专利名称：辨识固体废弃物基地聚合物与普通水泥水化产物的方法
技术领域：
本发明属于材料技术领域，涉及一种辨识固体废弃物基地聚合物与普通水泥水化产物的方法。
背景技术：
普通硅酸盐水泥是一种传统的胶凝材料，为人类经济发展与社会进步做出了巨大贡献，然而普通硅酸盐水泥的原材料的紧缺已是全球必须面对的十分紧迫的实际问题，在本世纪中叶就将耗尽。加之，普通硅酸盐水泥不仅高能源消耗，而且其生产过程是一个高碳排放的过程，生产I吨水泥将排放约I吨的温室气体。因此，各国纷纷出台相应的措施限制水泥工业规模的发展，同时由于国家经济建设迫切需要，各国也相继发展新型的绿色胶凝材料，以取代这种传统的胶凝材料水泥，使胶凝材料在为人类造福的同时不至于给环境造成严重的负担。固体废弃物基地聚合物是一种绿色环保的新型胶凝材料，是发展循环经济的产物，符合节能减排的要求，是当前社会发展的趋势，具有良好的经济效益与社会效益。地聚合物是碱激发水泥中的一种。地聚合物是以硅铝质材料为原料通过矿物聚缩反应而生成的由硅氧四面体和铝氧四面体聚合得到的具有非晶态和准晶态特征的三维网络的一类胶凝材料，是一种低能耗、长寿命、无CO2排放的高性能无机聚合物。地聚合物的常用原材料为硅铝质成分较纯的偏高岭土。随着人类对环境保护意识的加强和研究工作的进展，制备地聚合物的原材料也已从天然矿物原料拓宽为可利用固体废弃物，如粉煤灰等。由于地聚合物在处置利用固体废弃物及诸多性能方面的优越性，地聚合物的研究引起了世界范围内的广泛关注。固体废弃物基地聚合物是一种无熟料水泥，节约了能源消耗；加之这种新型碱激发水泥仅有少量温室气体的排放，是一种低碳排放的环保型的胶凝材料。另外，它在一定程度上可以取代水泥，可以减少水泥的生产，也就是减少了水泥生产过程中的高资源、能源消耗，高碳排放，也减少了其对环境造成的巨大压力。因此，加快固体废弃物基地聚合物的表征和方法的研究，推动低碳排放的绿色环保型的胶凝材料的研发，符合当前社会发展的趋势，具有良好的经济效益与社会效益。固体废弃物基地聚合物反应体系是地聚合物产物与普通水泥水化产物共存的体系。国内外学者在地聚合物的制备、合成研究方面开展了大量的工作，并取得了丰硕的成果，但在表征手段和理论研究方面进展缓慢。这主要是由于受到了分析方法的限制。传统的用于研究普通硅酸盐水泥的研究手段不宜照搬地应用于无定形地聚合物的分析和表征。尽管，如X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱分析(FT-1R)等，能从不同角度揭示地聚合物晶相组成、微观形貌、成键方式等特征，但其共同的局限性是不能定量地区分地聚合物产物与普通硅酸盐水泥水化产物。国内外的大量研究发现，地聚合物的组成与结构复杂，其结构通常是类似于高分子聚合物，且地聚合物体系中的主要产物会随着原材料化学组成和激发条件的不同产生巨大差异。当采用粉煤灰等工业固体废弃物作为地聚合物先驱物时，在体系中引入了各种杂质组分时，其产物组成与结构更为复杂，这是地聚合物理论研究亟需突破的瓶颈，也是制约地聚合物原材料扩展的重要因素。
发明内容
本发明的目的在于为克服现有技术的局限，提供一种辨识固体废弃物基地聚合物与普通硅酸盐水泥水化产物的方法。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:本发明是新型胶凝材料固体废弃物基地聚合物与普通硅酸盐水泥水化产物的表征与鉴别，本发明基于选择性溶解原理，采用梯度酸法以区分和辨识固体废弃物基地聚合物与普通硅酸盐水泥水化产物，通过计算其反应产物在梯度酸中的溶解率得到体系的聚合系数/水化系数，用来定量评估地聚合物产物和水化产物在各自体系中的相对含量。本发明中普通硅酸盐水泥水化产物则泛指在水泥基材料的水化体系中普遍存在的水化产物，后文不再赘述。普通硅酸盐水泥水化产物体系采用普通硅酸盐水泥(C)制得；高钙粉煤灰基地聚合物和偏高岭土基地聚合物分别以高钙粉煤灰(CFA)、偏高岭土(MK)为主要原料，并以氢氧化钙(CH)调节地聚合物体系的钙含量，体系采用水玻璃激发，并在一定的养护条件下养护，使该地聚合物体系具有较好的性能，可以在一定范围内部分取代水泥使用。本发明根据选择性溶解原理，以梯度酸法区分和辨识固体废弃物基地聚合物和普通硅酸盐水泥水化产物。采用聚合系数/水化系数来定量评估地聚合物产物与水化产物共存体系中，地聚合物产物和普通水泥水化产物的相对含量。一种辨识固体废弃物基地聚合物与普通水泥水化产物的方法，包括如下步骤:(I)分别制备地聚合物净浆和普通硅酸盐水泥净浆，然后将地聚合物和普通硅酸盐水泥净浆分别养护至设定龄期；(2)将步骤(I)中养护至设定龄期的地聚合物净浆、普通硅酸盐水泥净浆试样分别磨碎、干燥；(3)配制若干组梯度酸溶液；分别称取磨细且烘干的地聚合物、普通硅酸盐水泥净浆试样分别加入梯度酸溶液中；搅拌溶解，维持梯度酸溶液的PH值在预设值，待充分溶解过滤并用去离子水将残渣洗涤至滤液呈中性；(4)将残渣烘干并煅烧至800°C，称量残渣的重量，计算溶解率C ；(5)根据地聚合物、普通硅酸盐水泥净浆试样在梯度酸中的溶解率，确定区分地聚合物产物与普通硅酸盐水泥水化产物的酸临界点，区分和辨识固体废弃物基地聚合物中地聚合物产物与普通硅酸盐水泥水化产物。所述的地聚合物优选为高钙粉煤灰CFA基地聚合物或偏高岭土 MK基地聚合物。本发明方法对于辨别其他固体废弃物基地聚合物与普通硅酸盐水泥的区别具有通适性。所述的步骤(I)中，养护条件为室温，自然养护，龄期为28-90天。所述的步骤(I)中，地聚合物净浆中采用的水玻璃的模数为1.5，掺量为10% (水玻璃的质量掺量(以Na2O当量计)为高钙粉煤灰/偏高岭土质量的10%)。采用的原材料高钙粉煤灰地聚合物中的含钙量为11.3%，偏高岭土地聚合物的含钙量为0.2%，普通硅酸盐水泥的含钙量为64.76%。
所述的步骤(I)高钙粉煤灰CFA基或偏高岭土 MK基地聚合物中的水灰比为0.30，其中水包括水玻璃溶液所含的水量和外加水量。所述的步骤(I)中，普通硅酸盐水泥的水灰比为0.30。所述的步骤(2)中，地聚合物净浆、普通硅酸盐水泥净浆分别磨细至全部通过200目标准筛，并在50 V烘箱中烘干。为保证数据可靠性，将步骤(3)和(4)重复两次。所述的步骤(3)中梯度酸溶液为ρΗ=0、1.5,3.0,4.5,6.0的盐酸溶液，每组梯度酸中，各pH值的盐酸溶液均取200mL ;然后分别称取Ig磨细且烘干的地聚合物和普通硅酸盐水泥净衆试样各5份；搅拌溶解30min。所述的步骤(3)中，每30min调节酸度使pH值维持在预设值。基于步骤(3)和(4)，地聚合物产物与普通水泥水化产物在梯度酸中的酸溶性存在较大差异，区分地聚合物与普通水化产物的酸临界点为PH=3。本发明通过计算其反应产物在不同pH的酸中的溶解率得到体系的聚合系数/水化系数，用来定量评估地聚合物产物与普通硅酸盐水泥水化产物共存体系中地聚合物产物和普通硅酸盐水泥水化产物在各自体系中的相对含量。聚合系数与水化系数计算公式如下:
权利要求
1.一种辨识固体废弃物基地聚合物与普通水泥水化产物的方法，其特征在于:包括如下步骤: (1)分别制备地聚合物净浆和普通硅酸盐水泥净浆:然后将地聚合物和普通硅酸盐水泥净浆分别养护至设定龄期； (2)将步骤(I)中养护至设定龄期的地聚合物净浆、普通硅酸盐水泥净浆试样分别磨碎、干燥； (3)配制若干组梯度酸溶液；分别称取磨细且烘干的地聚合物、普通硅酸盐水泥净浆试样分别加入梯度酸溶液中；搅拌溶解，维持梯度酸溶液的PH值在预设值，待充分溶解过滤并用去离子水将残渣洗涤至滤液呈中性； (4)将残渣烘干并煅烧至80(TC，称量残渣的重量，计算溶解率； (5)根据地聚合物、普通硅酸盐水泥净浆试样在梯度酸中的溶解率，确定区分地聚合物产物与普通硅酸盐水泥水化产物的酸临界点，区分和辨识固体废弃物基地聚合物中地聚合物产物与普通硅酸盐水泥水化产物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述的地聚合物为高钙粉煤灰基地聚合物或偏高岭土基地聚合物。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述的步骤(I)中，养护条件为室温，自然养护，龄期为28-90天。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述的步骤(I)中，地聚合物净浆中采用的水玻璃的模数为1.5，掺量为10%，其中水玻璃的质量掺量以Na2O当量计为高钙粉煤灰/偏高岭土质量的10%。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于:所述的高钙粉煤灰地聚合物中的含钙量为11.3%，偏高岭土地聚合物的含钙量为0.2%，普通硅酸盐水泥的含钙量为64.76%。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于:所述的步骤(I)高钙粉煤灰基或偏高岭土MK基地聚合物中的水灰比为0.30，其中水包括水玻璃溶液所含的水量和外加水量。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述的步骤(I)中，普通硅酸盐水泥的水灰比为0.30。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述的步骤(2)中，地聚合物净浆、普通硅酸盐水泥净浆分别磨细至通过200目标准筛，并在50°C烘箱中烘干。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述的步骤(3)中梯度酸溶液为ρΗ=0、1.5,3.0,4.5,6.0的盐酸溶液，每组梯度酸中，各pH值的盐酸溶液均取200mL ;然后分别称取Ig磨细且烘干的地聚合物和普通娃酸盐水泥净衆试样各5份；搅拌溶解30min ； 或所述的步骤(3)中，每30min调节酸度使pH值维持在预设值。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:将步骤(3)和(4)重复两次。
全文摘要
一种辨识固体废弃物基地聚合物与普通水泥水化产物的方法，包括如下步骤分别制备地聚合物净浆和普通硅酸盐水泥净浆，养护至设定龄期；磨碎、干燥；加入梯度酸溶液中；搅拌溶解，每30min调节酸度使pH值维持在预设值，待充分溶解过滤并用去离子水将残渣洗涤至滤液呈中性；将残渣烘干并煅烧至800℃，称量残渣的重量，计算溶解率；确定区分地聚合物产物与普通硅酸盐水泥水化产物的酸临界点，区分和辨识固体废弃物基地聚合物中地聚合物产物与普通硅酸盐水泥水化产物。本发明为深入分析固体废弃物基地聚合物各组分在聚合反应过程中的作用机理以及地聚合物体系主要产物的化学组成及结构提供了的行之有效且简便易行的方法。
文档编号G01N5/04GK103115840SQ20131004190
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月1日 优先权日2013年2月1日
发明者郭晓潞, 施惠生 申请人:同济大学