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(guó)際國(guó)內(nèi)發(fā)展的情況和國(guó)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(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)。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(jiǎn)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。可以采用細(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(zhǎng)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)桑慌欧臗O₂、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(guó)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(guó)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(guó)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