一种基于多种固体废弃物的胶凝材料及其制备方法

摘要

本发明公开一种基于多种固体废弃物的胶凝材料，按质量百分比计，包括以下组分：页岩提钒尾渣15～40％、拜耳法赤泥10～25％、粉煤灰25～40％、氢氧化钠1～4％、水玻璃6～10％、水10～16％。本发明以页岩提钒尾渣、拜耳法赤泥和粉煤灰为主要原料得到胶凝材料，工艺流程简单，生产成本低、固废利用率高，且所得胶凝材料具有较好的强度，可以用作路基材料、固化材料和建筑材料。

权利要求

1.一种基于多种固体废弃物的胶凝材料，其特征在于，按质量百分比计，包括以下组分：页岩提钒尾渣15～40％、拜耳法赤泥10～25％、粉煤灰25～40％、氢氧化钠1～4％、水玻璃6～10％、水10～16％；

所述拜耳法赤泥中各组分的质量百分比为：SiO210～20％，Al2O315～30％，Na2O 5～

10％，Fe2O320～40％，CaO 0.5～2％，K2O 0.1～1％，MgO 0.01～0.5％，TiO2 1～5％，烧失量1～10％；

所述粉煤灰中各组分的质量百分比为：SiO230～60％，Al2O315～30％，Na2O 0～4％，Fe2O35～30％，CaO 10～20％，K2O 0～3％，MgO 0～0.5％，TiO2 0～1％，烧失量1～5％；

所述基于多种固体废弃物的胶凝材料由页岩提钒尾渣、拜耳法赤泥混匀煅烧，随后加入粉煤灰和碱性液体搅拌混匀，浇注到模具中振动成型，随后进行养护得到；所述碱性液体由氢氧化钠、水玻璃和水配制而成。

2.根据权利要求1所述的基于多种固体废弃物的胶凝材料，其特征在于，所述页岩提钒尾渣中各组分的质量百分比为：SiO250～85％，Al2O3 5～20％，Na2O 1～5％，Fe2O32～10％，CaO 0.5～4％，K2O 0.1～5％，MgO 0.1～3％，V2O5 0.1～1％，TiO2 0.1～1％，烧失量0.1～

1.25％。

3.根据权利要求1所述的基于多种固体废弃物的胶凝材料，其特征在于，所述页岩提钒尾渣、拜耳法赤泥和粉煤灰的粒径均小于74μm。

4.根据权利要求1所述的基于多种固体废弃物的胶凝材料，其特征在于，所述水玻璃的模数为2.2～3.3，固含量为34～43％，波美度为40～50。

5.一种基于多种固体废弃物的胶凝材料制备方法，其特征在于，所述制备方法的步骤包括：制备预处理渣、配制碱性液体、制备净浆和成型养护；其中，所述制备预处理渣步骤为将页岩提钒尾渣和拜耳法赤泥混匀，煅烧得到预处理渣；

所述制备净浆步骤为向所述预处理渣中加入粉煤灰和碱性液体，搅拌混匀，得到净浆；

所述成型养护步骤为将所述净浆浇注到模具中振动成型，随后进行养护得到基于多种固体废弃物的胶凝材料；

所述基于多种固体废弃物的胶凝材料制备方法用于制备权利要求1～4中的任一所述基于多种固体废弃物的胶凝材料。

6.根据权利要求5所述的基于多种固体废弃物的胶凝材料制备方法，其特征在于，所述碱性液体为氢氧化钠、水玻璃和水配制成碱性液体。

7.根据权利要求5所述的基于多种固体废弃物的胶凝材料制备方法，其特征在于，所述煅烧的温度为500～700℃，煅烧的时间为1～3h。

8.根据权利要求5所述的基于多种固体废弃物的胶凝材料制备方法，其特征在于，所述养护的具体步骤为：振动成型后，将浇注有净浆的模具用自封袋密封后置于养护箱中20～

24h，脱模后继续养护4～6天，得到胶凝材料，所述养护过程中的温度为20～60℃，相对湿度为80～90％。

说明书

一种基于多种固体废弃物的胶凝材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于固体废弃物资源化利用领域，具体涉及一种基于多种固体废弃物的胶凝材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 页岩提钒尾渣是将含钒页岩原矿经过破碎、磨矿、添加剂焙烧、浸出等工艺，提取出其中所含的钒后产生的废渣。目前，大多数提钒尾渣是作为废物堆存，不仅占用大量的土地，堆存过程中产生的渗滤液还会对土壤和水体造成污染，已经成为当前的一个亟待解决的问题。中国专利CN103482890A公开了一种以提钒尾渣为主要原料制备地聚合物的方法，以提钒尾渣55～76wt％，熟石灰为1～5wt％，无水硫酸钠为0.3～2wt％，偏高岭土为10～16wt％，氢氧化钠4～6wt％，硅灰为6～13wt％制备地聚合物。然而，制备过程中添加剂太多，造成成本较高，且陈化、压制等流程使得生产工艺较为复杂，且偏高岭土的使用消耗自然资源。

[0003] 中国作为世界最大四大氧化铝生产国，每年排放的赤泥量高达数百万吨(Liu,R.X.,Poon,C.S..Utilization of red mud derived from bauxite in selfcompacting concrete.J.Clean.Prod.2016,112,384-391.)。目前，赤泥大量的堆积不仅占用了有限的土地资源，同时也给周边的环境带来了危害。按照氧化铝生产工艺可划分为烧结法赤泥、拜耳法赤泥和联合法赤泥，拜耳法赤泥因为高铁、低钙和低活性的特性较难应用于建筑材料，而且由于高碱的特性，也会使之对传统建筑材料有害，因此目前迫切需要合适的途径来解决拜耳法赤泥带来的环境和安全问题。中国专利CN104150792B公开了一种地聚物胶凝材料及其制备方法，该地聚物胶凝材料以高岭土和提取铁后的拜耳法赤泥为主要原料制得，但该方法存在偏高岭土的用量大，自然资源消耗量大的缺陷，同时还存在煅烧时间长，能耗高，制备成本高等问题。

[0004] 粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物。随着我国电力工业的快速发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加，成为我国当前排量较大的工业废渣之一。大量的粉煤灰由于不加处理而产生扬尘，不仅污染大气，还会造成水体的污染，而其中的有毒化学物质也会对人体和生物造成危害，因此对粉煤灰的处理及综合利用问题也成为当前一个不容忽视的问题。中国专利CN109721337A公开了一种粉煤灰砖的制备方法，将45％粉煤灰、15％骨料、10％碳酸钡、8％石灰、14％破碎砖和炉渣8％混合，然后加水，搅拌，湿碾，陈腐及老化3d后成型，最后将成型体进行烧结制得粉煤灰砖。但该工艺流程较为复杂，存在烧结温度高，能耗高，产品用途单一等问题。

[0005] 上述技术均以处置一种或两种固废为目的，工艺流程复杂，自然资源消耗大且生产成本高。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种基于多种固体废弃物的胶凝材料及其制备方法，从而解决现有技术中仅能处置一种或两种固废、工艺流程复杂，自然资源消耗大，且生产成本高的技术问题。

[0007] 为达到上述技术目的，本发明提供了第一解决方案：一种基于多种固体废弃物的胶凝材料，按质量百分比计，包括以下组分：页岩提钒尾渣15～40％、拜耳法赤泥10～25％、粉煤灰25～40％、氢氧化钠1～4％、水玻璃6～10％、水10～16％。

[0008] 本发明提供了第二解决方案：一种基于多种固体废弃物的胶凝材料制备方法，该制备方法的步骤包括：制备预处理渣、配制碱性液体、制备净浆和成型养护；其中，上述制备预处理渣为将页岩提钒尾渣和拜耳法赤泥混匀，煅烧得到预处理渣；上述制备净浆为向所述预处理渣中加入粉煤灰和碱性液体，搅拌混匀，得到净浆；上述成型养护为将所述净浆浇注到模具中振动成型，随后进行养护得到基于多种固体废弃物的胶凝材料；该基于多种固体废弃物的胶凝材料制备方法用于制备上述基于多种固体废弃物的胶凝材料。

[0009] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：以页岩提钒尾渣、拜耳法赤泥和粉煤灰为主要原料制备胶凝材料，工艺流程简单，生产成本低、固废利用率高，且所得胶凝材料具有较好的强度，可以用作路基材料、固化材料和建筑材料。

具体实施方式

[0010] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0011] 对于本发明的第一解决方案，本发明提供了一种基于多种固体废弃物的胶凝材料，按质量百分比计，包括以下组分：页岩提钒尾渣15～40％、拜耳法赤泥10～25％粉、粉煤灰25～40％、氢氧化钠1～4％、水玻璃6～10％、水10～16％。其中，页岩提钒尾渣提供少量的活性硅成分，赤泥提供一定的碱性环境和少量的活性硅铝成分，粉煤灰可以在碱性液体激发的条件下提供更多的活性硅铝成分，发生地聚合反应生成N-A-S-H凝胶提高胶凝材料的抗压强度。在此比例范围内，能得到较高强度的胶凝材料，同时，过多的页岩提矾尾渣和拜耳法赤泥将导致最终产品强度降低。其中，上述页岩提钒尾渣中各组分的质量百分比为：SiO250～85％，Al2O3 5～20％，Na2O 1～5％，Fe2O32～10％，CaO 0.5～4％，K2O 0.1～5％，MgO 0.1～3％，V2O5 0.1～1％，TiO2 0.1～1％，烧失量0.1～1.25％；上述拜耳法赤泥中各组分的质量百分比为：SiO210～20％，Al2O315～30％，Na2O 5～10％，Fe2O320～40％，CaO 
0.5～2％，K2O 0.1～1％，MgO 0.01～0.5％，TiO2 1～5％，烧失量1～10％；上述粉煤灰中各组分的质量百分比为：SiO230～60％，Al2O315～30％，Na2O 0～4％，Fe2O35～30％，CaO 10～
20％，K2O 0～3％，MgO 0～0.5％，TiO2 0～1％，烧失量1～5％；上述页岩提钒尾渣、拜耳法赤泥和粉煤灰的粒径均小于74μm，在此粒度范围内，能使碱性物质和上述页岩提钒尾渣、拜耳法赤泥和粉煤灰间具有较大的接触面积，生成更多的活性硅铝成分，从而提高产品的抗压强度，同时，一些不参与反应的细颗粒能够填充到反应过程中产生的微小气泡或孔径中，可以有效改善胶凝材料的抗压性能；上述水玻璃的模数为2.2～3.3，固含量为34～43％，波美度为40～50。

[0012] 对于本发明的第二解决方案，提出一种基于多种固体废弃物的胶凝材料制备方法，该制备方法的步骤包括：制备预处理渣、配制碱性液体、制备净浆和成型养护；其中，[0013] 上述制备预处理渣为将页岩提钒尾渣和拜耳法赤泥混匀，煅烧得到预处理渣；其中，将页岩提钒尾渣和拜耳法赤泥粉体混匀后煅烧可以在一定程度上提高预处理渣的活性，有助于后续反应的进行；优选的，煅烧的温度为500～700℃，煅烧的时间为1～3h，在此煅烧温度和煅烧时间范围内，能对提钒尾渣和拜耳法赤泥进行充分活化，且避免造成能耗过大。

[0014] 上述配制碱性液体为将氢氧化钠、水玻璃和水配制成碱性液体。

[0015] 上述制备净浆为向上述预处理渣中加入粉煤灰和碱性液体，搅拌混匀，得到净浆。

[0016] 上述成型养护为将上述净浆浇注到模具中振动成型，随后进行养护得到基于多种固体废弃物的胶凝材料；养护的具体步骤为：振动成型后，将浇注有净浆的模具用自封袋密封后置于养护箱中20～24h，脱模后继续养护4～6天，得到胶凝材料，上述养护过程中的温度为20～60℃，相对湿度为80～90％。

[0017] 该基于多种固体废弃物的胶凝材料制备方法用于制备上述第一解决方案中基于多种固体废弃物的胶凝材料。

[0018] 本发明中，制备预处理渣前还包括粉体细化，粉体细化的具体步骤为：将页岩提钒尾渣、拜耳法赤泥和粉煤灰放在烘箱中，烘至质量不再变化后，分别进行冷却、振磨和过筛。

[0019] 本发明中，预处理后的页岩提钒尾渣提供少量的活性硅成分，预处理后的拜耳法赤泥可以提供少量的活性硅铝成分以及部分游离的碱，粉煤灰在碱性液体激发的条件下能够提供较多的活性硅铝成分，有效改善体系中活性SiO2和Al2O3的比例，三种原料在碱液激发下发生地质聚合反应生成N-A-S-H凝胶，由于粉煤灰中较高的CaO含量，同时发生水化反应生成具有速凝性的C-S-H凝胶，能够提高胶凝材料的早期抗压强度，减少养护时间。

[0020] 实施例1

[0021] 本实施例提供了一种基于多种固体废弃物的胶凝材料，该基于多种固体废弃物的胶凝材料的各组分含量分别为：页岩提钒尾渣为15wt％、拜耳法赤泥25wt％、粉煤灰为40wt％、氢氧化钠4wt％、水玻璃6wt％、自来水10wt％。

[0022] 该基于多种固体废弃物的胶凝材料通过以下步骤得到，按上述组分及其含量：

[0023] 粉体细化：将页岩提钒尾渣、拜耳法赤泥和粉煤灰放在烘箱中，烘至质量不再变化，冷却至室温后分别用振动磨进行振磨，随后过筛；

[0024] 制备预处理渣:将页岩提钒尾渣和拜耳法赤泥混匀，在500℃下煅烧3h得到预处理渣，冷却后备用。

[0025] 配制碱性液体:将氢氧化钠、水玻璃和水配制成碱性液体，冷却后备用；

[0026] 制备净浆:将上述预处理渣与粉煤灰混合均匀，再加入碱性液体，搅拌均匀，得到净浆；

[0027] 成型养护:将上述净浆浇注到模具中振动成型，得到试样，随后将振动成型后的试样用自封袋密封后放入养护箱中养护24h，脱模后将试样置于室温下继续养护6天，得到胶凝材料。

[0028] 采用本方法得到的基于多种固体废弃物的胶凝材料的7天抗压强度值为25.3MPa。

[0029] 实施例2

[0030] 本实施例提供了一种基于多种固体废弃物的胶凝材料，该基于多种固体废弃物的胶凝材料的各组分含量分别为：页岩提钒尾渣为25wt％、拜耳法赤泥18wt％、粉煤灰为32wt％、氢氧化钠1wt％、水玻璃8wt％、自来水16wt％。

[0031] 该基于多种固体废弃物的胶凝材料通过以下步骤得到，按上述组分及其含量：

[0032] 粉体细化：将页岩提钒尾渣、拜耳法赤泥和粉煤灰放在烘箱中，烘至质量不再变化，冷却至室温后分别用振动磨进行振磨，随后过筛；

[0033] 制备预处理渣:将页岩提钒尾渣和拜耳法赤泥混匀，在600℃煅烧1.5h得到预处理渣，冷却后备用；

[0034] 配制碱性液体:将氢氧化钠、水玻璃和水配制成碱性液体，冷却后备用；

[0035] 制备净浆:将上述预处理渣与粉煤灰混合均匀，再加入碱性液体，搅拌均匀，得到净浆；

[0036] 成型养护:将上述净浆浇注到模具中振动成型，得到试样，随后将振动成型后的试样用自封袋密封后放入养护箱中养护24h，脱模后将试样置于室温下继续养护6天，得到胶凝材料。

[0037] 采用本方法得到的基于多种固体废弃物的胶凝材料的7天抗压强度值为26.1MPa。

[0038] 实施例3

[0039] 本实施例提供了一种基于多种固体废弃物的胶凝材料，该基于多种固体废弃物的胶凝材料的各组分含量分别为：页岩提钒尾渣为40wt％、拜耳法赤泥10wt％、粉煤灰为25wt％、氢氧化钠2wt％、水玻璃10wt％、自来水13wt％。

[0040] 该基于多种固体废弃物的胶凝材料通过以下步骤得到，按上述组分及其含量：

[0041] 粉体细化：将页岩提钒尾渣、拜耳法赤泥和粉煤灰放在烘箱中，烘至质量不再变化，冷却至室温后分别用振动磨进行振磨，随后过筛；

[0042] 制备预处理渣:将页岩提钒尾渣和拜耳法赤泥混匀，在700℃煅烧1h得到预处理渣，冷却后备用。

[0043] 配制碱性液体:将氢氧化钠、水玻璃和水配制成碱性液体，冷却后备用；

[0044] 制备净浆:将上述预处理渣与粉煤灰混合均匀，再加入碱性液体，搅拌均匀，得到净浆；

[0045] 成型养护:将上述净浆浇注到模具中振动成型，得到试样，随后将振动成型后的试样用自封袋密封后放入养护箱中养护20h，脱模后将试样置于室温下继续养护6天，得到胶凝材料。

[0046] 采用本方法得到的基于多种固体废弃物的胶凝材料的7天抗压强度值为23.5MPa。

[0047] 采用本实施1～3中的方法，均能得到胶凝材料，其原因为实施例1～3将赤泥和页岩提矾尾渣进行预处理后，页岩提钒尾渣提供少量的活性硅成分，预拜耳法赤泥可以提供少量的活性硅铝成分以及部分游离的碱；在碱性液体激发的条件下，粉煤灰能够提供较多的活性硅铝成分，有效改善体系中活性SiO2和Al2O3的比例，三种原料在碱液激发下发生地质聚合反应生成N-A-S-H凝胶，由于粉煤灰中较高的CaO含量，同时发生水化反应生成具有速凝性的C-S-H凝胶，从而使所得到的胶凝材料具有较好的早期抗压强度，减少养护时间。

[0048] 对比例1

[0049] 本对比例提供了一种基于多种固体废弃物的胶凝材料，该基于多种固体废弃物的胶凝材料的各组分含量分别为：页岩提钒尾渣为43wt％、粉煤灰为32wt％、氢氧化钠1wt％、水玻璃8wt％、自来水16wt％。

[0050] 该基于多种固体废弃物的胶凝材料通过以下步骤得到，按上述组分及其含量：

[0051] 粉体细化：将页岩提钒尾渣和粉煤灰放在烘箱中，烘至质量不再变化，冷却至室温后分别用振动磨进行振磨，随后过筛；

[0052] 制备预处理渣：将页岩提钒尾渣在600℃煅烧1.5h得到预处理渣，冷却后备用。

[0053] 配制碱性液体：将氢氧化钠、水玻璃和水配制成碱性液体，冷却后备用；

[0054] 制备净浆：将上述预处理渣与粉煤灰混合均匀，再加入碱性液体，搅拌均匀，得到净浆；

[0055] 成型养护：将上述净浆浇注到模具中振动成型，得到试样，随后将振动成型后的试样用自封袋密封后放入养护箱中养护24h，脱模后将试样置于室温下继续养护6天，得到胶凝材料。

[0056] 采用本方法得到的基于多种固体废弃物的胶凝材料的7天抗压强度值为20.6MPa。其原因为，本对比例中，并未加入赤泥使其与页岩提矾尾渣混合煅烧，从而导致页岩提钒尾渣预处理效果差，造成产品强度下降。

[0057] 对比例2

[0058] 本对比例提供了一种基于多种固体废弃物的胶凝材料，该基于多种固体废弃物的胶凝材料的各组分含量分别为：页岩提钒尾渣为45wt％、拜耳法赤泥30wt％粉、氢氧化钠1wt％、水玻璃8wt％、自来水16wt％。

[0059] 该基于多种固体废弃物的胶凝材料通过以下步骤得到，按上述组分及其含量：

[0060] 粉体细化：将页岩提钒尾渣和拜耳法赤泥放在烘箱中，烘至质量不再变化，冷却至室温后分别用振动磨进行振磨，随后过筛；

[0061] 制备预处理渣:将页岩提钒尾渣和拜耳法赤泥混匀，在600℃煅烧1.5h得到预处理渣，冷却后备用。

[0062] 配制碱性液体:将氢氧化钠、水玻璃和水配制成碱性液体，冷却后备用；

[0063] 制备净浆:将上述预处理渣与碱性液体混合均匀，得到净浆；

[0064] 成型养护:将上述净浆浇注到模具中振动成型，得到试样，随后将振动成型后的试样用自封袋密封后放入养护箱中养护24h，脱模后将试样置于室温下继续养护6天，得到胶凝材料。

[0065] 采用本方法得到的基于多种固体废弃物的胶凝材料的7天抗压强度值为0.3MPa。其可能原因为，本对比例中，并未加入粉煤灰使其与碱性溶液混合，无法提供足够的活性硅铝成分，从而导致生成的凝胶相较少，产品强度很低；同时，由于未添加粉煤灰，使试样中CaO含量较低，在发生地质聚合反应时，发生水化反应生成微量的水化硅酸钙和水化硅酸铝，不能有效提高产品的早期强度。

[0066] 对比例3

[0067] 本对比例提供了一种基于多种固体废弃物的胶凝材料，该基于多种固体废弃物的胶凝材料的各组分含量分别为：页岩提钒尾渣为25wt％、拜耳法赤泥18wt％粉、粉煤灰为32wt％、氢氧化钠1wt％、水玻璃8wt％、自来水16wt％。

[0068] 该基于多种固体废弃物的胶凝材料通过以下步骤得到，按上述组分及其含量：

[0069] 粉体细化：将页岩提钒尾渣、拜耳法赤泥和粉煤灰放在烘箱中，烘至质量不再变化，冷却至室温后分别用振动磨进行振磨，随后过筛；

[0070] 配制碱性液体:将氢氧化钠、水玻璃和水配制成碱性液体，冷却后备用；

[0071] 制备净浆:将页岩提钒尾渣、拜耳法赤泥与粉煤灰混合均匀，再加入碱性液体，搅拌均匀，得到净浆；

[0072] 成型养护:将上述净浆浇注到模具中振动成型，得到试样，随后将振动成型后的试样用自封袋密封后放入养护箱中养护24h，脱模后将试样置于室温下继续养护6天，得到胶凝固体材料。

[0073] 采用本方法得到的基于多种固体废弃物的胶凝材料的7天抗压强度值为18.2MPa。其可能原因为，本对比例中，并未对提钒尾渣和赤泥进行预处理，两者活性较低，在后续发生的反应中起到的作用很小，从而导致最终产品的强度较低。

[0074] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明将页岩提钒尾渣、拜耳法赤泥和粉煤灰三种固废的综合利用得到胶凝材料为解决三种固废带来的土地占用和环境污染问题提供了一种新的方法，该方法工艺流程简单，生产成本低、固废利用率高且环境友好；同时，本发明在预处理过程中不需要添加额外的添加剂，在制备过程中也不需要辅助天然硅铝原料，能够减少对自然资源的需求，降低成本；此外，本发明所制备的胶凝材料抗压性能较好，孔隙率低，其7天的抗压强度可以达到25MPa以上，可以用作路基材料、固化材料和建筑材料。

[0075] 以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。