一种硅溶胶改性铬铁渣骨料及其制备方法

本发明涉及一种硅溶胶改性铬铁渣骨料及其制备方法，属于建筑材料。

背景技术：

1、高碳铬铁渣是冶炼铬铁合金时产生的副产品。据统计，截至去年，我国每年的高碳铬铁冶炼废渣已超过840万吨。传统的处理方式——简单的填埋或堆砌，对土地资源造成了极大的浪费，于环境而言也是隐患：炉渣中的可浸出性cr6+具有严重毒性，影响动植物的生长，长期接触会导致皮肤及呼吸道疾病。因此，铬铁渣的资源化利用势在必行。

2、铬铁渣是一种无机非金属材料，以镁系橄榄石和尖晶石为主要物相。根据冷却方式的不同，可将其简单分为水冷和风冷铬铁渣。水冷渣降温速度快，颗粒细小且孔隙繁多，多亚稳态的玻璃体相，对强度有影响；而风冷渣则通常颗粒较大且粗糙，形成物相中晶体居多。由于铬铁渣中含有大量硅质和铝质，标准化的尾渣在调节组分比例后可以广泛应用于冶金、陶瓷、耐火材料等领域。在建筑领域，已有使用铬铁渣作为矿物掺合料和骨料使用的先例。通过对cr6+的浸出量检测和控制，可以确保其符合当地的环境标准和法规。然而，由于铬铁渣中活性硅质含量较低，整体呈惰性，其在作为惰性细颗粒填料和辅助性胶凝材料(scms)方面的应用收效甚微。目前，实践中已有例证表明铬铁渣可以完全替代天然砂石作为骨料的潜力。需要注意的是，其多孔的形态和高吸水率可能会影响材料的耐久性和强度。

3、纳米硅溶胶是纳米级sio2稳定分散于介质中的胶体溶液，具有优异的吸附性和大比表面积，其介孔结构提供了反应活性位点。同时由于硅溶胶对水泥基材料具有良好的渗透性，掺入的胶体粒子可起填充作用。同时，考虑到硅溶胶与铬铁渣的相容性，而丙烯酸钙中的ca2+能迅速与水泥基材料的活性si-oh基团结合，形成c-s-h凝胶，有效封闭孔隙并降低吸水率。此外，丙烯酸钙在引发剂和交联剂的作用下会形成聚丙烯酸钙骨架结构，进一步提高了骨料的抗压和抗折强度。

技术实现思路

1、技术问题：本发明的目的在于提供一种硅溶胶改性铬铁渣骨料及其制备方法，该方法成本低廉、绿色环保、工艺简单，该方法解决了铬铁渣粗糙多孔吸水率高的问题，使得改性后的铬铁渣骨料表面平滑，孔隙率、吸水率显著降低，从而优化新拌混凝土浆体的工作性，提高混凝土的力学性能和耐久性。

2、技术方案：一种硅溶胶改性铬铁渣骨料，将铬铁渣骨料浸入纳米硅溶胶中并充分浸泡，再加入改性剂、交联剂、引发剂和促进剂进行反应强化骨料，最后养护后烘干固化备用；所述的纳米硅溶胶是采用溶胶-凝胶法以稻壳灰为原料酸洗再和naoh反应后，再酸调节ph值8～10后陈化得到。

3、所述的酸洗过程中，需将ph值调节至4～5，所用酸为硝酸或丙烯酸。

4、所述的改性剂为丙烯酸钙，添加量为纳米硅溶胶溶液的10wt％～20wt％。交联剂选用三(3-氮丙啶基)丙酸酯(分子式为c20h33n3o7),引发剂为过硫酸钾，促进剂为三乙醇胺。

5、改性剂、交联剂、促进剂、引发剂的质量比例份数为100：5：1：2.5。

6、制备所述的硅溶胶改性铬铁渣骨料的方法，包括以下步骤：

7、1)采用溶胶-凝胶法对稻壳灰酸洗处理以去除金属离子，烘干后加入naoh溶液搅拌过滤得到棕色的硅酸钠溶液；

8、2)用酸滴定调节水玻璃溶液至ph＝8～10后经陈化离心得到了纳米硅溶胶凝胶，烘干研磨备用；

9、3)将纳米硅溶胶配置成硅溶胶溶液并在超声清洗机下分散，随后将铬铁渣骨料浸入并充分浸泡；

10、4)将充分浸泡的溶液中加入改性剂和交联剂以强化骨料，加入少量引发剂和促进剂加速反应进行；

11、5)将改性后的骨料养护后烘干固化备用。

12、步骤1)所述的naoh物质的量为0.6～0.8mol。

13、步骤2)所述的陈化离心步骤所需的陈化时间为2～3d，离心转速为3500～4000rpm。

14、步骤3)所述的超声清洗机下分散后的一定质量分数的纳米硅溶胶溶液，超声清洗机分散的时长为20～30min，超声频率为30～40khz，纳米硅溶胶溶液为5wt～10wt％。

15、步骤4)中所述的养护条件为20±2℃，相对湿度为95％，养护时间为3d。

16、步骤1)、2)、4)中所述的烘干温度均为110～140℃，时间为12～18h。

17、有益效果：

18、1)本方法以稻壳灰为原料制备纳米硅溶胶，摒弃了传统金属醇盐作硅源带来的毒性，有效地缓解了环境压力，且工艺对设备复杂度和精度要求不高，容易实现工业化生产；

19、2)本方法采用的纳米硅溶胶相较于纳米sio2粉末具出更强的渗透性，更容易在介质中实现均匀分散，从而能够充分地与待改性骨料接触。过量的纳米硅溶胶溶液在与丙烯酸钙反应的同时，不仅实现了封孔效果，还在表面和内部保留了活性纳米sio2颗粒，为界面粘结和微观结构优化方面发挥了关键作用。与此同时，在交联剂的作用下，丙烯酸钙形成的骨架结构进一步强化了集料的整体力学性能，使其在混凝土中的增强作用得以充分发挥。

20、3)改性后的铬铁渣骨料孔隙率、吸水率降低，表面更加平整、内部相对稳定。在使用改性骨料成型混凝土的过程中需水量明显降低、新拌浆体工作性有所优化。由此制得混凝土的强度明显提升、氯离子扩散系数下降，集料与浆体界面结构得以优化，有效提升了混凝土的力学性能和耐久性。

技术特征：

1.一种硅溶胶改性铬铁渣骨料，其特征在于，将铬铁渣骨料浸入纳米硅溶胶中并充分浸泡，再加入改性剂、交联剂、引发剂和促进剂进行反应强化骨料，最后养护后烘干固化备用；所述的纳米硅溶胶是采用溶胶-凝胶法以稻壳灰为原料酸洗再和naoh反应后，再酸调节ph值8～10后陈化得到。

2.如权利要求1所述的硅溶胶改性铬铁渣骨料，其特征在于，所述的酸洗过程中，需将ph值调节至4～5，所用酸为硝酸或丙烯酸。

3.如权利要求1所述的硅溶胶改性铬铁渣骨料，其特征在于，所述的改性剂为丙烯酸钙，添加量为纳米硅溶胶溶液的10wt％～20wt％；交联剂选用三(3-氮丙啶基)丙酸酯(分子式为c20h33n3o7),引发剂为过硫酸钾，促进剂为三乙醇胺。

4.如权利要求1所述的硅溶胶改性铬铁渣骨料，其特征在于，改性剂、交联剂、促进剂、引发剂的质量比例份数为100：5：1：2.5。

5.制备权利要求1～4任一所述的硅溶胶改性铬铁渣骨料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.如权利要求5所述的制备硅溶胶改性铬铁渣骨料的方法，其特征在于：步骤1)所述的naoh物质的量为0.6～0.8mol。

7.如权利要求5所述的制备硅溶胶改性铬铁渣骨料的方法，其特征在于：步骤2)所述的陈化离心步骤所需的陈化时间为2～3d，离心转速为3500～4000rpm。

8.如权利要求5所述的制备硅溶胶改性铬铁渣骨料的方法，其特征在于：步骤3)所述的超声清洗机下分散后的一定质量分数的纳米硅溶胶溶液，超声清洗机分散的时长为20～30min，超声频率为30～40khz，纳米硅溶胶溶液为5wt～10wt％。

9.如权利要求5所述的制备硅溶胶改性铬铁渣骨料的方法，其特征在于：步骤4)中所述的养护条件为20±2℃，相对湿度为95％，养护时间为3d。

10.如权利要求5所述的制备硅溶胶改性铬铁渣骨料的方法，其特征在于：步骤1)、2)、4)中所述的烘干温度均为110～140℃，时间为12～18h。

技术总结本发明涉及一种硅溶胶改性铬铁渣骨料及其制备方法，包括以下步骤：采用溶胶‑凝胶法对稻壳灰酸洗处理以去除金属离子，烘干后加入NaOH溶液搅拌过滤得到棕色的硅酸钠溶液。用酸滴定将水玻璃溶液pH调节至8～10后经陈化离心得出纳米硅溶胶凝胶，烘干后研磨备用；将纳米硅溶胶配置成一定分数的硅溶胶溶液并在超声清洗机下分散，随后将铬铁渣骨料浸入并充分浸泡；在充分浸泡的溶液中加入改性剂和交联剂以强化骨料，加入少量引发剂和促进剂加速反应进行；将改性后的骨料放入特定环境养护后烘干固化备用。本改性方法绿色环保、工艺简单、成本低廉、安全无毒。得到的改性铬铁渣骨料表面孔隙明显减少，压碎值和吸水率显著降低。改性后的铬铁渣骨料制备的混凝土具有更为稳定和可靠的性能，尤其在高性能混凝土应用中，有望实现更优异的抗渗透性、耐久性和强度表现。技术研发人员：戎志丹,胡昊受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18