利用铝灰和微硅粉协同制备地质聚合物胶凝材料的方法

本发明涉及地质聚合物材料，具体涉及一种利用铝灰和微硅粉协同制备地质聚合物的方法。

背景技术：

1、铝灰是铝电解生产过程中产生的铝氧化物的混合物，其中含有大量的金属铝、三氧化二铝(al2o3)、氟化物以及氮化物，这些可溶性的氟化物和氮化物会污染环境，使土壤盐碱化，对人体健康及生态安全造成威胁。微硅粉则是在熔炼硅铁合金时，硅热电炉中产生的硅气体与氧气结合形成的球形粉尘，其中含有大量的二氧化硅(s io2)。由于微硅粉质量轻、颗粒细小，排入空气会危及人体健康，所以目前主要处理方式是堆积或填埋，很大程度上浪费了土地资源。

2、地质聚合物又称地聚合物或地聚物，最早是在1978年由法国人约瑟夫·戴维德维斯提出的。它是一种主要由富含铝硅酸盐的天然矿物、工业固体废弃物为原料，在碱性激发剂作用下，于室温条件生成的一种由[sio4]和[al o4]四面体结构单元通过共用氧交替键合而构成的三维空间网状结构的聚铝硅酸盐胶凝材料。将含有三氧化二铝(al2o3)和二氧化硅(s io2)的冶金固废用于制备该材料，既可以将冶金大宗固废进行大规模消纳，也可以一定程度上解决冶金固废占用土地资源、污染环境和危害人体健康的问题。如刘勇等人在《一种地聚物及其制备方法》(申请公布号：cn116730668a)中公开了一种由高炉渣、燃煤炉渣、激发剂、减水剂和水所制备的地质聚合物。该地质聚合物实现了部分冶金固废的回收再利用，且密实度高，孔隙率低。但是该工艺流程比较复杂，对于原料的粒径分布要求高，且需要加入消泡剂和减水剂来维持地质聚合物的粘度，这就导致了成本增加。再如王志鑫等人在《一种地聚物复合材料及其制备方法》(申请公布号：cn116003038a)中公开了一种由矿物掺和料、海藻酸钠和碱激发剂制备的地质聚合物。该地质聚合物同样实现了冶金固废的回收再利用，且具有良好的早期强度。由于加入了海藻酸钠，使得该材料的初凝和终凝时间有所缩减，但是该工艺所需原料成本高，其次当硅铝比小于1.5时，该材料几乎无强度。在资源化回收利用冶金固废的同时，制备出一种绿色低碳、成本低廉、力学性能优异的地质聚合物是解决环境问题对冶金行业减污降碳的迫切要求的有效方法之一。

技术实现思路

1、本发明的目的是：铝灰和微硅粉两种冶金废弃物不仅污染水土，破坏周遭生态平衡，并且堆存和填埋时会占用大面积土地，浪费土地资源。目前二者的综合利用途径较少，且最终产出属于低附加值产品。利用铝灰和微硅粉制备地质聚合物胶凝材料不仅能大规模消纳二者，解决环境污染问题，还能生产一种高附加值的绿色低碳、成本低廉、力学性能优异的产品，这也为冶金行业减污降碳提供了一种新思路。

2、利用铝灰和微硅粉制备地质聚合物胶凝材料的方法，其特征在于包括以下步骤完成：

3、步骤一：将氢氧化钠配制成一定浓度的碱激发剂溶液；

4、步骤二：将铝灰和微硅粉原料经破碎后过标准筛，收集备用；

5、步骤三：将步骤二得到的一定粒度的铝灰和微硅粉放入搅拌设备中混合均匀，即得铝灰-微硅粉混合料；

6、步骤四：将步骤一配制好的碱激发剂溶液倒入到步骤三得到的混合料中，并设置一定搅拌速度搅拌均匀，即得地质聚合物凝胶；

7、步骤五：将步骤四得到地质聚合物凝胶注入到模具中固化后脱模，并养护一定时长后即可得到铝灰-微硅粉基地质聚合物。

8、本发明原理

9、在地质聚合物制备过程中，碱激发剂溶液可以为地聚反应提供碱性环境，并且当碱激发剂溶液接触到—s i—o—时，水作用使碱和氧原子间的离子键很容易断裂，碱离子就溶解于水中。开始时，—o-+na离子键会进行水化，形成硅醇基团s i—oh，反应式如(1)。这形成了羟基离子，并随溶液ph值而增大，进而攻击硅氧键si—o—s i—o，使得硅氧键断裂和结构分解为更小的分子片段，反应式如(2)。当上述解聚反应完成后—al—o—开始进入反应体系，与—si—oh和+na—o—si—共同反应生成[sio4]四面体和[alo4]四面体共用氧的结构单元，这就是地质聚合物的基础结构单，反应式如(3)。

10、—s i—o-++na+h2o→s i—oh+oh-+na (1)

11、s i—o—s i—o+oh-→—si—oh++na—o—si— (2)

12、—s i—oh+—al—o—++na—o—si—→o3—si—o—al—o3 (3)

技术特征：

1.一种利用铝灰和微硅粉协同制备地质聚合物胶凝材料的方法，其特征在于包括以下步骤完成：

2.根据权利要求1所述的一种铝灰和微硅粉协同制备地质聚合物胶凝材料的方法，其特征是，所述步骤一中所述碱激发剂溶液需要满足浓度为0.1～6mol/l。

3.根据权利要求1所述的一种铝灰和微硅粉协同制备地质聚合物胶凝材料的方法，其特征是，所述步骤三铝灰和微硅粉满足二氧化硅与氧化铝的摩尔比为1.5～6。

4.根据权利要求1所述的一种铝灰和微硅粉协同制备地质聚合物胶凝材料的方法，其特征是，所述步骤四中搅拌速度在60～1200r/min，搅拌时长满足0.5～3h。

5.根据权利要求1所述一种铝灰和微硅粉协同制备地质聚合物胶凝材料的方法，其特征是，所述步骤五养护温度满足20℃，养护时长满足1～28d。

技术总结
一种利用铝灰和微硅粉协同制备地质聚合物胶凝材料的方法，涉及地质聚合物胶凝材料领域，利用铝灰和微硅粉制备地质聚合物。本发明的目的是解决铝灰和微硅粉两大冶金废弃物堆存量大，污染环境等的问题。以铝灰和微硅粉为基础原料，加入不同质量比的碱激发剂溶液和水以制备地质聚合物，不仅解决了二者对环境等的污染问题，并且生产出了低碳、环保的新材料。具体制备方法：一、将碱激发剂配制成溶液；二、将铝灰和微硅粉按比例混合后加入到水中，搅拌均匀；三、将碱溶液缓慢加入到二所述的混合物中；四、将三中所述混合物搅拌均匀后浇入模具中养护成型，即可得到铝灰‑微硅粉基地质聚合物。本发明可获得一种铝灰‑微硅粉基地质聚合物的制备方法。

技术研发人员：朱小峰,郝源涛,师媛,杜雪岩,蒋凤琦,薛文康,王荣骄,李兰兰,肖帅,张永锋
受保护的技术使用者：兰州理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12