物结构。

所述碱激发剂中溶质与水的质量比为1:2，过高的含水量会导致地质聚合物中产生大量的孔隙，从而降低地质聚合物的强度。

养护温度为80摄氏度，高温养护能够加速地质聚合物的反应速率，有利于形成高强度的地质聚合物。

实施例2

一种地热粘土合成地质聚合物的方法，包括以下步骤，

（1）原料预处理：地热粘土在60°c烘干48小时后，进行研磨至粒度100%小于1毫米，并在马弗炉中600°c煅烧2小时；

（2）加入碱性激发剂，系向（1）中获得的原料中按表1的量，加入氢氧化钠和硅酸钠的混合溶液并充分搅拌；

（3）将步骤（2）所获得的混合体系浇筑到模具中，并放在振动台上，震动5分钟，排除气泡；

（4）将步骤（3）所获得的混合体系密封，放入恒温的养护箱中，在标准大气压下进行养护，养护温度为80摄氏度，养护时间为6小时，之后再室温下再养护7天。

图2为实施例2的地热粘土地质聚合物的应力应变关系曲线图。观察图中渣土地质聚合物材料的应力应变关系曲线，在应变前期，应力随应变的变化率增大而逐渐加大，到应变达到2.2%时，应力达到最大为17.5mpa。之后材料被破坏，曲线呈现下降的趋势。

在实施例2中，原料预处理时，煅烧温度为600°c，与优选的800°c煅烧温度相比，此温度下煅烧的地热粘土反应活性减弱，生产的地质聚合物性能略微减弱，但是由于降低了预处理的温度，因此减少了能源消耗，使生产工艺更加环保。

实施例3

一种地热粘土合成地质聚合物的方法，包括以下步骤，

（1）原料预处理：地热粘土在60°c烘干48小时后，进行研磨至粒度100%小于1毫米，并在马弗炉中800°c煅烧2小时；

（2）加入碱性激发剂，系向（1）中获得的原料中按表1的量，加入硅酸钠溶液并充分搅拌；

（3）将步骤（2）所获得的混合体系浇筑到模具中，并放在振动台上，震动5分钟，排除气泡；

（4）将步骤（3）所获得的混合体系密封，放入恒温的养护箱中，在标准大气压下进行养护，养护温度为80摄氏度，养护时间为6小时，之后再室温下再养护7天。

图3为实施例3的地热粘土地质聚合物的应力应变关系曲线图。观察图中渣土地质聚合物材料的应力应变关系曲线，在应变前期，应力随应变的变化率增大而逐渐加大，到应变达到2.0%时，应力达到最大为9.7mpa。之后材料被破坏，曲线呈现下降的趋势。

在实施例3中，所述碱性激发剂硅酸钠溶液，所述溶液与优选的氢氧化钠和硅酸钠的混合溶液相比，原料减少，成本降低。但由于激发剂的碱性降低，因此对于地热粘土的激发效果减弱，地热粘土不能够完全反应，形成了异质、孔隙较多的的地质聚合物。