SiO2-Al2O3-Na2O（K2O）-H2O体系矿物聚合材料制备及反应机理研究

论文摘要

随着我国经济发展,各种工业固体废弃物及矿山尾矿的排放量逐年增加,占用大量农田,污染环境。本项研究利用工业固体废弃物之一粉煤灰,配以变高岭石、标准砂、硅酸钠水玻璃和氢氧化钠溶液制备得到矿物聚合材料制品。以制品的抗压强度为指标,确定了制备矿物聚合材料的优化工艺条件,研究了主要实验因素对制品性能的影响。制备得到的制品的性能良好,7天（d）抗压强度达56.92MPa。与普通硅酸盐水泥（425R）胶砂制品的理化性能对比,矿物聚合材料制品的含水率、吸水率与其相当,但力学性能（抗压强度,抗折强度）明显改善,而耐酸性则要好得多。普通硅酸盐水泥胶砂的7d制品,分别在0.5mol/L硫酸和1.35mol/L盐酸中浸泡25d的质量损失率高达32.17%和19.56%,而矿物聚合材料7d制品分别在0.5mol/L硫酸和1.35mol/L盐酸中浸泡25d后,其质量损失率仅为5.62%和4.12%。在矿物聚合材料的优化制备工艺条件基础上,利用X射线衍射分析（XRD）、扫描电镜观察（SEM）、红外光谱分析（IR）、固体核磁共振（NMR）等测试手段,研究了制品在固化过程中的反应机理,即粉煤灰等原料在碱性条件下,首先发生溶解,其中Si-O、Al-O键发生断裂,断裂之后的Si、Al组分在碱金属离子Na+和OH-的作用下,形成-Si-O-Na、-Si-O-Ca-OH、Al（OH）4-、Al（OH）52-、Al（OH）63-等组分或低聚合体,随着原料溶解的进行和溶液中硅铝组分及浓度的变化,这些组分或低聚合体之间发生聚合作用,脱水形成非晶质物相;28d制品中,矿物聚合材料基体相中的Si以Q4（2Al）为主要存在方式,Al以四次配位为主。对比矿物聚合材料制品的固化过程和普通硅酸盐水泥胶砂制品的形成过程,可知,二者是两种不同的物质,首先矿物聚合材料的固化过程为溶解——解聚过程,最后形成非晶相物质。而普通硅酸盐水泥,一般采用“两磨一烧”的工艺,固化过程为水化过程,最终生成C-S-H。另外,二者的体系组成也不同,矿物聚合材料为SiO2-Al2O3-Na2O（K2O）体系,而普通硅酸盐水泥为SiO2-Al2O3-CaO-Fe2O3体系。第三,它们的性能不同。由于普通硅酸盐水泥中含有约64%的CaO,会遇水生成羟钙石Ca（OH）2,其占整个普通硅酸盐水泥体系总体积的20%～25%,这些羟钙石Ca（OH）2与硫酸根离子反应,生成石膏,体积膨胀123%,导致混凝土膨胀和开裂。而矿物聚合材料制品中,CaO含量很低,不会出现这种现象,因此,矿物聚合材料制品比普通硅酸盐水泥胶砂制品具有更好的耐酸性。

论文目录

• 1 绪言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 粉煤灰
• 1.1.2 钾矿资源
• 1.1.3 水泥生产和使用中存在的问题
• 1.2 矿物聚合材料
• 1.3 矿物聚合材料研究的意义
• 1.3.1 原料
• 1.3.2 性能
• 1.3.3 用途
• 1.4 研究历史及现状
• 1.5 存在的主要问题
• 1.6 本论文研究内容
• 2 粉煤灰基矿物聚合材料的制备
• 2.1 实验原料
• 2.1.1 粉煤灰
• 2.1.2 煅烧高岭石
• 2.1.3 工业硅酸钠
• 2.1.4 氢氧化钠
• 2.1.5 标准砂
• 2.2 以粉煤灰等为原料制备矿物聚合材料的实验研究
• 2.2.1 实验工艺流程
• 2.2.2 实验步骤
• 2.2.3 实验结果
• 2.2.4 主要影响因素
• 2.2.5 单因素实验
• 2.3 矿物聚合材料制品的性能
• 2.3.1 显微结构
• 2.3.2 微区化学成分
• 2.3.3 理化性能
• 2.3.4 热稳定性
• 3 铝硅酸盐反应机理
• 3.1 变高岭石在材料固化过程中的变化
• 3.1.1 微观结构
• 3.1.2 红外光谱分析
• 3.1.3 物相分析
• 3.1.4 核磁共振分析
• 3.2 粉煤灰在矿物聚合材料固化过程中的变化
• 3.2.1 微观结构
• 3.2.2 红外光谱分析
• 3.2.3 物相分析
• 3.2.4 核磁共振分析
• 3.3 反应机理
• 3.4 与普通硅酸盐水泥的对比
• 4 钾长石水热法分解实验及分解反应机理
• 4.1 钾长石原料
• 4.1.1 钾长石粉体
• 4.1.2 选矿实验
• 4.1.3 其他原料
• 4.1.4 高压反应釜
• 4.2 钾长石分解反应
• 4.2.1 实验流程
• 4.2.2 实验步骤
• 4.2.3 主要影响因素
• 4.2.4 实验结果
• 4.3 钾长石的分解反应机理
• 4.3.1 反应动力学
• 4.3.2 分解反应机理
• 4.4 以提钾滤渣制备矿物聚合材料实验
• 4.4.1 硅铝质溶胶相制备
• 4.4.2 材料制备实验
• 5 技术经济可行性及环境影响评价
• 5.1 技术可行性分析
• 5.1.1 工艺流程评价
• 5.1.2 材料性能评价
• 5.2 经济可行性分析
• 5.3 环境影响分析
• 5.3.1 资源消耗
• 5.3.2 能源消耗
• 5.3.3 废物排放
• 5.3.4 生产过程及制品的环境影响
• 主要结论及建议
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 附录:三篇第一作者文章