权利要求
1.一种基于硅质
固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂的制备方法，其特征在于所述制备方法的具体步骤：
步骤1、将硅质固废干燥、破碎和第一次粉磨，得到预处理硅质固废粉体;
步骤2、将所述预处理硅质固废粉体与固体碱按照质量比为100∶80~100混合，得到混合料;
步骤3、将所述混合料于600~1000℃条件下热活化0.5~2h，冷却，第二次粉磨，得到基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂。
2.根据权利要求1所述基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂的制备方法，其特征在于，所述硅质固废为
尾矿渣、冶炼渣、石材废料、玻璃废料中的一种;硅质固废中：SiO2含量≥55wt%，Al2O3含量≤10wt%，CaO含量≤12wt%。
3.根据权利要求1所述基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂的制备方法，其特征在于，所述干燥是指含水率≤8wt%。
4.根据权利要求1所述基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂的制备方法，其特征在于，所述第一次粉磨所采用的设备为球磨机、振动磨机的一种。
5.根据权利要求1所述基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂的制备方法，其特征在于，所述预处理硅质固废粉体的粒径<200μm。
6.根据权利要求1所述基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂的制备方法，其特征在于，所述固体碱为NaOH、或为KOH。
7.根据权利要求1所述基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂的制备方法，其特征在于，所述冷却的方式为自然冷却，冷却的温度为室温。
8.根据权利要求1所述基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂的制备方法，其特征在于，所述第二次粉磨与第一次粉磨所采用的设备相同。
9.根据权利要求1所述基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂的制备方法，其特征在于，所述基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂的粒径<74μm。
10.一种基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂，其特征在于，所述基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂是根据权利要求1~9中任一项所述基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂的制备方法所制备的基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于固废资源化利用与建筑材料制备技术领域。具体涉及一种基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂及其制备方法。
背景技术
[0002]无机聚合材料是由富含硅
铝的活性原料在碱激发作用下使得活性组分溶解、重组并聚合形成三维网络结构的无机非金属材料，具有早期强度高、耐腐蚀性强和制备能耗低等特点，被认为是传统水泥的“绿色替代材料”。现有无机聚合材料用碱激发剂主要为水玻璃溶液。市售的水玻璃对纯度、不溶物要求高，因此生产过程要求严格。目前水玻璃生产主要采用干法和湿法两种工艺：干法通常将高纯石英与Na2CO3在1400℃左右高温熔融，得到模数为2.2~3.7的固体水玻璃，再经溶解和模数调节得到所需水玻璃溶液;湿法通常将高纯石英砂与NaOH或KOH水溶液经过高温加压、过滤浓缩得到水玻璃溶液。上述生产过程不仅依赖高纯原料，且工艺复杂，导致成本和能耗居高不下，制约着无机聚合材料的绿色发展。
[0003]尾矿渣、冶炼渣、石材废料等硅质固废产量较大，传统的直接堆存方式不仅占用土地资源，还可能带来巨大的环境风险。硅质固废通常富含SiO2，具有作为无机聚合材料辅助激发的潜力，且无机聚合材料对碱激发剂的纯度和不溶物要求并不高。因此，充分激发硅质固废活性，将其研发为无机聚合材料用粉体碱激发剂已为本领域技术人员所关注。
[0004]“矿渣-粉煤灰复合固体激发剂及其生产方法”(CN102627426B)专利技术，该技术将NaOH、Na2CO3、低模数液体水玻璃和改性剂混合成均一溶液，在真空陈化24~48h，140~170℃干燥，粉磨得到固体激发剂，再与矿渣-粉煤灰复合生产矿物掺合料或混凝土，该技术采用多种纯化学药剂制备固体激发剂，不仅未摆脱现有水玻璃生产工艺，且增加了陈化、干燥等步骤，生产工艺复杂、能耗和成本较高，没有实现硅质固废的高效资源化利用。
[0005]“一种碱激发
胶凝材料及其制备方法”(CN104446045A)专利技术，该技术将硅质铁尾矿粉、粉煤灰和矿渣粉混合形成复合粉体，再将液态水玻璃通过NaOH调节模数后加入其中，养护成型得到产品，该技术虽然实现了硅质铁尾矿的资源化利用，但是核心技术使用液态水玻璃，水玻璃由于粘性较大、碱性较强，不便于存储运输，现场施工时存在安全隐患。
[0006]“一种基于无机固废的混凝土激发剂及其制备方法”(CN120423813B)专利技术，该技术以废玻璃、尾矿和粉煤灰为高硅固废基料，配合电石渣、副产Na2CO3、改性复合酶微囊、聚醚多元醇、表面活性剂和有机酸，经制浆、水热反应及后处理制得混凝土激发剂，该技术引入多种改性剂辅助组分，不仅制备工艺复杂，且混凝土激发剂为液态浆体，不便于运输和现场施工。
[0007]综上所述，现有方法存在对传统水玻璃生产工艺依赖较强、硅质固废利用程度不高、生产成本和能耗较高，以及工艺流程较繁琐、不利于储存运输且施工安全性不足的问题。
发明内容
[0008]本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供了一种能提高硅质固废的高效资源化利用、显著降低成本和能耗、生产工艺简单的基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂的制备方法，该方法制备的基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂不仅储运方便、施工安全，且能替代水玻璃制备的无机聚合材料抗压强度高。
[0009]为实现上述目的，本发明采用的技术方案的具体步骤是：
步骤1、将硅质固废干燥、破碎和第一次粉磨，得到预处理硅质固废粉体。
[0010]步骤2、将所述预处理硅质固废粉体与固体碱按照质量比为100∶80~100混合，得到混合料。
[0011]步骤3、将所述混合料于600~1000℃条件下热活化0.5~2h，冷却，第二次粉磨，得到基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂。
[0012]所述硅质固废为尾矿渣、冶炼渣、石材废料、玻璃废料中的一种;硅质固废中：SiO2含量≥55wt%，Al2O3含量≤10wt%，CaO含量≤12wt%。
[0013]所述干燥是指含水率≤8wt%。
[0014]所述第一次粉磨所采用的设备为球磨机、振动磨机的一种。
[0015]所述预处理硅质固废粉体的粒径<200μm。
[0016]所述固体碱为NaOH、或为KOH。
[0017]所述冷却的方式为自然冷却，冷却的温度为室温。
[0018]所述第二次粉磨与第一次粉磨所采用的设备相同。
[0019]所述基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂的粒径<74μm。
[0020]由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有以下积极效果：
1、本发明通过硅质固废与NaOH或KOH等固体碱混合后进行热活化，使硅质固废中稳定的石英晶体结构破坏分解，促进活性硅酸盐物质溶解。随着反应的进行，硅质固废中的石英完成转变为低聚合度的Q2结构的硅酸盐，其可溶性程度高。该过程将硅质固废由低活性原料转变为可直接参与碱激发反应的有效硅源，提高了硅质固废的高效资源化利用，不仅显著降低了成本和能耗，且生产工艺简单。
[0021]2、本发明将硅质固废预处理后，与固体碱复配和热活化后直接得到基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂(以下简称“粉体碱激发剂”)，将“硅源供给”和“碱激发功能”集成于单一粉体中，不仅避免了传统无机聚合材料制备过程对外部溶液形态硅源的依赖，也省去了传统水玻璃生产工艺对高纯原料依赖和复杂严格的生产工艺，为全部替代水玻璃制备无机聚合材料提供基础。故制备的粉体碱激发剂不仅储运方便、施工安全，且能替代水玻璃制备无机聚合材料。
[0022]3、本发明制得的粉体碱激发剂与硅铝质原料和水接触后，能够迅速释放硅质固废与固体碱中的NaOH、KOH形成的Na2SiO3、K2SiO3等硅酸盐组分，提高体系pH，促进制备无机聚合材料的硅铝质原料中Si–O–Si/Al的断裂，使得原料中的硅铝组分以单体或低聚体形式溶出，同时所制备的粉体碱激发剂本身的活性硅组分可以补充体系的可反应性硅源，双重作用有利于促进形成连续而致密的三维网络结构的无机聚合材料。依据国家标准GB/T17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》，对于本发明制得的基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂所制备的无机聚合材料进行测试，其抗压强度为35.21~72.86MPa。
[0023]因此，本发明具有提高硅质固废的高效资源化利用、显著降低成本和能耗、生产工艺简单的特点，所制备的基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂不仅储运方便、施工安全，且能替代水玻璃制备的无机聚合材料抗压强度高。
附图说明
[0024]图1为本发明制备的一种基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂的XRD图;
图2为图1所示基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂制备的无机聚合材料的外观图;
图3为图1所示基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂制备的无机聚合材料的SEM图。
具体实施方式
[0025]下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述，并非对其保护范围的限制：
一种基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂及其制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：
步骤1、将硅质固废干燥、破碎和第一次粉磨，得到预处理硅质固废粉体。
[0026]步骤2、将所述预处理硅质固废粉体与固体碱按照质量比为100∶80~100混合，得到混合料。
[0027]步骤3、将所述混合料于600~1000℃条件下热活化0.5~2h，冷却，第二次粉磨，得到基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂。
[0028]所述硅质固废为尾矿渣、冶炼渣、石材废料、玻璃废料中的一种;硅质固废中：SiO2含量≥55wt%，Al2O3含量≤10wt%，CaO含量≤12wt%。
[0029]所述第一次粉磨所采用的设备为球磨机、振动磨机的一种。
[0030]所述固体碱为NaOH、或为KOH。
[0031]本具体实施方式中：
所述干燥是指含水率≤8wt%。
[0032]所述预处理硅质固废粉体的粒径<200μm。
[0033]所述冷却的方式为自然冷却，冷却的温度为室温。
[0034]所述第二次粉磨与第一次粉磨所采用的设备相同。
[0035]所述基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂的粒径<74μm。
[0036]实施例中不再赘述。
[0037]实施例1
一种基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂及其制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：
步骤1、将硅质固废干燥、破碎和第一次粉磨，得到预处理硅质固废粉体。
[0038]步骤2、将所述预处理硅质固废粉体与固体碱按照质量比为100∶80混合，得到混合料。
[0039]步骤3、将所述混合料于600℃条件下热活化2h，冷却，第二次粉磨，得到基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂。
[0040]所述硅质固废为玻璃废料;硅质固废中：SiO2含量为73.22wt%，Al2O3含量为1.43wt%，CaO含量为11.50wt%。
[0041]所述第一次粉磨所采用的设备为球磨机。
[0042]所述固体碱为KOH。
[0043]将本实施例制备的基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂与偏高岭土和水按照质量比为100∶140∶145混合，在转速为2000rmp条件下搅拌1.5min，浇筑于模具中，依据国家标准GB/T 17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》标准养护7d，值得无机聚合材料。经检测：所制得的无机聚合材料的抗压强度为35.21MPa。
[0044]所述偏高岭土：SiO2含量为59.80wt%，Al2O3含量为35.72wt%。
[0045]实施例2
一种基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂及其制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：
步骤1、将硅质固废干燥、破碎和第一次粉磨，得到预处理硅质固废粉体。
[0046]步骤2、将所述预处理硅质固废粉体与固体碱按照质量比为100∶85混合，得到混合料。
[0047]步骤3、将所述混合料于700℃条件下热活化1.75h，冷却，第二次粉磨，得到基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂。
[0048]所述硅质固废为石材废料;硅质固废中：SiO2含量为70.44wt%，Al2O3含量为9.96wt%，CaO含量为1.67wt%。
[0049]所述第一次粉磨所采用的设备为振动磨机。
[0050]所述固体碱为NaOH。
[0051]将本实施例制备的基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂与粉煤灰和水按照质量比为100∶120∶120混合，在转速为2000rmp条件下搅拌1.5min，浇筑于模具中，依据国家标准GB/T 17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》标准养护14d，值得无机聚合材料。经检测：所制得的无机聚合材料的抗压强度为54.39MPa。
[0052]所述粉煤灰：SiO2含量为49.40wt%，Al2O3含量为22.50wt%。
[0053]实施例3
一种基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂及其制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：
步骤1、将硅质固废干燥、破碎和第一次粉磨，得到预处理硅质固废粉体。
[0054]步骤2、将所述预处理硅质固废粉体与固体碱按照质量比为100∶100混合，得到混合料。
[0055]步骤3、将所述混合料于800℃条件下热活化1.5h，冷却，第二次粉磨，得到基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂。
[0056]所述硅质固废为冶炼渣;硅质固废中：SiO2含量为55.98wt%，Al2O3含量为6.27wt%，CaO含量为3.77wt%。
[0057]所述第一次粉磨所采用的设备为球磨机。
[0058]所述固体碱为NaOH。
[0059]将本实施例制备的基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂与粉煤灰和水按照质量比为100∶140∶120混合，在转速为2000rmp条件下搅拌1.5min，浇筑于模具中，依据国家标准GB/T 17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》标准养护28d，值得无机聚合材料。经检测：所制得的无机聚合材料的抗压强度为66.27MPa。
[0060]所述偏高岭土：SiO2含量为57.50wt%，Al2O3含量为29.11wt%。
[0061]实施例4
一种基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂及其制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：
步骤1、将硅质固废干燥、破碎和第一次粉磨，得到预处理硅质固废粉体。
[0062]步骤2、将所述预处理硅质固废粉体与固体碱按照质量比为100∶90混合，得到混合料。
[0063]步骤3、将所述混合料于900℃条件下热活化1h，冷却，第二次粉磨，得到基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂。
[0064]所述硅质固废为尾矿渣;硅质固废中：SiO2含量为66.63wt%，Al2O3含量为2.54wt%，CaO含量为6.26wt%。
[0065]所述第一次粉磨所采用的设备为球磨机。
[0066]所述固体碱为NaOH。
[0067]将本实施例制备的基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂与偏高岭土和水按照质量比为100∶160∶170混合，在转速为2000rmp条件下搅拌1.5min，浇筑于模具中，依据国家标准GB/T 17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》标准养护7d，值得无机聚合材料。经检测：所制得的无机聚合材料的抗压强度为51.20MPa。
[0068]所述偏高岭土：SiO2含量为53.50wt%，Al2O3含量为41.73wt%。
[0069]实施例5
一种基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂及其制备方法。本实施例所述制备方法的步骤是：
步骤1、将硅质固废干燥、破碎和第一次粉磨，得到预处理硅质固废粉体。
[0070]步骤2、将所述预处理硅质固废粉体与固体碱按照质量比为100∶95混合，得到混合料。
[0071]步骤3、将所述混合料于1000℃条件下热活化0.5h，冷却，第二次粉磨，得到基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂。
[0072]所述硅质固废为玻璃废料;硅质固废中：SiO2含量为79.12wt%，Al2O3含量为1.21wt%，CaO含量为10.05wt%。
[0073]所述第一次粉磨所采用的设备为振动磨机。
[0074]所述固体碱为KOH。
[0075]将本实施例制备的基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂与矿渣和水按照质量比为100∶110∶105混合，在转速为2000rmp条件下搅拌1.5min，浇筑于模具中，依据国家标准GB/T 17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》标准养护28d，值得无机聚合材料。经检测：所制得的无机聚合材料的抗压强度为72.86MPa。
[0076]所述偏高岭土：SiO2含量为31.44wt%，Al2O3含量为16.05wt%。
[0077]本具体实施方式与现有技术相比具有以下积极效果：
1、本具体实施方式通过硅质固废与NaOH或KOH等固体碱混合后进行热活化，使硅质固废中稳定的石英晶体结构破坏分解，促进活性硅酸盐物质溶解。随着反应的进行，硅质固废中的石英完成转变为低聚合度的Q2结构的硅酸盐，其可溶性程度高。该过程将硅质固废由低活性原料转变为可直接参与碱激发反应的有效硅源，提高了硅质固废的高效资源化利用，不仅显著降低了成本和能耗，且生产工艺简单。
[0078]2、本具体实施方式将硅质固废预处理后，与固体碱复配和热活化后直接得到基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂，将“硅源供给”和“碱激发功能”集成于单一粉体中，不仅避免了传统无机聚合材料制备过程对外部溶液形态硅源的依赖，也省去了传统水玻璃生产工艺对高纯原料依赖和复杂严格的生产工艺，为全部替代水玻璃制备无机聚合材料提供基础。所制备的基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂如附图所示：图1为实施例4制备的基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂的XRD图;从图1可以看出：实施例4制备的粉体碱激发剂主要物相为硅酸钠，能替代水玻璃制备无机聚合材料。不仅储运方便、施工安全。
[0079]3、本具体实施方式制得的基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂与硅铝质原料和水接触后，能够迅速释放硅质固废与固体碱中的NaOH、KOH形成的Na2SiO3、K2SiO3等硅酸盐组分，提高体系pH，促进制备无机聚合材料的硅铝质原料中Si–O–Si/Al的断裂，使得原料中的硅铝组分以单体或低聚体形式溶出，同时所制备的基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂本身的活性硅组分可以补充体系的可反应性硅源，双重作用有利于促进形成连续而致密的三维网络结构的无机聚合材料。所制备的基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂如附图2、3所示：图2为图1所示基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂制备的无机聚合材料的外观图;图3为图1所示基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂制备的无机聚合材料的SEM图;从图2可以看出：用实施例4制得的基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂制备的无机聚合材料外观完整，表面平整，未见开裂、掉角和粉化现象。从图3可以看出：用实施例4制得的基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂制备的无机聚合材料未见明显大孔洞和贯通裂纹，结构致密性好，抗压强度高。
[0080]对本具体实施方式制得的基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂所制备的无机聚合材料进行测试：抗压强度为35.21~72.86MPa。本具体实施方式的测试标准是依据国家标准GB/T 17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》。
[0081]因此，本具体实施方式具有提高硅质固废的高效资源化利用、显著降低成本和能耗、生产工艺简单的特点，所制备的基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂不仅储运方便、施工安全，且能替代水玻璃制备的无机聚合材料抗压强度高。
说明书附图(3)
声明：
“基于硅质固废的无机聚合材料用粉体碱激发剂及其制备方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：武汉科技大学
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2026年08月06日 ~ 08日 
