廢渣硅鋁基無機礦物聚合材料建材制品性能試驗研究

摘要：闡述了廢渣硅鋁基無機礦物聚合材料的物理化學(xué)基礎(chǔ)，無機礦物聚合材料的強度、抗?jié)B、抗凍、耐熱、耐化學(xué)侵蝕性能特點及研究開發(fā)該產(chǎn)品的成功案例、經(jīng)濟效益和社會效益。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、無機礦物聚合材料、粉煤灰、復(fù)合外加劑

無機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)具有強度高、耐久性好等優(yōu)點。

一、無機礦物聚合材料的物理化學(xué)基礎(chǔ)

無機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

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

－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、無機礦物聚合材料的性能特點

無機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。技術(shù)性能好強度高，特別是早期強度高

無機礦物聚合材料的抗壓強度1d可達68MPa，3d可達96MPa，28d強度可達150MPa，其后期強度還會繼續(xù)增長。而硅酸鹽水泥等28d抗壓強度最高僅為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。無機礦物聚合膠凝材料的抗?jié)B標(biāo)號為S40以上，而硅酸鹽水泥僅為S2～S12。

抗凍性好

由于無機礦物聚合材料的孔隙大多為膠孔，且孔內(nèi)堿溶液的冰點低，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

無機礦物聚合材料耐熱混凝土可耐熱300～1600℃，抗壓強度30～110MPa，熱穩(wěn)定性大于20次冷熱循環(huán)（殘余強度為原始強度的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度較低，無機礦物聚合材料混凝土強度反而提高。在1%MgSO4溶液中1年以后,硅酸鹽水泥混凝土被破壞，無機礦物聚合材料混凝土強度提高（抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)KC12＞0.9）；在稀酸中1年后，無機礦物聚合材料混凝土強度不變，硅酸鹽水泥混凝土3～6個月即被破壞。

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200～250毫米。由于礦渣溶解于無機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)號的硅酸鹽混凝土高15%～30%,并且具有良好的耐磨性和護筋能力，因而其耐久性大大優(yōu)于硅酸鹽水泥。

　　經(jīng)濟效益顯著

無機礦物聚合材料生產(chǎn)工藝簡單，建造同樣規(guī)模的無機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%。

無機礦物聚合材料的水化特點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5%，石粉達20%的非標(biāo)準(zhǔn)集料。因而能充分利用地方原料擴大混凝土原料來源，減少運輸量，降低混凝土成本。

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

社會效益良好

無機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，符合實施“可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略”的要求。無機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。所有這些對于加強環(huán)境保護，維持生態(tài)平衡都具有重要意義。

三、無機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，進而形成生態(tài)型膠凝材料。

五、無機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

由于無機礦物聚合材料優(yōu)異的性能、良好的經(jīng)濟效益和社會效益，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)具有強度高、耐久性好等優(yōu)點。在歐美申請330多項專利。

前蘇聯(lián)及烏克蘭在無機礦物聚合材料的研究開發(fā)方面處于時間領(lǐng)先水平。從1958年起試生產(chǎn)無機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，推薦使用于抗?jié)B、耐熱、侵蝕性、有機物環(huán)境等特種領(lǐng)域，使無機礦物聚合材料的生產(chǎn)、設(shè)計、應(yīng)用規(guī)范化。無機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無機礦物聚合材料混凝土構(gòu)件。1988～1993年，全部使用無機礦物聚合材料建造32橦20層高的住宅樓。每橦建筑面積5105m2，有80套住房的建筑，使用無機礦物聚合材料混凝土25379.9m3，標(biāo)志著無機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、印度（1979年）都在無機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年公開了這類無機礦物聚合物的專利。1994年荷蘭佛·伊姆拉瑪爾在《國際水泥評論》雜志（2月號）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年代開始進行無機礦物聚合材料的研究開發(fā)。并且用無機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，研制成功了無機礦物聚合材料磚，抗壓強度達33.8Mpa，抗折強度達4.9Mpa。一經(jīng)檢驗開封市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所就簽發(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)了無機礦物聚合材料多孔磚，經(jīng)新疆自治區(qū)有關(guān)部門歷時三年包括砌體試驗在內(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)多孔磚的強度等級應(yīng)用，設(shè)計和驗收。

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

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)合激活增強外加劑，大批量的生產(chǎn)了無機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心，空心和發(fā)泡混凝土的新型抗震，防裂，高強，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)堅固耐久，再以U型卡將每層砌塊固定于框架上連成一個整體，因此建筑物抵抗地震和臺風(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，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，加上無機礦物聚合材料的原料來源廣、組成與性能差異大，使得無機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)范無機礦物聚合材料的生產(chǎn)、設(shè)計和應(yīng)用，使得無機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)，進一步深入研究開發(fā)無機礦物聚合材料，使無機礦物聚合材料在我國得到很大發(fā)展。

　參考文獻

1、王宙 王晴 丁兆洋等、養(yǎng)護制度對礦渣基無機礦物聚合材料力學(xué)性能的影響新型建筑材料2010年8期11～13。

2、楊立信、國外堿性粉煤灰膠潔料研究、粉煤灰綜合利用1999年6期49～51。

3、陳建華、寶詳、奚新國、堿膠凝材料，新型建筑材料  1999年6期 28～29。

4、淑萍 、彭小芹、李昶等廢輪胎橡膠粉改性地聚物水泥砂漿路用性能研究  新型建筑材料  2010年12期73～76。