一种利用固体废弃物制备疏水微粉的方法及应用

本发明涉及混凝土疏水剂制备，具体涉及一种利用固体废弃物制备疏水微粉的方法及应用。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、开展资源综合利用是我国深入实施可持续发展战略的重要内容。大宗固体废弃物量大面广、环境影响突出、利用前景广阔，是资源综合利用的核心领域。大宗工业固体废物是指我国各工业领域在生产活动中年产生量在1000万吨以上、对环境和安全影响较大的固体废物，主要包括尾矿、粉煤灰、煤矸石、冶炼废渣、炉渣、脱硫石膏、磷石膏、赤泥和污泥等。为了实现减少废渣的排放和资源化利用，除了采用耗费高昂的设备回收利用外，更重要的就是增加大宗固体废弃物的附加值，提高大宗固体废弃物的利用率。目前，最直接、最简单的方法是将固体废弃物加入混凝土中，降低成本。然而，由于这些废弃物的水化活性非常低，它们在混凝土中基本只能发挥物理填充作用，而这种方式对固体废弃物的利用价值较低，固体废弃物未能发挥出应有的潜力，对混凝土的性能提升有限。

技术实现思路

1、本发明提供一种利用固体废弃物制备疏水微粉的方法及应用，该方法将固体废弃物制备成了具有稳定疏水性的混凝土添加剂，不仅能够制备疏水混凝土，而且兼具填料以及提高混凝土力学性能的作用。为实现上述目的，本发明如下所述的技术方案。

2、首先，本发明公开一种利用固体废弃物制备疏水微粉的方法，包括如下步骤：

3、(1)将以二氧化硅为主的固体废弃物、表面改性剂与水混匀后在加热条件下进行搅拌反应，得到含有改性固体废弃物的反应体系，所述表面改性剂为碱性物质。

4、(2)在所述反应体系中加入疏水剂、富硅羟基物质和催化剂搅拌反应，反应结束后分离出固相产物，对其洗涤去除表面残留的反应液，烘干后磨细，即得疏水微粉。

5、进一步地，步骤(1)中，所述固体废弃物、表面改性剂、水的比例为5～15重量份：13～25重量份：20～50重量份。

6、进一步地，步骤(1)中，所述固体废弃物包括：矿渣粉、陶瓷锯泥、大理石锯泥、粉煤灰、尾矿、煤矸石、建筑废物等中的至少一种。这些固体废弃物的主要成分为二氧化硅，其经过所述表面改性剂的改性后形成的水化产物使表面固体废弃物颗粒表面暴露大量的羟基，便于进一步改性处理。

7、进一步地，步骤(1)中，所述表面改性剂包括氢氧化钠、氢氧化钾、硅酸钠、硅酸钾、碳酸钠等中的至少一种。

8、进一步地，步骤(1)中，所述加热温度范围为45～75℃，所述搅拌反应的搅拌速率为600～1500rpm，反应时间为24～48h。

9、进一步地，步骤(2)中，所述疏水剂、富硅羟基物质、催化剂的比例为3～8重量份：0.3～0.5重量份：0.03～0.05重量份。

10、进一步地，步骤(2)中，所述疏水剂包括：羟基封端的聚二甲基硅氧烷、异丁基三乙氧基硅烷、1h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅、六甲基而硅氧烷、六甲基二硅胺烷、室温硫化硅橡胶等中的至少一种。在本发明，所述疏水剂的主要作用是在催化剂的作用下与固体废弃物颗粒表面暴露的羟基反应实现疏水剂的接枝。

11、进一步地，步骤(2)中，所述富硅羟基物质包括：正硅酸乙酯、硅溶胶、纳米二氧化硅分散液等中的至少一种。在本发明中，所述富硅羟基物质作为疏水改性剂与预激发矿渣粉接枝的中间体，提高疏水改性剂在矿渣粉负载能力。

12、进一步地，步骤(2)中，所述催化剂包括二月桂酸二丁基锡等。在本发明中，所述催化剂的主要作用包括提高疏水改性剂与预激发矿渣粉的接枝效率。

13、进一步地，步骤(2)中，所述搅拌反应的搅拌速率为300～700rpm，反应时间为20～28小时。

14、进一步地，步骤(2)中，采用无水乙醇、异丙醇、乙二醇等中的任意一种对所述固相产物进行洗涤。可选地，重复所述洗涤过程3～5次，以充分去除固相产物表面残留的反应液。

15、进一步地，步骤(2)中，所述烘干的温度为100～110℃，烘干时间为22～25小时。

16、进一步地，步骤(2)中，所述疏水微粉的粒径范围为150nm～200μm。

17、其次，本发明公开所述利用固体废弃物制备疏水微粉的方法制备的疏水微粉在混凝土材料中的应用。优选地，所述疏水微粉在混凝土中的掺加量为混凝土质量的5～60％。

18、相较于现有技术，本发明至少具有以下方面的有益技术效果：

19、本发明在前期试验中，为了将固体废弃物制备成疏水微粉，将固体废弃物与疏水剂进行简单的物理共混进行物理吸附改性。然而，本发明发现使用这种方法得到的疏水微粉添加到混凝土中后测试得到的结果不佳。经过进一步研究发现：这种疏水微粉在随混凝土搅拌带来的外力等的作用下会使吸附的疏水剂脱落，导致这种疏水微粉的疏水稳定性差，疏水效果不佳，且无法起到疏水粉末应有的作用。为此，本发明提出了对固体废弃物预激发并在原位改性接枝疏水剂的方式，不仅得到的疏水微粉的疏水稳定性高，而且能够积极参与到混凝土中水泥的水化过程形成胶凝物质起到晶种效应，促进水泥基材料的早期水化，提高混凝土的强度。其原因在于：首先，本发明利用所述表面改性剂对固体废弃物颗粒的表面进行改性，从而使固体废弃物颗粒的表面暴露大量的羟基，这些羟基作为接枝位点，其在所述富硅羟基物质和催化剂的作用下与疏水剂上的缩聚端羟基完成键合，从而牢固地将疏水剂连接在固体废弃物颗粒的表面，能够有效克服上述的物理吸附的方式容易造成吸附在固体废弃物颗粒表面的疏水剂脱落的问题，大幅度提高得到的疏水微粉的疏水稳定性。其次，由于所述接枝位点的建立，有助于提高疏水剂的接枝成功率和均一性，提高疏水效果。除此之外，上述的在固体废弃物表面物理吸附疏水剂得到的疏水微粉除了作为填料之外，其主要表现的疏水作用，而这种疏水作用进一步阻碍了固体废弃物进行水化，未能对固体废弃物在混凝土中的潜能。而经过本发明的所述表面改性剂的改性后，固体废弃物表层的硅氧键被破坏，从而使低活性的固体废弃物表面转换为高活性表面，使得本发明的疏水微粉兼具稳定的高疏水性和高活性，其在进入混凝土后可以快速、积极地参与水化形成胶凝物质，提高混凝土的强度，而不仅仅是发挥填料的作用，提高了固体废弃物的利用价值。

技术特征：

1.一种利用固体废弃物制备疏水微粉的方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的利用固体废弃物制备疏水微粉的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述固体废弃物、表面改性剂、水的比例为5～15重量份：13～25重量份：20～50重量份；

3.根据权利要求1所述的利用固体废弃物制备疏水微粉的方法，其特征在于，步所述表面改性剂包括氢氧化钠、氢氧化钾、硅酸钠、硅酸钾、碳酸钠等中的至少一种；

4.根据权利要求1所述的利用固体废弃物制备疏水微粉的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述疏水剂、富硅羟基物质、催化剂的比例为3～8重量份：0.3～0.5重量份：0.03～0.05重量份。

5.根据权利要求4所述的利用固体废弃物制备疏水微粉的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述疏水剂包括：羟羟基封端的聚二甲基硅氧烷、异丁基三乙氧基硅烷、1h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅、六甲基而硅氧烷、六甲基二硅胺烷、室温硫化硅橡胶中的至少一种。

6.根据权利要求4所述的利用固体废弃物制备疏水微粉的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述富硅羟基物质包括：正硅酸乙酯、硅溶胶、纳米二氧化硅分散液中的至少一种。

7.根据权利要求4所述的利用固体废弃物制备疏水微粉的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述催化剂包括二月桂酸二丁基锡。

8.根据权利要求1-7任一项所述的利用固体废弃物制备疏水微粉的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述搅拌反应的搅拌速率为300～700rpm，反应时间为20～28小时；

9.根据权利要求1-7任一项所述的利用固体废弃物制备疏水微粉的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述烘干的温度为100～110℃，烘干时间为22～25小时；可选地，步骤(2)中，所述疏水微粉的粒径范围为150nm～200μm。

10.权利要求1-9任一项所述利用固体废弃物制备疏水微粉的方法制备的疏水微粉在混凝土材料中的应用；优选地，所述疏水微粉在混凝土中的掺加量为混凝土质量的5～60％。

技术总结
本发明涉及混凝土疏水剂制备技术领域，具体公开一种利用固体废弃物制备疏水微粉的方法及应用。所述方法包括如下步骤：(1)将以二氧化硅为主的固体废弃物、表面改性剂与水混匀后在加热条件下进行搅拌反应，得到含有改性固体废弃物的反应体系，所述表面改性剂为碱性物质。(2)在所述反应体系中加入疏水剂、富硅羟基物质和催化剂搅拌反应，反应结束后分离出固相产物，对其洗涤去除表面残留的反应液，烘干后磨细，即得疏水微粉。本发明的方法将固体废弃物制备成了具有稳定疏水性的混凝体添加剂，不仅能够制备疏水混凝土，而且兼具填料以及提高混凝土力学性能的作用。

技术研发人员：赵丕琪,卢烁,李琦琦,王守德,芦令超
受保护的技术使用者：济南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16