廢渣硅鋁基無機(jī)礦物聚合材料建材制品性能試驗(yàn)研究

摘要：闡述了廢渣硅鋁基無機(jī)礦物聚合材料的物理化學(xué)基礎(chǔ)，無機(jī)礦物聚合材料的強(qiáng)度、抗?jié)B、抗凍、耐熱、耐化學(xué)侵蝕性能特點(diǎn)及研究開發(fā)該產(chǎn)品的成功案例、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。介紹國際國內(nèi)發(fā)展的情況和國內(nèi)開發(fā)應(yīng)用及展望。

關(guān)鍵詞：廢渣基、無機(jī)礦物聚合材料、粉煤灰、復(fù)合外加劑

無機(jī)礦物聚合材料這一名詞是法國Davidovits教授在1991提出來的，是以燒粘土、礦渣等為主要原料，在激發(fā)劑和促硬劑的作用下所得到的一種新型材料，無機(jī)礦物聚合原料中的硅鋁氧化物在土聚反應(yīng)過程中經(jīng)歷了一個(gè)由解聚到再聚合的過程，形成了與地殼中大量存在的類沸石結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。

一、無機(jī)礦物聚合材料的物理化學(xué)基礎(chǔ)

無機(jī)礦物聚合材料是以堿金屬、堿土金屬的碳酸鹽、硫酸鹽和硅酸鹽化合物作為激發(fā)劑來激發(fā)粉煤灰、礦渣的活性，得到強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的水硬性膠凝材料。這種化合物在水中有很高的溶解度，使液相有較高的OH－，OH－與礦渣中的Si－O－Si作用，使Si－O鍵斷裂，促進(jìn)SiO2的溶解。其過程為：

OH－－O－Si－O－Si――→－Si－O－+－Si－OH－Si－O－+ OH－ →－O－Si－OH

堿化合物對(duì)于AI－O－AI鍵也有同樣效果。當(dāng)有Ca²⁺或Na⁺存在時(shí)，

－Si－O－+Ca²⁺→－Si－O－Ca－－Si－O－Ca－+OH－→－Si－O－Ca－OH

并且－Si－O－Ca－OH+－O－Si－OH→－Si－O－Si－+Ca(OH)₂

隨著鈣、硅離子從礦渣中大量溶出，水泥漿體溶液內(nèi)鈣、硅離子的濃度超過水化硅酸鈣的溶解度，使C－S－H凝膠成核、晶體長大。堿金屬離子除了在水化初期起破壞硅氧鍵的催化劑作用外，后期還與Me3+ 一起形成沸石類水化產(chǎn)物。

無機(jī)礦物聚合膠凝材料的水化產(chǎn)物主要有：低堿度C－S－H凝膠（一般C／S≤1)﹔堿土鋁硅酸鹽水化物和堿－堿土鋁硅酸鹽水化物；沸石類：方鈉3（Na2O·Al2O3·2SiO2）·2NaCl，鈉沸石Na2O·Al2O3·3SiO2·2H2O，桿沸石Na2O·4CaO·5Al2O3·10SiO2·12H2O；霞石、長石類，水霞石R20?Al2O3·2SiO2?nH2O ，鈉云母Na2O·3Al2O3·6SiO2·nH2O，等等。

這些水化產(chǎn)物的細(xì)微晶體不僅具有很高的強(qiáng)度，在熱力學(xué)上也很穩(wěn)定，極難溶于水，并且大多與自然界中鈉、鉀－鈣－鋁硅酸鹽礦物的組成、結(jié)構(gòu)及形成過程很相似，因而非常穩(wěn)定。

二、無機(jī)礦物聚合材料的性能特點(diǎn)

無機(jī)礦物聚合材料的性能與常用的硅酸鹽水泥相比，具有以下幾方面特點(diǎn)。技術(shù)性能好強(qiáng)度高，特別是早期強(qiáng)度高

無機(jī)礦物聚合材料的抗壓強(qiáng)度1d可達(dá)68MPa，3d可達(dá)96MPa，28d強(qiáng)度可達(dá)150MPa，其后期強(qiáng)度還會(huì)繼續(xù)增長。而硅酸鹽水泥等28d抗壓強(qiáng)度最高僅為80MPa左右。

　水化熱低

由于堿金屬R+的水化能僅為堿土金屬R²⁺的2／7，所以無機(jī)礦物聚合膠凝材料的水化熱比硅酸水泥低的多，僅為其1／2左右，尤其適合大體積混凝土。

抗?jié)B性好

無機(jī)礦物聚合材料水化后空隙率與硅酸水泥相當(dāng)，但其毛細(xì)孔率較低，凝膠孔的孔隙率較高，特別是其中孔徑大于2μm的毛細(xì)孔率僅為0.3%，而硅酸鹽水泥為6.2%，因而其抗?jié)B性良好。無機(jī)礦物聚合膠凝材料的抗?jié)B標(biāo)號(hào)為S40以上，而硅酸鹽水泥僅為S2～S12。

抗凍性好

由于無機(jī)礦物聚合材料的孔隙大多為膠孔，且孔內(nèi)堿溶液的冰點(diǎn)低，開始凍脹破壞的最低溫度為－50℃，因此能耐400～1000次凍融循環(huán)；而硅酸水泥僅為－15℃，凍融循環(huán)在300次以下。無機(jī)礦物聚合材料不僅可在0～5℃施工，還能在5～－15℃低溫下較好的硬化。

　耐熱性好

無機(jī)礦物聚合材料耐熱混凝土可耐熱300～1600℃，抗壓強(qiáng)度30～110MPa，熱穩(wěn)定性大于20次冷熱循環(huán)（殘余強(qiáng)度為原始強(qiáng)度的80%～140%），重?zé)€收縮率0.4%～1.0%。與硅酸水泥相比，還可縮短施工周期1∕2，使用壽命提高1～2倍，后者通常不作為耐熱混凝土的膠結(jié)料。

　抗化學(xué)侵蝕性能優(yōu)良

在海水中放置1年后，硅酸鹽水泥混凝土強(qiáng)度較低，無機(jī)礦物聚合材料混凝土強(qiáng)度反而提高。在1%MgSO4溶液中1年以后,硅酸鹽水泥混凝土被破壞，無機(jī)礦物聚合材料混凝土強(qiáng)度提高（抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)KC12＞0.9）；在稀酸中1年后，無機(jī)礦物聚合材料混凝土強(qiáng)度不變，硅酸鹽水泥混凝土3～6個(gè)月即被破壞。

工作性和耐久性好

其標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量少，僅為17～21%，混凝土塌落度可達(dá)200～250毫米。由于礦渣溶解于無機(jī)礦物聚合材料的基質(zhì)中，生成（Ca.K)－(O－Si－Al－Si－Al－O－)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，把堿固結(jié)于結(jié)構(gòu)中，因此,不易產(chǎn)生堿－集料反應(yīng)。另外還有良好的抗碳化性能。由于OH-的鈍化作用，能有效的抑制鋼筋銹蝕。此外，混凝土與鋼筋的粘結(jié)力比同標(biāo)號(hào)的硅酸鹽混凝土高15%～30%,并且具有良好的耐磨性和護(hù)筋能力，因而其耐久性大大優(yōu)于硅酸鹽水泥。

　　經(jīng)濟(jì)效益顯著

無機(jī)礦物聚合材料生產(chǎn)工藝簡單，建造同樣規(guī)模的無機(jī)礦物聚合材料廠的基建投資僅為硅酸鹽水泥廠的10～30%。充分利用資源、節(jié)約能源、降低成本。與62.5mpa硅酸鹽水泥相比無機(jī)礦物聚合材料的成本只需前者的50%，煤耗低70%，電耗低50%。

無機(jī)礦物聚合材料的水化特點(diǎn)決定了它可以使用硅酸鹽水泥混凝土中不能使用的集料?？梢圆捎眉?xì)沙、輕質(zhì)亞沙土、各種選礦過程的尾礦作為細(xì)集料，采用砂礫石﹑冶金工業(yè)的加工尾礦作粗集料，還可以使用含泥率達(dá)5%，石粉達(dá)20%的非標(biāo)準(zhǔn)集料。因而能充分利用地方原料擴(kuò)大混凝土原料來源，減少運(yùn)輸量，降低混凝土成本。

由于無機(jī)礦物聚合材料的強(qiáng)度提高，可以減少構(gòu)件尺寸，減少建筑材料用量和運(yùn)輸量，由于它硬化快，早期強(qiáng)度高，可以加速模板周轉(zhuǎn)和施工進(jìn)度，提高建設(shè)效率。由于其抗?jié)B性﹑抗凍性﹑抗蝕性好，可以降低維護(hù)作用，延長建筑物使用壽命。

社會(huì)效益良好

無機(jī)礦物聚合材料能大量利用各種固體廢渣，并且本身不產(chǎn)生新的環(huán)境污染，符合實(shí)施“可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略”的要求。無機(jī)礦物材料的原材料來源廣泛，凡事C∕A為0.5～2.0、A∕S為0.1～0.6的礦渣都可以使用；不能作為硅酸鹽水泥混合材的酸性﹑超酸性礦渣也可以使用。此外，赤泥﹑電熱磷渣﹑鋼渣﹑粉煤灰以及冶煉有色金屬的爐渣等工業(yè)廢渣都可以作為其原料。還可以使用火山灰﹑沸石等天然礦物作為其主要原料，可以使用劣質(zhì)粗﹑細(xì)集料配制混凝土，有利于自然資源的合理利用。

生產(chǎn)無機(jī)礦物聚合材料過程中，一般不需要高溫?zé)?，不排放CO₂、SO₂、NOX等污染環(huán)境的有害氣體。所有這些對(duì)于加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，維持生態(tài)平衡都具有重要意義。

三、無機(jī)礦物聚合材料可利用的固體廢渣

1、粉煤灰

2、煤渣

3、煤矸石

4、建筑垃圾

5、高爐水淬礦渣

6、鋼渣

7、磷渣

8、赤泥

9、鎂渣

10、電石渣

11、磷石膏

12、脫硫石膏

13、鐵尾礦和黃金、鋁、銅等多種尾礦

四、無機(jī)礦物聚合材料FKWJ系列復(fù)合外加劑

　1、FKWJ系列復(fù)合外加劑的組成

FKWJ系列復(fù)合外加劑主要由堿金屬堿土金屬的碳酸鹽、硫酸鹽和硅酸鹽組成。

2、用途

主要用于激發(fā)粉煤灰、礦渣、磷渣、煤渣、鎂渣、赤泥、鋼渣等固體廢渣和偏高嶺土、廢磚瓦等的活性，進(jìn)而形成生態(tài)型膠凝材料。

五、無機(jī)礦物聚合材料研究開發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

　　國外開發(fā)應(yīng)用情況

由于無機(jī)礦物聚合材料優(yōu)異的性能、良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，成為近年來世界各國竟相研究開發(fā)的熱門課題之一。

無機(jī)礦物聚合材料這一名詞是法國Davidovits教授在1991提出來的，是以燒粘土、礦渣等為主要原料，在激發(fā)劑和促硬劑的作用下所得到的一種新型材料。無機(jī)礦物聚合材料中的硅鋁氧化物在土聚反應(yīng)過程中經(jīng)歷了一個(gè)由解聚到再聚的過程，形成了與地殼中大量存在的沸石結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。在歐美申請(qǐng)330多項(xiàng)專利。

前蘇聯(lián)及烏克蘭在無機(jī)礦物聚合材料的研究開發(fā)方面處于時(shí)間領(lǐng)先水平。從1958年起試生產(chǎn)無機(jī)礦物聚合材料的建筑構(gòu)件，60年代初期開始批量生產(chǎn)。在1980年~1995,頒發(fā)了30多個(gè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)容涉及其原材料生產(chǎn)工藝過程、混凝土、結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)，推薦使用于抗?jié)B、耐熱、侵蝕性、有機(jī)物環(huán)境等特種領(lǐng)域，使無機(jī)礦物聚合材料的生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、應(yīng)用規(guī)范化。無機(jī)礦物聚合材料的生產(chǎn)和應(yīng)用得到很大發(fā)展，廣泛用于建造房屋、廠房、道路、市政工程和水利工程。僅1993年前蘇聯(lián)地區(qū)就生產(chǎn)了200多萬m3無機(jī)礦物聚合材料混凝土構(gòu)件。1988～1993年，全部使用無機(jī)礦物聚合材料建造32橦20層高的住宅樓。每橦建筑面積5105m2，有80套住房的建筑，使用無機(jī)礦物聚合材料混凝土25379.9m3，標(biāo)志著無機(jī)礦物聚合材料完全可以取代硅酸鹽水泥用于重大建筑工程。

法國、美國、加拿大、波蘭、荷蘭（1981年）、盧森堡、比利時(shí)、印度（1979年）都在無機(jī)礦物聚合材料的研發(fā)方面取得了重大成果。

前蘇聯(lián)1988年2月29日，美國1992年公開了這類無機(jī)礦物聚合物的專利。1994年荷蘭佛·伊姆拉瑪爾在《國際水泥評(píng)論》雜志（2月號(hào)）發(fā)表了這方面的論文。

國內(nèi)開發(fā)應(yīng)用及展望

我國從80年代開始進(jìn)行無機(jī)礦物聚合材料的研究開發(fā)。并且用無機(jī)礦物聚合材料批量生產(chǎn)了預(yù)應(yīng)力、非預(yù)應(yīng)力的建筑構(gòu)件，用于建設(shè)工廠、學(xué)校等實(shí)際工程。研制的礦渣－鋼渣磚投入批量生產(chǎn)，激發(fā)劑－礦渣－沸石水泥用于廢料處理。

我從1977年開始研究利用粉煤灰渣生產(chǎn)環(huán)保節(jié)能建筑材料。1994年我利用粉煤灰、造氣爐渣、礦渣為主要原料，復(fù)合型化工原料為激發(fā)劑，研制成功了無機(jī)礦物聚合材料磚，抗壓強(qiáng)度達(dá)33.8Mpa，抗折強(qiáng)度達(dá)4.9Mpa。一經(jīng)檢驗(yàn)開封市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所就簽發(fā)了一年的合格證。

2007年，在新疆，我利用粉煤灰、電石渣、礦渣為主要原料，用我研制的FKWJ復(fù)合外加劑，大批量的生產(chǎn)了無機(jī)礦物聚合材料多孔磚，經(jīng)新疆自治區(qū)有關(guān)部門歷時(shí)三年包括砌體試驗(yàn)在內(nèi)的各種檢測全部合格。于2010年5月12日新疆維吾爾自治區(qū)建設(shè)廳科學(xué)技術(shù)處簽定為:同意該產(chǎn)品按照燒結(jié)普通磚、燒結(jié)多孔磚的強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)用，設(shè)計(jì)和驗(yàn)收。

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)，新疆石河子市人民政府、農(nóng)八師分別授于我科學(xué)進(jìn)步二、三等獎(jiǎng)。

2010年，在內(nèi)蒙，我利用粉煤灰、電石渣、礦渣為主要原料，用我研制的FAWKj系列復(fù)合外加劑，大批量的生產(chǎn)了無機(jī)礦物聚合材料免燒陶粒和輕質(zhì)自保溫砌塊，經(jīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)有關(guān)部門檢測，內(nèi)蒙古自治區(qū)已批準(zhǔn)在內(nèi)蒙古自治區(qū)大力推廣應(yīng)用。

2011年,我們利用粉煤灰，礦渣，陶瓷廢料，黃金尾礦，鐵尾礦等廢渣為主要原料，用我們研制的FWkj系列復(fù)合激活增強(qiáng)外加劑，大批量的生產(chǎn)了無機(jī)礦物聚合材料非煅燒輕集料，用這種非鍛燒輕集料生產(chǎn)輕集料混凝土實(shí)心，空心和發(fā)泡混凝土復(fù)合自保溫內(nèi)外墻板。四方代凹凸連接槽的輕集料混凝土實(shí)心，空心和發(fā)泡混凝土的新型抗震，防裂，高強(qiáng)，砌筑快捷，省工省料的復(fù)合自保溫新型砌塊。這種新型自保溫砌塊以混合砂漿將四方凹凸槽榫連接后，墻體結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐久，再以U型卡將每層砌塊固定于框架上連成一個(gè)整體，因此建筑物抵抗地震和臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害的性能優(yōu)于普通混凝土和加氣混凝土砌塊。在砌筑工藝上采用交叉壓縫安裝，每遇轉(zhuǎn)角和T型連接處，鋪于不等邊的T型和L型砌塊壓縫連接，建筑物的保溫節(jié)能，隔音隔熱，高強(qiáng)耐久等整體性能，優(yōu)于一般傳統(tǒng)的砌塊和輕質(zhì)墻板。受到國內(nèi)外專家和客戶的一致好評(píng)，并遠(yuǎn)銷羅馬尼亞和印度尼西亞等國家。

但是由于我們的研究開發(fā)工作還不夠系統(tǒng)深入，加上無機(jī)礦物聚合材料的原料來源廣、組成與性能差異大，使得無機(jī)礦物聚合材料的性能穩(wěn)定性不夠，并且缺乏必要的國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范無機(jī)礦物聚合材料的生產(chǎn)、設(shè)計(jì)和應(yīng)用，使得無機(jī)礦物聚合材料在我國還沒有廣泛應(yīng)用。我們將努力向同行的專家教授學(xué)習(xí)，進(jìn)一步深入研究開發(fā)無機(jī)礦物聚合材料，使無機(jī)礦物聚合材料在我國得到很大發(fā)展。

　參考文獻(xiàn)

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