專利名稱：將高爐礦渣固化為建筑材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于廢棄物循環(huán)利用領(lǐng)域，具體涉及一種將高爐礦渣固化為建筑材料的方法。
背景技術(shù)：
高爐礦渣是煉鐵過程中高溫熔渣冷卻而形成的一種工業(yè)廢棄物。根據(jù)其冷卻方式 的不同，分為急冷渣和慢冷渣。急冷渣中含有大量玻璃體，活性高， 一般較好利用，現(xiàn)在多利 用于制造水泥。而慢冷渣，即重礦渣，由于活性低，處置利用較為困難。無法處置的礦渣現(xiàn) 在被大量隨意堆放，不僅占用土地，而且對環(huán)境也具有及其惡劣的影響。 目前，對高爐礦渣資源化利用的研究工作已取得一定的成果，如中國專利《?；?爐礦渣水泥砂槳》(
公開日1997年3月5日，公開號CN1144206)、《使用?；母郀t礦渣制造 波特蘭礦渣水泥的改進方法》(
公開日2008年2月6日，公開號CN101117278)、《球磨鋼渣 尾泥與高爐礦渣復(fù)合活性粉及其在制備混凝土中的應(yīng)用》(
公開日2009年9月30日，公開 號CN101544479)、《重礦渣砂及其制備方法》(
公開日1993年3月24日，公開號CN1070171) 和《高爐重礦渣砼路面》(
公開日1998年12月23日，公開號CN1202556)中公開的技術(shù)，利 用高爐礦渣制備了礦渣水泥和混凝土集料等。但還沒有一種技術(shù)可以直接利用高爐礦渣做 墻地磚等建筑材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用水熱技術(shù)將我國大量存在的高爐礦渣(包括急 和慢冷渣)固化為建筑材料的方法，變廢為寶，為節(jié)能減排做出貢獻。 本發(fā)明提出的將高爐礦渣固化為建筑材料的方法，利用水熱技術(shù)將高爐礦渣固化 為建筑材料的方法，具體步驟如下 首先，將主原料高爐礦渣和含CaO的輔助原料混合形成混合料，所述含CaO的輔助 原料的重量為混合料總重量的0 25%;然后，在上述混合料中加入占混合料總重量5% 20%的水或堿溶液，攪拌均勻后，在10 40MPa的壓力下壓制成型；最后，將壓制好的試樣 放入水熱反應(yīng)釜內(nèi)，在100 20(TC的溫度下，在0. 1 1. 55MPa的飽和蒸汽壓下水熱處理 1 48h，即得所需產(chǎn)品。 本發(fā)明中，所述含CaO的輔助原料為生石灰、消石灰或水泥中一至多種。 本發(fā)明中，所述堿溶液KOH溶液或NaOH溶液中任一種。 本發(fā)明中，還可在混合料中添加混合料總量5_20%的天然石料。 本發(fā)明中，還可在混合料中添加占混合料總量1% 5%的無機染料，以增加美觀。 本發(fā)明利用水熱技術(shù)固化高爐礦渣制備了一種新型建筑材料，可用做墻地磚、護 河堤壩砌塊等，為高爐礦渣的資源化利用提供了一種新的有效地選擇。這種處置方式有以 下優(yōu)點
1.不僅適用于活性大的急冷渣，而且也適合用于活性小的慢冷渣； 2.制備的建筑材料制品強度高，抗折強度最高可達(dá)18MPa ; 3.水熱制備過程由于溫度低(《200°C )，耗能低，是傳統(tǒng)陶瓷燒結(jié)能耗的1/6。


圖1 :成型壓力對固化材料的抗折強度的影響。 圖2 :消石灰的添加量對固化材料的抗折強度的影響。 圖3 :氫氧化鈉溶液添加量對固化材料的抗折強度的影響。 圖4 :氫氧化鈉溶液濃度對固化材料的抗折強度的影響。 圖5 :水泥、生石灰、消石灰的添加對固化材料的抗折強度影響的比較。 圖6 :水熱溫度對固化材料的抗折強度的影響。 圖7 :水熱時間對固化材料的抗折強度的影響。 圖8 :天然石料添加量對固化材料的抗折強度的影響。 圖9 :固化前后樣品的SEM圖片，其中，(a)、(b)分別為固化前后樣品的低倍SEM圖 片，(c)和(d)為固化后樣品較好結(jié)晶區(qū)域的高倍SEM圖片。
具體實施例方式
下面通過實施例進一步說明本發(fā)明。
實施例1 : 首先，選取高爐礦渣為主原料，選取普通水泥為輔助原料，將上述原料混合，普通 水泥占混合料總重的5% ;然后，向上述混合料中加入占混合料總重量15%的1M NaOH溶 液，攪拌均勻后，在壓片機下壓制成型，成型壓力為40MPa ;最后，將壓制好的試樣放入水熱 反應(yīng)釜內(nèi)，在20(TC飽和蒸汽壓(1.55MPa)下水熱處理48h，得到最終的樣品。
實施例2 首先，選取高爐礦渣為主要原料，選取工業(yè)用消石灰為輔助原料，將上述原料混 合，消石灰占混合料總重的5% ;然后，向上述混合料中加入占混合料總重量10%的2M KOH 溶液和1%的無機染料，攪拌均勻后，在壓片機下壓制成型，成型壓力為20MPa ;最后，將壓 制好的試樣放入水熱反應(yīng)釜內(nèi)，在20(TC飽和蒸汽壓(1.55MPa)下水熱處理12h，得到最終 的樣品。 實施例3 首先，選取高爐礦渣為主要原料，選取生石灰、天然石料為輔助原料，將上述原料 混合，生石灰占混合料總重的5%，天然石料占混合料總重的20%;然后，向上述混合料中加 入占混合料總重量15%的水溶液，攪拌均勻后，在壓片機下壓制成型，成型壓力為30MPa ; 最后，將壓制好的試樣放入水熱反應(yīng)釜內(nèi)，在IO(TC飽和蒸汽壓(0. lMPa)下水熱處理24h， 得到最終的樣品。
實施例4 首先，選取高爐礦渣為主原料，選取工業(yè)用消石灰、天然石料為輔助原料，將上述 原料混合，消石灰占混合料總重的10%，天然石料占混合料總重的5%;然后，向上述混合料 中加入占混合料總重量15%的4M NaOH溶液和5%的無機染料，攪拌均勻后，在壓片機下壓制成型，成型壓力為10MPa ;最后，將壓制好的試樣放入水熱反應(yīng)釜內(nèi)，在20(TC飽和蒸汽壓 (1. 55MPa)下水熱處理lh，得到最終的樣品。 水熱固化材料的硬化機理是在水熱固化過程中，材料內(nèi)生成了桿狀的水化硅酸牽丐 和小顆粒的水榴石晶體，相互膠結(jié)在一起的桿狀水化硅酸鈣和小顆粒的水化石榴石形成于 材料內(nèi)大顆粒的表面，并填充到材料內(nèi)部大顆粒之間的孔隙當(dāng)中，提高了材料的致密度，導(dǎo) 致材料強度提高。 下面以高爐礦渣作實驗進一步說明本發(fā)明。 圖1為成型壓力對固化材料抗折強度的影響。成型壓力分別為10MPa、20MPa、 30MPa或40MPa。實驗條件消石灰添加量10wt% ， 2M NaOH溶液添加量15wt% ， 200。C溫度 下水熱固化12h。由圖可以看出，樣品的抗折強度隨成型壓力的增加而提高。
圖2為消石灰添加量不同對固化材料抗折強度的影響。實驗中分別添加占混合料 總重5%、10%、15%、20%、25%的消石灰及不添加消石灰。實驗條件2M NaOH溶液添加量 15wt^，30MPa的成型壓力，20(TC溫度下水熱固化12h。由圖中可以看出，不添加消石灰時， 強度很低，隨著消石灰的加入，強度增加，消石灰添加量為15wt^時，強度達(dá)到最大值，繼續(xù) 加入消石灰，強度緩慢下降。由此可見，消石灰的最佳添加量為10wt%。
圖3為2M NaOH添加量對固化材料抗折強度的影響。實驗中分別添加0% 、5% 、 10X、15X的2M NaOH溶液。實驗條件消石灰添加量為10% ，在30MPa成型壓力下成型后， 在20(TC溫度下水熱固化12h。由圖中可以看出，未加2MNaOH溶液時，材料強度為OMPa，但 加入5%、10%、15%的2M NaOH溶液，強度差別很小。 圖4為NaOH溶液濃度對固化材料抗折強度的影響。實驗中分別15% 、的0M、 1M、 2M、3M、4M NaOH溶液。其實驗條件和圖3相同。由圖中可以看出，添加OM NaOH溶液(即 15%的蒸餾水)時，材料強度很低，隨著溶液濃度的提高，強度增加，溶度為2M時，強度達(dá)到 最大值，繼續(xù)提高濃度，強度緩慢下降。 圖5為添加水泥(5% )、生石灰(5% )和消石灰(5% )時固化材料的抗折強度。 其實驗條件圖2相同。從圖中看出，三者強度都達(dá)到12MPa以上，符合建材的應(yīng)用要求。
圖6、7為水熱溫度及時間對固化材料抗折強度的影響。實驗條件消石灰添加 量10X、2M NaOH添加量15%、成型壓力30MPa。圖6是不同的溫度(未水熱固化、IO(TC、 15(TC、20(TC )下12h水熱固化后測試所得，由圖4可以看出隨著溫度提高，水熱固化材料 強度升高，表明溫度升高，有利于水熱反應(yīng)的進行。圖7為20(TC溫度下經(jīng)不同時間(未水 熱固化、lh、3h、9h、 12h、24h、48h)水熱固化后測試所得，由圖中可以看出，隨著時間的延長， 強度增加，24h時最大(約16MPa)，48h時，強度有一定程度的下降。這表明，一定范圍內(nèi)，水 熱固化時間延長有利于樣品強度提高，但過長時間的水熱固化對材料強度的增加不利。
圖8是天然石料不同添加量對固化材料抗折強度的影響。實驗中分別添加占混合 料總量0%、5%、10%、20%的天然石料。實驗條件消石灰添加量10wt%，2M NaOH溶液添 加量15wt%，40MPa的成型壓力，20(TC溫度下水熱反應(yīng)12h。結(jié)果表明，適量添加天然石料 對固化體的強度影響不大。 圖9是未水熱處理(a)和水熱處理(b、 c、 d)后固化材料的電子顯微鏡圖像(a、 b 為5000倍，c、d為50000倍)。比較a、b兩個水熱處理前后圖像，很明顯可以看出，在水熱 處理前，成型體中顆粒尺寸很大，松散的堆積在一起，顆粒之間存在較大的孔隙，故強度很低。水熱固化后，由于溶解/析出、晶體生成和填充等作用，固化體結(jié)構(gòu)變得非常致密。從c 和d兩個水熱處理后高倍率SEM微觀相貌圖中，可以發(fā)現(xiàn)固化體出現(xiàn)水榴石微粒填充到樣 品空隙中以及彼此相互膠連的桿狀水化硅酸鈣晶體。由于這兩種晶相的共同作用提高了水 熱處理后固化體的強度。 以上對本發(fā)明進行了詳細(xì)的介紹，文中應(yīng)用了具體的實例對本發(fā)明進行闡述，這 是為了便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員可以 容易地對這些實施例做出各種修改，并把在本發(fā)明的思想應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過 創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對 于本發(fā)明做出的改進和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種將高爐礦渣固化為建筑材料的方法，其特征在于具體步驟如下首先，將主原料高爐礦渣和含CaO的輔助原料混合形成混合料，所述含CaO的輔助原料的重量為混合料總重量的0～25％；然后，在上述混合料中加入占混合料總重量5％～20％的水或堿溶液，攪拌均勻后，在10～40MPa的壓力下壓制成型；最后，將壓制好的試樣放入水熱反應(yīng)釜內(nèi)，在100～200℃的溫度下，在0.1～1.55MPa的飽和蒸汽壓下水熱處理1～48h，即得所需產(chǎn)品。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的將高爐礦渣固化為建筑材料的方法，其特征在于所述輔助 原料為生石灰、消石灰或水泥中一至多種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的將高爐礦渣固化為建筑材料的方法，其特征在于所述堿溶 液為K0H溶液或NaOH溶液。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的將高爐礦渣固化為建筑材料的方法，其特征在于在混合料 中添加混合料總量5-20%的天然石料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的將高爐礦渣固化為建筑材料的方法，其特征在于在混 合料中添加混合料總量1% 5%的無機染料。
全文摘要
本發(fā)明屬于廢棄物循環(huán)利用領(lǐng)域，具體涉及一種將高爐礦渣固化為建筑材料的方法。具體步驟為首先，將主原料高爐礦渣和含CaO的輔助原料混合形成混合料，所述含CaO的輔助原料的重量為混合料總重量的0～25％；然后，在上述混合料中加入占混合料總重量5％～20％的水或堿溶液，攪拌均勻后，在10～40MPa的壓力下壓制成型；最后，將壓制好的試樣放入水熱反應(yīng)釜內(nèi)，在100～200℃的溫度下，在0.1～1.55MPa的飽和蒸汽壓下水熱處理1～48h，即得所需產(chǎn)品。本發(fā)明利用水熱技術(shù)將高爐礦渣固化成建筑材料，這種建筑材料制品能替代傳統(tǒng)的墻地磚、護河堤壩砌塊，具有強度高、穩(wěn)定性好的特點，為高爐礦渣的大規(guī)模處置和利用提供一種新的有效方法。
文檔編號C04B28/00GK101717226SQ20091019974
公開日2010年6月2日 申請日期2009年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月27日
發(fā)明者冉獻強, 景鎮(zhèn)子, 潘曉輝, 魯磊 申請人:同濟大學(xué)