废渣硅铝基无机矿物聚合材料建材制品性能试验研究
混凝土 杜世永 2014-03-20
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摘要：阐述了废渣硅铝基无机矿物聚合材料的物理化学基础，无机矿物聚合材料的强度、抗渗、抗冻、耐热、耐化学侵蚀性能特点及研究开发该产品的成功案例、经济效益和社会效益。介绍国际国内发展的情况和国内开发应用及展望。
关键词：废渣基、无机矿物聚合材料、粉煤灰、复合外加剂
无机矿物聚合材料这一名词是法国Davidovits教授在1991提出来的，是以烧粘土、矿渣等为主要原料，在激发剂和促硬剂的作用下所得到的一种新型材料，无机矿物聚合原料中的硅铝氧化物在土聚反应过程中经历了一个由解聚到再聚合的过程，形成了与地壳中大量存在的类沸石结构，这种结构具有强度高、耐久性好等优点。
一、无机矿物聚合材料的物理化学基础
无机矿物聚合材料是以碱金属、碱土金属的碳酸盐、硫酸盐和硅酸盐化合物作为激发剂来激发粉煤灰、矿渣的活性，得到强度高、稳定性好的水硬性胶凝材料。这种化合物在水中有很高的溶解度，使液相有较高的OH－，OH－与矿渣中的Si－O－Si作用，使Si－O键断裂，促进SiO2的溶解。其过程为：
OH－－O－Si－O－Si――→－Si－O－+－Si－OH－Si－O－+ OH－ →－O－Si－OH
碱化合物对于AI－O－AI键也有同样效果。当有Ca2+或Na+存在时，
－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
随着钙、硅离子从矿渣中大量溶出，水泥浆体溶液内钙、硅离子的浓度超过水化硅酸钙的溶解度，使C－S－H凝胶成核、晶体长大。碱金属离子除了在水化初期起破坏硅氧键的催化剂作用外，后期还与Me3+ 一起形成沸石类水化产物。
无机矿物聚合胶凝材料的水化产物主要有：低碱度C－S－H凝胶（一般C／S≤1)﹔碱土铝硅酸盐水化物和碱－碱土铝硅酸盐水化物；沸石类：方钠3（Na2O·Al2O3·2SiO2）·2NaCl，钠沸石Na2O·Al2O3·3SiO2·2H2O，杆沸石Na2O·4CaO·5Al2O3·10SiO2·12H2O；霞石、长石类，水霞石R20?Al2O3·2SiO2?nH2O ，钠云母Na2O·3Al2O3·6SiO2·nH2O，等等。
这些水化产物的细微晶体不仅具有很高的强度，在热力学上也很稳定，极难溶于水，并且大多与自然界中钠、钾－钙－铝硅酸盐矿物的组成、结构及形成过程很相似，因而非常稳定。
二、无机矿物聚合材料的性能特点
无机矿物聚合材料的性能与常用的硅酸盐水泥相比，具有以下几方面特点。技术性能好强度高，特别是早期强度高
无机矿物聚合材料的抗压强度1d可达68MPa，3d可达96MPa，28d强度可达150MPa，其后期强度还会继续增长。而硅酸盐水泥等28d抗压强度最高仅为80MPa左右。
水化热低
由于碱金属R+的水化能仅为碱土金属R2+的2／7，所以无机矿物聚合胶凝材料的水化热比硅酸水泥低的多，仅为其1／2左右，尤其适合大体积混凝土。
抗渗性好
无机矿物聚合材料水化后空隙率与硅酸水泥相当，但其毛细孔率较低，凝胶孔的孔隙率较高，特别是其中孔径大于2μm的毛细孔率仅为0.3%，而硅酸盐水泥为6.2%，因而其抗渗性良好。无机矿物聚合胶凝材料的抗渗标号为S40以上，而硅酸盐水泥仅为S2～S12。
抗冻性好
由于无机矿物聚合材料的孔隙大多为胶孔，且孔内碱溶液的冰点低，开始冻胀破坏的最低温度为－50℃，因此能耐400～1000次冻融循环；而硅酸水泥仅为－15℃，冻融循环在300次以下。无机矿物聚合材料不仅可在0～5℃施工，还能在5～－15℃低温下较好的硬化。
耐热性好
无机矿物聚合材料耐热混凝土可耐热300～1600℃，抗压强度30～110MPa，热稳定性大于20次冷热循环（残余强度为原始强度的80%～140%），重烧线收缩率0.4%～1.0%。与硅酸水泥相比，还可缩短施工周期1∕2，使用寿命提高1～2倍，后者通常不作为耐热混凝土的胶结料。
抗化学侵蚀性能优良
在海水中放置1年后，硅酸盐水泥混凝土强度较低，无机矿物聚合材料混凝土强度反而提高。在1%MgSO4溶液中1年以后,硅酸盐水泥混凝土被破坏，无机矿物聚合材料混凝土强度提高（抗硫酸盐侵蚀系数KC12＞0.9）；在稀酸中1年后，无机矿物聚合材料混凝土强度不变，硅酸盐水泥混凝土3～6个月即被破坏。
工作性和耐久性好
其标准稠度需水量少，仅为17～21%，混凝土塌落度可达200～250毫米。由于矿渣溶解于无机矿物聚合材料的基质中，生成（Ca.K)－(O－Si－Al－Si－Al－O－)三维网络结构，把碱固结于结构中，因此,不易产生碱－集料反应。另外还有良好的抗碳化性能。由于OH-的钝化作用，能有效的抑制钢筋锈蚀。此外，混凝土与钢筋的粘结力比同标号的硅酸盐混凝土高15%～30%,并且具有良好的耐磨性和护筋能力，因而其耐久性大大优于硅酸盐水泥。
经济效益显著
无机矿物聚合材料生产工艺简单，建造同样规模的无机矿物聚合材料厂的基建投资仅为硅酸盐水泥厂的10～30%。充分利用资源、节约能源、降低成本。与62.5mpa硅酸盐水泥相比无机矿物聚合材料的成本只需前者的50%，煤耗低70%，电耗低50%。
无机矿物聚合材料的水化特点决定了它可以使用硅酸盐水泥混凝土中不能使用的集料。可以采用细沙、轻质亚沙土、各种选矿过程的尾矿作为细集料，采用砂砾石﹑冶金工业的加工尾矿作粗集料，还可以使用含泥率达5%，石粉达20%的非标准集料。因而能充分利用地方原料扩大混凝土原料来源，减少运输量，降低混凝土成本。
由于无机矿物聚合材料的强度提高，可以减少构件尺寸，减少建筑材料用量和运输量，由于它硬化快，早期强度高，可以加速模板周转和施工进度，提高建设效率。由于其抗渗性﹑抗冻性﹑抗蚀性好，可以降低维护作用，延长建筑物使用寿命。
社会效益良好
无机矿物聚合材料能大量利用各种固体废渣，并且本身不产生新的环境污染，符合实施“可持续发展战略”的要求。无机矿物材料的原材料来源广泛，凡事C∕A为0.5～2.0、A∕S为0.1～0.6的矿渣都可以使用；不能作为硅酸盐水泥混合材的酸性﹑超酸性矿渣也可以使用。此外，赤泥﹑电热磷渣﹑钢渣﹑粉煤灰以及冶炼有色金属的炉渣等工业废渣都可以作为其原料。还可以使用火山灰﹑沸石等天然矿物作为其主要原料，可以使用劣质粗﹑细集料配制混凝土，有利于自然资源的合理利用。
生产无机矿物聚合材料过程中，一般不需要高温烧成，不排放CO2、SO2、NOX等污染环境的有害气体。所有这些对于加强环境保护，维持生态平衡都具有重要意义。
三、无机矿物聚合材料可利用的固体废渣
1、粉煤灰
2、煤渣
3、煤矸石
4、建筑垃圾
[Page]5、高炉水淬矿渣
6、钢渣
7、磷渣
8、赤泥
9、镁渣
10、电石渣
11、磷石膏
12、脱硫石膏
13、铁尾矿和黄金、铝、铜等多种尾矿
四、无机矿物聚合材料FKWJ系列复合外加剂
1、FKWJ系列复合外加剂的组成
FKWJ系列复合外加剂主要由碱金属碱土金属的碳酸盐、硫酸盐和硅酸盐组成。
2、用途
主要用于激发粉煤灰、矿渣、磷渣、煤渣、镁渣、赤泥、钢渣等固体废渣和偏高岭土、废砖瓦等的活性，进而形成生态型胶凝材料。
五、无机矿物聚合材料研究开发应用现状及展望
国外开发应用情况
由于无机矿物聚合材料优异的性能、良好的经济效益和社会效益，成为近年来世界各国竟相研究开发的热门课题之一。
无机矿物聚合材料这一名词是法国Davidovits教授在1991提出来的，是以烧粘土、矿渣等为主要原料，在激发剂和促硬剂的作用下所得到的一种新型材料。无机矿物聚合材料中的硅铝氧化物在土聚反应过程中经历了一个由解聚到再聚的过程，形成了与地壳中大量存在的沸石结构，这种结构具有强度高、耐久性好等优点。在欧美申请330多项专利。
前苏联及乌克兰在无机矿物聚合材料的研究开发方面处于时间领先水平。从1958年起试生产无机矿物聚合材料的建筑构件，60年代初期开始批量生产。在1980年~1995,颁发了30多个有关标准，内容涉及其原材料生产工艺过程、混凝土、结构与设计，推荐使用于抗渗、耐热、侵蚀性、有机物环境等特种领域，使无机矿物聚合材料的生产、设计、应用规范化。无机矿物聚合材料的生产和应用得到很大发展，广泛用于建造房屋、厂房、道路、市政工程和水利工程。仅1993年前苏联地区就生产了200多万m3无机矿物聚合材料混凝土构件。1988～1993年，全部使用无机矿物聚合材料建造32橦20层高的住宅楼。每橦建筑面积5105m2，有80套住房的建筑，使用无机矿物聚合材料混凝土25379.9m3，标志着无机矿物聚合材料完全可以取代硅酸盐水泥用于重大建筑工程。
法国、美国、加拿大、波兰、荷兰（1981年）、卢森堡、比利时、印度（1979年）都在无机矿物聚合材料的研发方面取得了重大成果。
前苏联1988年2月29日，美国1992年公开了这类无机矿物聚合物的专利。1994年荷兰佛·伊姆拉玛尔在《国际水泥评论》杂志（2月号）发表了这方面的论文。
国内开发应用及展望
我国从80年代开始进行无机矿物聚合材料的研究开发。并且用无机矿物聚合材料批量生产了预应力、非预应力的建筑构件，用于建设工厂、学校等实际工程。研制的矿渣－钢渣砖投入批量生产，激发剂－矿渣－沸石水泥用于废料处理。
我从1977年开始研究利用粉煤灰渣生产环保节能建筑材料。1994年我利用粉煤灰、造气炉渣、矿渣为主要原料，复合型化工原料为激发剂，研制成功了无机矿物聚合材料砖，抗压强度达33.8Mpa，抗折强度达4.9Mpa。一经检验开封市产品质量监督检验所就签发了一年的合格证。
2007年，在新疆，我利用粉煤灰、电石渣、矿渣为主要原料，用我研制的FKWJ复合外加剂，大批量的生产了无机矿物聚合材料多孔砖，经新疆自治区有关部门历时三年包括砌体试验在内的各种检测全部合格。于2010年5月12日新疆维吾尔自治区建设厅科学技术处签定为:同意该产品按照烧结普通砖、烧结多孔砖的强度等级应用，设计和验收。
新疆生产建设兵团，新疆石河子市人民政府、农八师分别授于我科学进步二、三等奖。
2010年，在内蒙，我利用粉煤灰、电石渣、矿渣为主要原料，用我研制的FAWKj系列复合外加剂，大批量的生产了无机矿物聚合材料免烧陶粒和轻质自保温砌块，经内蒙古自治区有关部门检测，内蒙古自治区已批准在内蒙古自治区大力推广应用。
2011年,我们利用粉煤灰，矿渣，陶瓷废料，黄金尾矿，铁尾矿等废渣为主要原料，用我们研制的FWkj系列复合激活增强外加剂，大批量的生产了无机矿物聚合材料非煅烧轻集料，用这种非锻烧轻集料生产轻集料混凝土实心，空心和发泡混凝土复合自保温内外墙板。四方代凹凸连接槽的轻集料混凝土实心，空心和发泡混凝土的新型抗震，防裂，高强，砌筑快捷，省工省料的复合自保温新型砌块。这种新型自保温砌块以混合砂浆将四方凹凸槽榫连接后，墙体结构坚固耐久，再以U型卡将每层砌块固定于框架上连成一个整体，因此建筑物抵抗地震和台风等自然灾害的性能优于普通混凝土和加气混凝土砌块。在砌筑工艺上采用交叉压缝安装，每遇转角和T型连接处，铺于不等边的T型和L型砌块压缝连接，建筑物的保温节能，隔音隔热，高强耐久等整体性能，优于一般传统的砌块和轻质墙板。受到国内外专家和客户的一致好评，并远销罗马尼亚和印度尼西亚等国家。
但是由于我们的研究开发工作还不够系统深入，加上无机矿物聚合材料的原料来源广、组成与性能差异大，使得无机矿物聚合材料的性能稳定性不够，并且缺乏必要的国家标准和技术标准来规范无机矿物聚合材料的生产、设计和应用，使得无机矿物聚合材料在我国还没有广泛应用。我们将努力向同行的专家教授学习，进一步深入研究开发无机矿物聚合材料，使无机矿物聚合材料在我国得到很大发展。
参考文献
1、王宙 王晴 丁兆洋等、养护制度对矿渣基无机矿物聚合材料力学性能的影响新型建筑材料2010年8期11～13。
2、杨立信、国外碱性粉煤灰胶洁料研究、粉煤灰综合利用1999年6期49～51。
3、陈建华、宝详、奚新国、碱胶凝材料，新型建筑材料 1999年6期 28～29。
4、淑萍 、彭小芹、李昶等废轮胎橡胶粉改性地聚物水泥砂浆路用性能研究 新型建筑材料 2010年12期73～76。
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