高掺量废大理石粉-矿渣基碱激发胶凝材料及其制备方法

摘要

一种高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料及其制备方法，涉及一种低碳建筑材料技术领域，所述胶凝材料按重量份计包括：废大理石粉220～320份、S95矿粉120～220份、碱激发剂150～250份、水80～130份；所述碱激发剂由硅酸钠水溶液、氢氧化钠颗粒组成；方法是按重量分别称取各原料，混合搅拌均匀后得到本发明所述胶凝材料。本发明采用的废大理石粉来源于石材加工厂的固体废弃物，通过与矿粉混合制备二元胶凝材料，既可解决废大理石粉作为前驱体活性不足的问题，又可解决一元矿渣水泥凝结时间过短的问题；而且大幅提高废大理石粉的掺量，使废大理石粉在碱激发前驱体材料领域中实现资源最大化利用的目标。

权利要求

1.一种高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：①按重量份分别称取材料：废大理石粉220～320份、矿粉120～220份、碱激发剂150～

250份、水80～130份；

②将废大理石粉和矿粉加入搅拌锅中，低速搅拌1～3min，制备混合粉料；

③将碱激发剂、水混合均匀，制备混合碱液；

④往搅拌锅中加入混合碱液，低速搅拌1～3min，制得高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料；

所述碱激发剂为硅酸钠水溶液和氢氧化钠颗粒的混合溶液，硅酸钠水溶液的化学组成及其含量为：SiO2≥25wt%，Na2O≥6wt%，硅酸钠水溶液模数为3.0～3.8；硅酸钠水溶液与氢氧化钠颗粒的质量分数比为（4～6）:1。

2.根据权利要求1所述的高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料的制备方法，其特2

征在于：所述废大理石粉的基本参数为：CaO≥50wt%，烧失量≥38wt%，比表面积≥1m/g。

3.根据权利要求1所述的高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料的制备方法，其特征在于：所述的矿粉为S95矿粉，该S95矿粉的基本参数为：CaO≥50wt%，SiO2≥20wt%，Al2O32

≥10wt%，烧失量≥0.6wt%，比表面积≥0.4m/g。

4.根据权利要求1所述的高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料的制备方法，其特征在于：在步骤②、④中，所述低速搅拌指搅拌速度为140±5转/分钟。

说明书

高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种低碳建筑材料技术领域，特别是一种高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着社会经济的快速发展，建筑行业呈现雨后春笋般的增长趋势，水泥作为建筑工程中不可或缺的胶凝材料，其产量不断递增。然而，水泥的生产需经“两磨一烧”工艺，消耗了大量能源以及排放了大量CO2，是造成温室效应的重要原因之一。碱激发水泥因其能够利用富含铝硅钙酸盐类的固体废弃物作为前驱体材料，在碱性介质中激发而形成强度，有望成为替代水泥的新型低碳胶凝材料，实现固废资源化利用以及减少碳排放的目标，成为了近年来的研究热点。

[0003] 粒化高炉矿渣是钢铁行业中产生的废渣，经磨细之后具有极强的火山灰特性，可在碱激发条件下形成高强胶凝材料。然而一元矿渣水泥的凝结时间过短，甚至会出现闪凝的现象，无法满足工程上的应用。

[0004] 另外，大理石板材作为建筑行业中常用的装饰性材料，产量呈现不断递增的趋势。然而，板材加工过程中将不可避免地产生废粉，如果没有将其适当处理，随处堆积的废大理石粉占用了大量土地资源，同时很有可能对当地的生态环境造成影响。由于废大理石粉的主要成分为碳酸钙而呈惰性，目前在混凝土中主要充当填料使用，然而利用率仍然偏低，需要寻找更好的途径以进一步提高废大理石粉的回收利用率。公布号为CN 110981234 A的发明专利申请公开了一种胶凝材料及其制备方法，该胶凝材料的各原料组分按重量份数计为：矿渣40～60份、大理石粉10～30份、花岗岩石粉10～30份、碱激发剂3～8份。该专利虽然可对大理石粉、花岗岩石粉进行有效利用，但是其废大理石粉的用量仍然较少，同时还存在凝结时间过短的不足之处。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题是：提供一种高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料及其制备方法，实现在获得力学性能优良的胶凝材料基础上，减少矿渣的用量，大幅提高废大理石粉的掺量，使废大理石粉在碱激发前驱体材料领域中实现资源最大化利用的目标，同时解决现有技术中一元矿渣水泥凝结时间过短的问题。

[0006] 解决上述技术问题的技术方案是：一种高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料，该材料包括以下按重量份计的原料：废大理石粉220～320份、矿粉120～220份、碱激发剂150～250份、水80～130份。

[0007] 本发明的进一步技术方案是：所述废大理石粉的基本参数为：CaO≥50wt%，烧失量2
≥38wt%，比表面积≥1m/g。

[0008] 本发明的进一步技术方案是：所述的矿粉为S95矿粉，该S95矿粉的基本参数为：2
CaO≥50wt%，SiO2≥20wt%，Al2O3≥10wt%，烧失量≥0.6wt%，比表面积≥0.4m/g。

[0009] 本发明的进一步技术方案是：所述碱激发剂为硅酸钠水溶液和氢氧化钠颗粒的混合溶液，硅酸钠水溶液的化学组成及其含量为：SiO2≥25wt%，Na2O≥6wt%，硅酸钠水溶液模数为3.0～3.8；硅酸钠水溶液与氢氧化钠颗粒的质量分数比为（4～6）:1。

[0010] 本发明的另一技术方案是：一种高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

[0011] ①按重量份分别称取材料：废大理石粉220～320份、矿粉120～220份、碱激发剂150～250份、水80～130份；

[0012] ②将废大理石粉和矿粉加入搅拌锅中，低速搅拌1～3min，制备混合粉料；

[0013] ③将碱激发剂、水混合均匀，制备混合碱液；

[0014] ④往搅拌锅中加入混合碱液，低速搅拌1～3min，制得高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料。

[0015] 本发明的进一步技术方案是：所述废大理石粉的基本参数为：CaO≥50wt%，烧失量2
≥38wt%，比表面积≥1m/g。

[0016] 本发明的再进一步技术方案是：所述的矿粉为S95矿粉，该S95矿粉的基本参数为：2
CaO≥50wt%，SiO2≥20wt%，Al2O3≥10wt%，烧失量≥0.6wt%，比表面积≥0.4m/g。

[0017] 本发明的再进一步技术方案是：所述碱激发剂为硅酸钠水溶液和氢氧化钠颗粒的混合溶液，硅酸钠水溶液的化学组成及其含量为：SiO2≥25wt%，Na2O≥6wt%，硅酸钠水溶液模数为3.0～3.8；硅酸钠水溶液与氢氧化钠颗粒的质量分数比为（4～6）:1。

[0018] 本发明的更进一步技术方案是：在步骤②、④中，所述低速搅拌指搅拌速度为140±5转/分钟。

[0019] 由于采用上述结构，本发明之一种高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料及其制备方法与现有技术相比，具有以下有益效果：

[0020] 1. 可获得力学性能优良的胶凝材料

[0021] 本发明的胶凝材料包括以下按重量份计的原料：废大理石粉220～320份、矿粉120～220份、碱激发剂150～250份、水80～130份。其中，废大理石粉是在大理石材加工厂中切割打磨产生的废粉，大理石粉的主要成分为碳酸钙；碳酸钙作为碱激发前驱体材料，是一种可行的方案，然而其活性低，需要复掺高活性碱激发前驱体材料以满足基本力学性能的要求。因此，本发明在大幅提高废大理石粉用量的同时，加入少量活性较高的S95矿粉，经过合理的配比，可制备出力学性能优良的胶凝材料。经试验证明，本发明制得的胶凝材料具有良好的流动性，初凝时间满足现行规范中的硅酸盐水泥≥45min的规定，能够满足施工的要求。而且本发明选用了合适配比的碱激发剂，在废大理石粉掺量高达72.7%时，28d龄期下的抗压强度达到了42.5MPa以上，符合标号P·Ⅱ 42.5R硅酸盐水泥的要求。

[0022] 2. 可使废大理石粉得到最大化利用

[0023] 本发明的胶凝材料原料中通过合理的配合比优化，在减少需要经高温煅烧才能得到的矿渣使用量的同时，掺入了大量废大理石粉，其中废大理石粉掺量高达50～72.7%，该废大理石粉掺量是废大理石粉和矿粉两种粉体质量之和中废大理石粉的占比。因此，本发明大幅提高了废大理石粉的固废资源化利用率，使其变废为宝，在碱激发前驱体材料领域中实现了资源最大化利用。

[0024] 3.既可解决废大理石粉作为前驱体活性不足的问题，又可解决一元矿渣水泥凝结时间过短的问题

[0025] 一方面，如果仅采用废大理石粉作为前驱体材料，其活性不足；另一方面，由于矿粉的活性太高，以至于如果仅以矿粉为前驱体的一元体系凝结时间过短。本发明采用大掺量废大理石粉和少量矿粉复掺的技术手段制备二元胶凝材料，能够起到互补的作用，既解决了废大理石粉作为前驱体活性不足的问题，又降低了仅矿粉作为前驱体一元体系的活性，减缓了凝结速度。

[0026] 4. 生产成本低、节能环保

[0027] 相比矿渣等高火山灰活性原料需经高温煅烧后才能得到，本发明采用的废大理石粉作为一种天然工业固废，经简单处理后即可使用，大大降低了生产成本，同时符合低碳节能理念。

[0028] 另外，本发明仅需通过调节废大理石粉的掺量即可大幅调节凝结时间，相比通过调节碱激发剂更环保且更易于实现。对比水泥的生产，起到节能减排的作用，在减缓温室效应及保护生态环境方面具有重要意义。

[0029] 下面，结合实施例对本发明之一种高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料及其制备方法的技术特征作进一步的说明。

具体实施方式

[0030] 实施例一

[0031] 一种高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料，该材料包括以下按重量份计的原料：废大理石粉320份、矿粉120份、碱激发剂180份、水100份；其中：

[0032] 所述废大理石粉的基本参数为：CaO含量54.1wt%，烧失量42.5wt%，比表面积2
1.1m/g；

[0033] 所述的矿粉为S95矿粉，该S95矿粉为磨细粒化高炉矿渣粉，S95矿粉的基本参数为：CaO含量56.9wt%，SiO2含量25.6wt%，Al2O3含量12.1wt%，烧失量0.72wt%，比表面积2
0.43m/g；

[0034] 所述碱激发剂为硅酸钠水溶液和氢氧化钠颗粒的混合溶液，硅酸钠水溶液的化学组成及其含量为：SiO2含量27.7wt%，Na2O含量8.4wt%，硅酸钠水溶液模数为3.4；硅酸钠水溶液与氢氧化钠颗粒的质量分数比为5：1，即硅酸钠水溶液150份、氢氧化钠颗粒30份，氢氧化钠颗粒纯度≥96%。

[0035] 本实施例一所述高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料的制备方法包括以下步骤：

[0036] ①按重量份分别称取材料：废大理石粉320份、矿粉120份、硅酸钠水溶液150份、氢氧化钠颗粒30份、水100份；

[0037] ②将废大理石粉和矿粉加入搅拌锅中，低速搅拌2min，制备混合粉料；

[0038] ③将水、硅酸钠水溶液、氢氧化钠颗粒混合均匀，制备混合碱液；

[0039] ④往搅拌锅中加入混合碱液，低速搅拌2min，制得高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料。

[0040] 在步骤②、④中，所述低速搅拌指搅拌速度为140±5转/分钟。

[0041] 实施例二

[0042] 一种高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料，该材料包括以下按重量份计的原料：废大理石粉270份、矿粉170份、碱激发剂180份、水100份；

[0043] 所述废大理石粉的基本参数为：CaO含量54.1wt%，烧失量42.5wt%，比表面积2
1.1m/g；

[0044] 所述的矿粉为S95矿粉，该S95矿粉为磨细粒化高炉矿渣粉，S95矿粉的基本参数为：CaO含量56.9wt%，SiO2含量25.6wt%，Al2O3含量12.1wt%，烧失量0.72wt%，比表面积2
0.43m/g；

[0045] 所述碱激发剂为硅酸钠水溶液和氢氧化钠颗粒的混合溶液，硅酸钠水溶液的化学组成及其含量为：SiO2含量27.7wt%，Na2O含量8.4wt%，硅酸钠水溶液模数为3.4；硅酸钠水溶液与的质量分数比为5:1，即硅酸钠水溶液150份、氢氧化钠颗粒30份，氢氧化钠颗粒纯度≥96%。

[0046] 本实施例二所述高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料的制备方法包括以下步骤：

[0047] ①按重量份分别称取材料：废大理石粉270份、S95矿粉170份、硅酸钠水溶液150份、氢氧化钠颗粒30份、水100份；

[0048] ②将废大理石粉和矿粉加入搅拌锅中，低速搅拌2min，制备混合粉料；

[0049] ③将水、硅酸钠水溶液、氢氧化钠颗粒混合均匀，制备混合碱液；

[0050] ④往搅拌锅中加入混合碱液，低速搅拌2min，制得高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料。

[0051] 在步骤②、④中，所述低速搅拌指搅拌速度为140±5转/分钟。

[0052] 实施例三

[0053] 一种高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料，该材料包括以下按重量份计的原料：废大理石粉220份、矿粉220份、碱激发剂180份、水100份；

[0054] 所述废大理石粉的基本参数为：CaO含量54.1wt%，烧失量42.5wt%，比表面积2
1.1m/g；

[0055] 所述的矿粉为S95矿粉，该S95矿粉为磨细粒化高炉矿渣粉，S95矿粉的基本参数为：CaO含量56.9wt%，SiO2含量25.6wt%，Al2O3含量12.1wt%，烧失量0.72wt%，比表面积2
0.43m/g；

[0056] 所述碱激发剂为硅酸钠水溶液和氢氧化钠颗粒的混合溶液，硅酸钠水溶液的化学组成及其含量为：SiO2含量27.7wt%，Na2O含量8.4wt%，硅酸钠水溶液模数为3.4；硅酸钠水溶液与氢氧化钠颗粒的质量分数比为5:1，即硅酸钠水溶液150份、氢氧化钠颗粒30份，氢氧化钠颗粒纯度≥96%。

[0057] 所述高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料的制备方法包括以下步骤：

[0058] ①按重量份分别称取材料：废大理石粉220份、矿粉220份、硅酸钠水溶液150份、氢氧化钠颗粒30份、水100份；

[0059] ②将废大理石粉和矿粉加入搅拌锅中，低速搅拌2min，制备混合粉料；

[0060] ③将水、碱激发剂混合均匀，制备混合碱液；

[0061] ④往搅拌锅中加入混合碱液，低速搅拌2min，制得高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料。

[0062] 在步骤②、④中，所述低速搅拌指搅拌速度为140±5转/分钟。

[0063] 上述实施例一至实施例三中，所有原料除废大理石粉来源于石材加工厂以外，其它原料均可在商业途径中采购。

[0064] 为了检测本发明所述高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料的强度，根据国家标准GB/T17671‑2021水泥胶砂强度检验方法（ISO法），将实施例一至实施例三中制得的高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料分别与重量份为1550份的中国ISO标准砂搅拌均匀，得到碱激发砂浆，将该砂浆浇筑在模具中并振捣密实，在模具上覆盖一层塑料薄膜，将模具放置在室内并在24h后拆模得到砂浆试件，接着将砂浆试件置于养护箱中进行养护，养护箱中温度为20±2℃，相对湿度≥95%。检测砂浆试件3d、7d、28d的抗折强度和抗压强度，检测结果如附表一所示。

[0065] 附表一

[0066]

[0067]  从附表一可看出，实施例一至实施例三制备的高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料具有良好的流动性，初凝时间满足现行规范中的硅酸盐水泥≥45min的规定，能够满足施工的要求。本发明选用了合适的碱激发剂，在废大理石粉掺量高达72.7%的实施例中，28d龄期下的抗压强度达到了42.5MPa以上，符合标号P·Ⅱ 42.5R硅酸盐水泥的要求，本发明将极大地提高废大理石粉的资源化利用率。

[0068] 实施例四～实施例八

[0069] 一种高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料及其制备方法，其所用原料同实施例一至实施例三，所不同的是具体含量即重量份数有所变化，具体详见附表二所示。

[0070] 附表二：实施例四～实施例八中各原料含量一览表（以重量份计）[0071]

[0072] 作为实施例一至实施例八的一种变换，所述高掺量废大理石粉‑矿渣基碱激发胶凝材料的各原料按重量份数计一般为：废大理石粉220～320份、矿粉120～220份、碱激发剂150～250份、水80～130份。

[0073] 作为实施例一至实施例八的又一种变换，所述废大理石粉的基本参数一般为：CaO2
≥50wt%，烧失量≥38wt%，比表面积≥1m/g。

[0074] 作为实施例一至实施例八的又一种变换，所述S95矿粉的基本参数一般为：CaO≥50wt%，SiO2≥20wt%，Al2O3≥10wt%，烧失量≥0.6wt%，比表面积≥0.4 m2/g。

[0075] 作为实施例一至实施例八的再一种变换，所述硅酸钠水溶液的化学组成及其含量为：SiO2≥25wt%，Na2O≥6wt%，硅酸钠水溶液模数为3.0～3.8；硅酸钠水溶液与氢氧化钠颗粒的质量分数比为（3～5）:1。