石煤提钒尾渣制备地聚合物的试验研究

石煤提钒尾渣的主要化学成分为SiO2和Al2O3,主要矿物为石英、钙长石、钠长石、斜长石等硅酸盐、铝硅酸盐矿物,属于硅酸盐类尾矿.在研究石煤提钒尾渣的特性基础上,以石煤提钒尾渣为主要原料,偏高岭土为辅助原料,以NaOH为碱激发剂,制备了石煤提钒尾渣地聚合物.考察了硅铝基质原料的配比,碱激发剂掺量,成型水固比以及成型压力对材料抗压强度的影响.试验结果表明:最佳基质原料配比尾渣/偏高岭土为7∶3,碱激发剂最佳掺量为13％,成型水固比为0.16,成型压力为15 MPa时,试样28 d抗压强度可以达到17.4 MPa.XRD和SEM分析表明:石煤提钒尾渣地聚合物的主要产物为无定型硅铝凝胶,还有少量的类沸石矿物(CaAl2 Si2 O8·4H2O)以及钙沸石CaAl2Si3O10· 3H2O.     

页岩提钒尾渣基地聚合物一体化制备研究

以页岩提钒尾渣为主要原料,采用与碱激发剂混合焙烧的方式提高其反应活性,然后加入偏高岭土校正硅铝比后制备成只需直接加水即可得到地聚合物的粉体胶凝材料,免去碱溶液激发过程,实现尾渣基地聚合物的一体化制备.采用正交实验考察碱激发剂用量、焙烧温度以及焙烧时间对地聚合物强度的影响.探究了偏高岭土掺量以及液固比对地聚合物强度的影响.结果表明,在碱激发剂用量为25％,焙烧温度550℃,焙烧时间1 h的条件下,得到的尾渣活性最高.在偏高岭土掺量为30％,液固比为0.35时制得的地聚合物产品抗压强度最高,达到40.41 MPa.尾渣经过与碱激发剂混合焙烧处理后,低活性石英消失,生成了多种可溶性硅铝酸盐,尾渣反应活性大幅提升.粉体胶凝材料加水后,活化尾渣及偏高岭土中的活性硅铝溶出而后发生聚合反应,形成无定形结构的地聚合物胶凝体,从而使最终产品具有较高的力学强度.     

磷渣对偏高岭土-矿渣地聚合物性能的影响

通过测定不同磷渣掺量时偏高岭土-矿渣地聚合物标准稠度用水量、凝结时间和抗压强度,研究磷渣对地聚合物性能的影响,并利用SEM、XRD分析碱激发地聚合物水化产物。结果表明：磷渣对复合地聚合物标准稠度用水量影响较小,当磷渣掺量由0增至50%,标准稠度用水量由0.34降至0.32;凝结时间随磷渣掺量增大而延长,磷渣掺量50%的试样初凝时间达84min;抗压强度随磷渣掺量增加先增大后减小,当磷渣掺量为25%时,28d抗压强度达到峰值65.5MPa。掺磷渣后地聚合物碱激发产物为无定形玻璃体,片层状产物与C-S-H凝胶交织在一起形成致密的结构。     

偏高岭土-矿渣-磷渣地聚合物配比性能的研究

通过正交实验的方法，以地聚合物稠度、凝结时间、胶砂强度为研究依据，以偏高岭土、矿渣、磷渣、碱激发剂用量为研究对象，每个因素取3个水平，分析4个因素在各自水平上对地聚合物性能的影响。试验结果表明，偏高岭土用量是地聚合物稠度的最主要影响因素；偏高岭土和碱激发剂用量是初凝时间的主要影响因素，磷渣和偏高岭土用量是终凝时间的主要影响因素；偏高岭土用量是3 d 抗压强度的主要影响因素，矿渣用量是28 d 抗压强度的主要影响因素。按30%偏高岭土-40%矿渣-30%磷渣-10%碱激发剂制备的地聚合物具有良好的抗碳化性能，但收缩率较普通硅酸盐水泥高。     

掺铝校正料制备高硅尾矿基地聚合物

将某低活性高硅尾矿经活化预处理后,分别掺入铝酸钠(SA)、偏高岭土(MK)、粉煤灰(FA)和铝酸盐水泥(AC)作为铝校正料,在碱激发剂作用下制备地聚合物;以试样的7d抗压强度为考察指标,通过正交实验对各种铝校正料对应的反应体系的原料配比进行优化;为进一步提升试样的强度性能,将在优选配比下所制备的试样进行蒸压养护;通过SEM和27Al MAS-NMR对试样的微观形貌和所含Al的空间配位状态进行表征.结果表明:未做蒸压养护时,掺MK作铝校正料所制备的优选试样的7d抗压强度最高(即为27.5 MPa),掺不同铝校正料所得优选试样对应的最佳因素水平组合各不相同,各因素对G-SA、G-MK、G-FA和G-AC体系中试样抗压强度指标的影响规律多数不一致;试样经蒸压养护后,其强度性能和微结构均有改善,且掺SA对应的优选试样的强度增长率最高;掺不同铝校正料形成的试样在微观形貌上存在差异,但都形成了稳定的具有地聚合物基本特征的三维空间网络结构.     

硅铝原料预处理对地聚合物早期水化反应行为的影响

采用低活性高硅尾矿预处理后作为硅铝原料(基质)与铝校正料偏高岭土复合,在碱硅酸盐溶液激发作用下制备地聚合物.通过ESEM和ATR-FTIR表征地聚合物净浆的早期水化反应机理,并对地聚合物砂浆试样后期的抗压强度及微观形貌进一步分析.结果表明:通过碱熔融与机械研磨复合的方式对尾矿进行预处理,可以有效促进地聚合物体系的早期水化反应进程,有利于铝硅酸盐凝胶相的形成,进而改善地聚合物后期的微结构及强度性能.本研究说明有可能通过改变硅铝原料性质的方式对地聚合物早期水化反应行为进行控制,从而调整地聚合物的后期性能(如强度性能、施工性能等),使其满足特定的工程应用需求.     

碱激发冶炼铅渣-偏高岭土复合胶凝材料的制备及水化机理

为探究水玻璃碱激发条件下冶炼铅渣和偏高岭土基复合胶凝材料的力学性能,采用单因素试验与正交试验,研究冶炼铅渣球磨时间、碱当量、碱激发剂模数和偏高岭土与冶炼铅渣的质量比对复合胶凝材料力学性能的影响。利用XRD、SEM和FTIR对复合胶凝材料的水化机理进行综合分析。结果表明:以上因素对复合胶凝材料28 d抗压强度的影响顺序依次为碱激发剂模数、冶炼铅渣球磨时间、碱当量、偏高岭土与冶炼铅渣的质量比;当冶炼铅渣球磨时间为4 h,碱当量为6%(质量分数),碱激发剂模数为1.4,偏高岭土与冶炼铅渣的质量比为3∶7时,复合胶凝材料28 d抗压强度达56.18 MPa;偏高岭土能够促进冶炼铅渣水化,产生更多凝胶和网状结构的硅铝酸盐类晶体填充基体孔隙,对胶凝体系后期强度发展起到促进作用。     

不同骨料掺量与级配下白钨尾矿-偏高岭土基地聚合物的制备及其早期强度

将富含Si、Ca的白钨尾矿和富含Si、Al的偏高岭土复合作为硅铝原料(基质),在水玻璃激发作用下制备地聚合物砂浆,以调整骨料掺量与级配的方式去优化试样的早期抗压强度;并借助XRD和SEM-EDS对优选试样的微结构进行表征.结果表明:当骨料掺量为50％时,产生高强度砂浆试样的个数最多;当骨料掺量为40％,且细、中、粗骨料在总骨料中分别占10％、60％、30％时,试样的早期抗压强度获得最高值26.7 MPa;在对硅铝原料进行的活化预处理和水玻璃激发以及对砂浆试样进行的蒸压养护之后,硅铝原料中的Si、Al、Ca等元素得以部分溶出,参与形成地聚合物凝胶体,赋予砂浆试样良好的早期强度性能.     

偏高岭土地质聚合物的制备及其抗压强度研究

在采用偏高岭土碱激发制备地质聚合物的基础上,优化配合比,为制备出早期强度较高的地质聚合物。以NaOH和水玻璃为复合碱激发剂,研究水玻璃模数、碱当量、液固比以及养护条件对偏高岭土地质聚合物抗压强度的影响。试验结果表明,偏高岭土130g、水玻璃模数1.0、碱当量11%、液固比0.31、标准养护时,制备的偏高岭土地质聚合物3d抗压强度最高,达到53.7MPa。另外,在初始液固比为0.31时,不同模数下的地质聚合物强度都达到最佳。本文为偏高岭土地质聚合物的制备提供了有效的借鉴。     

不同碱激发剂作用下稀土尾矿地聚物的抗压强度与泛霜程度研究

本研究将稀土尾矿预处理后与适量偏高岭土混合作为硅铝原料制备地聚物,在改变碱激发剂类型及MOH(M=Na或K)浓度的情况下,研究地聚物试样抗压强度与泛霜程度的变化规律.结果表明,在四类碱激发剂(包括NaOH型、KOH型、“NaOH+硅胶粉”型、“KOH+硅胶粉”型)中,使用“KOH+硅胶粉”型激发剂时,可制备出抗压强度最高和泛霜程度最低的地聚物试样,并且所制备优选试样的泛霜程度与其抗压强度的线性相关程度最高;比较四类激发剂各自对应优选地聚物试样的凝胶相中Si含量表明,“NaOH+硅胶粉”型、“KOH+硅胶粉”型激发剂对应的试样分别相对NaOH型、KOH型激发剂对应的试样更高,并且这四个试样在宏观上的强度性能表现与其在微观上的形貌特征得到互相验证.     

室温碱激发低钙粉煤灰地质聚合物配比试验研究

为得到室温下粉煤灰与碱激发剂质量比、水玻璃与氢氧化钠溶液质量比和氢氧化钠溶液摩尔浓度对粉煤灰地质聚合物力学性能的影响,以低钙粉煤灰为原料,制备了地质聚合物胶凝材料。采用正交试验方法,分析粉煤灰地质聚合物抗压强度,探讨碱激发剂配比对粉煤灰地质聚合物力学性能的影响,结合SEM、XRD和FTIR对试样进行表征,并对该材料的应力-应变曲线进行了研究。结果表明:粉煤灰地质聚合物的抗压强度随着激发剂掺量的减少而增大,水玻璃在激发剂中的比值与粉煤灰地质聚合物的抗压强度呈现正相关,其中粉煤灰与碱激发剂质量比为1.8,水玻璃与氢氧化钠溶液质量比为2.5且氢氧化钠溶液的浓度为10 mol/L时,120 d龄期的抗压强度可达51.98 MPa。对应力-应变曲线分析得出,在一定程度上,激发剂的掺入量对粉煤灰地质聚合物的破坏应变和弹性模量有较大影响。SEM、XRD和FTIR分析表明随着养护时间增长,胶凝材料体系内结构更致密,生成了更多的硅铝酸盐凝胶。     

碱激发偏高岭土基地质聚合物的制备及抗压强度研究

为了响应“双碳”政策节能减排的号召,本文采用偏高岭土和高炉矿渣为原材料制备地质聚合物。以抗压强度为指标优化制备条件,探讨确定影响地质聚合物强度的因素。通过正交试验确定偏高岭土基地质聚合物的最佳配比,通过热重和XRD分析不同温度煅烧的偏高岭土组分。研究结果表明,在高岭土煅烧温度为800 ℃时,偏高岭土基地质聚合物的最佳配合比为氢氧化钠与硅酸钠的质量比为6.5∶1,激发剂的质量掺量为14.2%,其28 d抗压强度能达到46.6 MPa。偏高岭土基地质聚合物抗压强度随激发剂的掺量增加而增大,随氢氧化钠与硅酸钠的质量比的增大先增大后减小,随高岭土煅烧温度的升高先增大后减小。     

Preparation and characterization of tungsten tailing-based geopolymers

Using tailings to prepare constructive materials is of great significance for sustainable development of mineral processing industry. In this study, the possibility of preparing tungsten tailing-based geopolymers was explored in detail. XRD, FTIR, PLM, SEM and XPS analyses were carried out to characterize the phase composition, chemical bonding, microstructure, chemical state, and interface properties of tungsten tailing-based geopolymers. Results showed tungsten tailings presented little activity using NaOH as activator, while geopolymers with 60% non-pretreatment tungsten tailing and 40% metakaolin presented a 3-day compressive strength of 8.4 MPa and 28-day compressive strength of 9.1 MPa. The geopolymerization products of tungsten tailing-based geopolymers were N-A-S-H gels and aluminosilicate zeolite crystals, while tungsten tailings were wrapped by metakaolin-derived geopolymerization phases as aggregates with interfaces containing Si–O–Si bonding between quartz in tungsten tailings and zeolite and/or gel phase in metakaolin-derived geopolymer in the geopolymerization process. Besides, the leaching test results indicated that the immobilization efficiency of T6M4 geopolymers for Mn and Pb derived from tungsten tailings reached up to 97.28% and 99.95%, respectively. This research results provide a new idea for utilization of tungsten tailings on a large scale.     

不同侵蚀环境下地质聚合物耐久性研究

地质聚合物作为新兴绿色无机胶凝材料,因独特的三维网络骨架结构而兼具矿物和高分子材料的特性。分别以固体废弃物粉煤灰和偏高岭土为原料,采用碱激发方式制备地质聚合物试块,考察养护28 d后试块在5%HCl、10%NaOH、5%MgCl₂+5%NaCl和5%H₂SO₄(均为质量分数)溶液中浸泡1~84 d的耐化学侵蚀能力。X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及试块质量、抗压强度测试表明,不同浸泡环境所引起地质聚合物胶凝材料的响应差异较大,粉煤灰基地质聚合物表现出较优异的耐低浓度硫酸、氢氧化钠、盐溶液侵蚀性能,微观结构及外观形貌稳定,试块质量和抗压强度稳定。偏高岭土基地质聚合物在盐溶液中性条件下结构和性能较稳定。在盐酸环境下两种地质聚合物被腐蚀明显,质量损失率大,抗压强度降低显著。对比研究表明,粉煤灰基地质聚合物的耐低浓度酸、碱溶液腐蚀性明显优于偏高岭土基地质聚合物。上述两类地质聚合物可潜在应用于海洋建筑领域。     

Synthesis of volcanic ash-based geopolymer mortars by fusion method: Effects of adding metakaolin to fused volcanic ash

The present study aimed at improving the properties of geopolymer mortars obtained from volcanic ash as a source material. An alkali fusion process was used to promote the dissolution of Si and Al species from the volcanic ash and thus to enhance the reactivity of volcanic ash. Various amount of metakaolin (30%, 40%, 50% and 60% MK by weight) was used to consume the excess alkali needed for the fusion. The amount of amorphous phase was determined both in the volcanic ash and the fused volcanic ash and X-ray diffraction analysis was used to evaluate effect of the alkaline fusion method. Geopolymers were prepared by alkali activation of mixtures of powders of fused volcanic ash, various amount of metakaolin and river sand using a sodium silicate solution as activator. The geopolymer mortars were characterized by determination of setting time, linear shrinkage, scanning electron microscopy and compressive strength. The results of this study indicate that geopolymer mortars synthesized by the fusion method exhibit low setting time (7–15 min), low shrinkage (0–0.42%) and high compressive strength (41.5–68.8 MPa). This study showed that, by enhancing the reactivity of volcanic ash by alkali fusion and balancing the Na/Al ratio through the addition of metakaolin, all volcanic ashes can be recycled as an alternative source material for the production of geopolymers.     

Consolidation of mine tailings through geopolymerization at ambient temperature

Mine tailings-based geopolymers were prepared at ambient temperature. The evolution of their microstructure and the immobilization of lead were studied. Characterizations include measurements in compressive strength, scanning electron microscope (SEM), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), nuclear magnetic resonance (NMR) and toxicity characteristic leaching procedure (TCLP) tests. With increasing the ratio of metakaolin from 0% to 50%, geopolymer gel in the mine tailings-based geopolymers increased from 33.92% to 79.45%, leading to the compressive strength that increased from 2 to 15.5 MPa. With addition of Pb(NO₃)₂, a three-stepped changes in the compressive strength and microstructure of the geopolymers were observed. As increasing Pb(NO₃)₂ dosage from 0% to 6%, geopolymer gel was kept constant, while lead silicate glass increased from 0% to 10.51%, and Si sites in calcium silicate hydrate (CSH) gel decreased from 20.55% to 11.3%. Pb²⁺ was effectively immobilized in the geopolymers. This study first presents the evolution of geopolymer gel, belite, lead silicate glass, and CSH gel in mine tailings-based geopolymers as the functions of metakaolin and Pb(NO₃)₂ additions.     

地质聚合物合成中铝酸盐组分的作用机制

在对铝、硅酸盐离子团中离子的部分电荷计算的基础上,研究了铝组分在地质聚合物合成中的作用机制,并通过实验进行了初步验证。研究表明：铝组分对地质聚合物的合成中缩聚反应有显著的促进作用,因而在合成地质聚合物时原料中铝组分的溶解性至关重要。实验结果表明：由具有较小颗粒度的煅烧高岭土为原料合成的地质聚合物具有较短的固化时间,更均匀的显微结构和更高的机械强度。如由较粗的煅烧高岭土为原料合成的地质聚合物的抗压强度为54MPa,而由较细的煅烧高岭土为原料合成的地质聚合物的抗压强度则能达到74MPa。     

粉煤灰地聚合物力学性能影响因素研究综述

粉煤灰地聚合物是以粉煤灰为硅铝质原料制备的,具有强度高、耐高温、耐腐蚀、有效固封金属离子等优点。但它固有的脆性以及需高温养护才能快速获得高强度的特点限制了其运用范围,而以纤维作为增强材料不仅可以提高粉煤灰地聚合物的强度,还可以改善其延性和韧性。本文主要从粉煤灰原料特性、碱激发剂、养护制度和增强材料四方面入手,重点阐述了粉煤灰粒径和化学组成,碱激发剂的种类、用量和模数,升温养护时间和初期养护温度对抗压强度的影响,以及纤维对粉煤灰地聚合物抗压强度和弯曲性能的影响。最后,根据现有的研究成果,对四种影响因素分别是如何影响粉煤灰地聚合物力学性能进行总结。     

Preparation of one-part geopolymeric precursors using vanadium tailing by thermal activation

The main purpose of this study is to develop a user-friendly one-part geopolymer using vanadium tailing (VT). Geopolymeric precursor consists of activated VT and metakaolin that can react directly with water to form geopolymers. The roasting temperature plays an important role in the VT activation, which affects the compressive strength of the final geopolymer. The geopolymer with accepted compressive strength, that is 29.0 MPa after 7 days curing in ambient condition, can be prepared using VT after thermal activation at appropriate temperature (400-600°C). As the roasting temperature is increased to 700°C, the VT is molten and sintered and the ability of providing alkaline and Si⁴⁺ is drastically weakened, which results in a poor compressive strength geopolymer.