一种聚合氯化铝废渣干混砂浆及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种聚合氯化铝废渣干混砂浆及其制备方法，属于工业废料资源化利用技术领域。
背景技术
聚合氯化铝废渣是工业生产聚合氯化铝产生的副产品，聚合氯化铝(Polyaluminum%20Chloride，PAC)是水处理中的高效絮凝剂，国内外生产聚合氯化铝(PAC)的方法很多，常用方法是铝矾土和铝酸钙粉酸溶两步法，即铝矾土和铝酸钙粉在一定条件下和盐酸或混合酸反应后得到液体聚合氯化铝(PAC)，残余的固体形成废渣。每生产1吨聚合氯化铝约产生0.5～1.0吨废渣，随着环保要求逐步提高，对于聚合氯化铝需求量不断增加，产生了大量废渣。目前对于此类废渣大多运送至填埋场进行深埋处理，或是参照中国专利CN109351762A“一种聚合氯化铝净水剂废渣无害化处理系统及工艺”，对废渣进行无害化处理后堆存。这些堆存方法不仅占用大量土地造成环境污染，同时使得废渣中可利用成分不能得到合理利用，造成资源浪费，严重限制了当前净水剂行业的进一步发展，因此不断探索研究聚合氯化铝废渣新的利用途径，且能够大批量消耗聚合氯化铝废渣，是目前聚合氯化铝废渣利用的主要趋势。
由于PAC废渣具有一定的弱酸性，且PAC废渣中Cl-含量高达8.85％，因此PAC废渣不能直接作为一种建筑材料使用。此外，虽然PAC废渣中SiO2和Al2O3的含量不低，分别为34.74％和22.55％，但是在酸性环境中SiO2和Al2O3的化学活性得不到很好的利用，因此PAC废渣的利用受到了很大的局限性。现有技术中以聚合氯化铝废渣为原料进行资源化利用的文献较少，因此，开发一种含聚合氯化铝废渣的水泥砂浆及其制备方法是本领域技术人员要研究的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种聚合氯化铝废渣干混砂浆及其制备方法，能够减少聚合氯化铝工业废料的堆放，实现废料资源化的同时减轻了对自然环境的污染，降低了砂浆对水泥的用量。
为了实现上述目的，本发明的技术方案之一是：
一种聚合氯化铝废渣干混砂浆，包括以下质量份的原料：热活化聚合氯化铝废渣4份-8份、水泥23份-25份、砂55份-60份、粉煤灰4份-6份、消泡剂0.05份-0.15份、减水剂0.20份-0.22份，以及上述原料总质量5％-9％的聚合物乳液。
热活化聚合氯化铝废渣的制备方法为：先将聚合氯化铝废渣磨细，然后在800℃-1100℃高温煅烧2h-3h，冷却即得。
聚合氯化铝废渣先进行预处理，具体方法为：将聚合氯化铝废渣与生石灰混合，搅拌均匀，加水调制为浆液，搅拌，随后静置至浆液自然沉降为上清液和沉淀物，最后将沉淀物进行烘干处理，得到预处理后的聚合氯化铝废渣。
聚合氯化铝废渣与生石灰的质量比为100:1-50:1。
水泥为普通硅酸盐水泥，粉煤灰为Ⅱ级以上等级的粉煤灰，砂为级配良好且细度模数2.3-2.7的中砂或机制砂，消泡剂为固体消泡剂。
减水剂为聚羧酸系减水剂，减水剂的减水率为25％-30％。
聚合物乳液为苯丙乳液、丁苯乳液中的至少一种。
聚合氯化铝废渣干混砂浆中还包括水，水的质量为热活化聚合氯化铝废渣、水泥、砂、粉煤灰、消泡剂和减水剂总质量的15％-20％。
本发明的技术方案之一是：一种聚合氯化铝废渣干混砂浆的制备方法，将各原料按比例混合即可。
优选的，可以先将热活化聚合氯化铝废渣、水泥、砂、粉煤灰、消泡剂混合均匀，得到预混料，再加入聚合物乳液、减水剂和水，搅拌均匀，即得聚合氯化铝废渣干混砂浆。本发明的有益效果在于：
1、本发明对PAC废渣进行预处理，去除其酸性成分，使其表现为中性。且PAC废渣存在潜在化学活性，本发明通过磨细处理，增大了PAC废渣颗粒的比表面积，在水泥水化形成的碱性环境中，有利于PAC废渣内部活性成分的释放，同时细化后的PAC废渣也能够对砂浆内部的微小孔隙很好地填充。PAC废渣进行高温煅烧(热活化)，产生大量不定形的活性SiO2、Al2O3以及CaO，SiO2和Al2O3能够在碱性环境中与Ca(OH)2反应生成具有胶结作用的水化硅酸钙和铝酸钙，能够有效提高砂浆强度，CaO能够在水化过程中为PAC废渣提供更好的碱性环境，激发PAC废渣的潜在化学活性，且热活化的聚合氯化铝废渣空间结构表现为多孔状，有较强的吸附性，在水泥水化过程形成的碱性环境中，PAC废渣吸附碱，并发生化学反应，进一步激发其内部活性成分，并在PAC废渣上形成致密的“核”胶结物，能有效填充孔隙并胶结骨料，有效提高砂浆的粘结性及强度。
2、本发明所用热活化聚合氯化铝废渣保水性较好，加入砂浆中能够有效的改善水泥砂浆泌水性和离析性能；同时具有内养护的作用，可提高砂浆的强度和抗收缩性能。具体作用表现如下：经热活化的聚合氯化铝废渣空间结构表现为多孔状，能够吸收和存储大量的水分；在水泥水化过程中会消耗大量水分，从而使得水泥水化体系内部环境干燥，水泥的水化不能充分完成；加入热活化聚合氯化铝废渣后，该种废渣内部会储存大量水分，在因水泥水化过程出现干燥环境时，能够为水泥进一步充分水化提供水分。
3、本发明使用聚合物乳液制备砂浆，改善了砂浆的内聚力、粘聚力和结构稳定性，提高粘结强度。聚合物乳液具有良好的粘结及吸附作用，有利于水化产物的附着，提高砂浆的粘聚性。
4、本发明采用工业废料聚合氯化铝废渣和粉煤灰代替高能耗的水泥来制备水泥砂浆，既可有效减少聚合氯化铝废渣的大量堆放，又能减少对高能耗水泥的使用量，具有良好的社会效益和经济效益。
5、本发明聚合氯化铝废渣干混砂浆制备方法简单、成本低，有利于工业化生产和推广，可显著提高聚合氯化铝废渣资源化利用，对降低施工成本，减少环境污染等方面具有重要意义。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
本发明实施例所用水泥为PO42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰为Ⅱ级以上等级的粉煤灰，砂为级配良好且细度模数2.3-2.7的中砂，消泡剂为石膏消泡剂(PD-2000A)，购自北京筑宝新技术有限公司。减水剂为聚羧酸系减水剂(PC-F)，购自北京慕湖外加剂有限公司，减水剂的减水率为25％-30％。
聚合氯化铝废渣的热活化：
(1)预处理：聚合氯化铝废渣是铝矾土、铝酸钙粉酸溶两步法生产聚合氯化铝所产生的废渣，该废渣酸性较大，需经过一定的手段进行处理，使其能够进行工程应用。具体处理方法为：将聚合氯化铝废渣与生石灰混合(质量比100:1)，搅拌均匀，加水调制为浆液，并持续搅拌30min-40min，随后静置至浆液自然沉降为上清液和沉淀物，最后将沉淀物进行烘干处理，得到预处理后的聚合氯化铝废渣。聚合氯化铝废渣预处理前后的主要化学成分见表1。
表1主要化学成分(％)
通过表1对处理前后PAC废渣的化学成分分析可知，处理后的PAC废渣中Cl-含量降低明显，SiO2、Al2O3和CaO的含量均有所提高。
(2)热活化：将预处理后的PAC废渣磨细，使其比表面积在200m2/kg-350m2/kg，然后在800℃-1100℃高温煅烧2h-3h，冷却，得到热活化PAC废渣。以1000℃高温煅烧2h的PAC废渣为例，其主要化学成分见表2。
表2主要化学成分(％)
通过表2对热活化PAC废渣的化学成分分析可知，高温煅烧后的PAC废渣中的SiO2、Al2O3和CaO含量较大，CaO能够在水化过程中为PAC废渣提供更好的碱性环境，激发PAC废渣的潜在化学活性。
按照JG/T486-2015《混凝土用复合掺合料》附录A试验方法对1000℃高温煅烧2h后PAC废渣的活性指数进行测定并且与一级粉煤灰(FA)进行对比见表3，结果发现：热活化PAC废渣28d的活性指数为0.85，说明热活化PAC废渣存在较高的火山灰活性，能够在碱性环境中激发其化学活性。
表3热活化PAC废渣活性指数
此外，通过利用不同掺量的热活化PAC废渣(1000℃高温煅烧2h)取代水泥进行胶砂实验，试验结果见表4：
表4水泥胶砂试验抗压强度实验结果(28d)
由上述结果可以看出，热活化PAC废渣在取代水泥量为5％-15％的情况下，28d抗压强度略高于纯水泥组，而且取代量在20％以下，其28d抗压强度增强比仍能达到纯水泥组的0.9以上，因此证明热活化PAC废渣可以作为胶凝材料替代部分水泥，且在一定比例下，具有更好的性能。
实施例1
一种聚合氯化铝废渣干混砂浆，按质量份计，包括以下原料：热活化聚合氯化铝废渣(800℃高温煅烧2h)8份、PO42.5普通硅酸盐水泥23份、中砂55份、粉煤灰4份、水15份、消泡剂0.05份、减水剂0.22份。
聚合氯化铝废渣干混砂浆的制备方法为：将热活化聚合氯化铝废渣、PO42.5普通硅酸盐水泥、粉煤灰、中砂和消泡剂依次加入砂浆搅拌机中，搅拌均匀(1-3min)，得到预混合料；再将减水剂和水依次加入砂浆搅拌机中，搅拌均匀(1-5min)，得到聚合氯化铝废渣干混砂浆S-1。
实施例2
一种聚合氯化铝废渣干混砂浆，按质量份计，包括以下原料：热活化聚合氯化铝废渣(800℃高温煅烧2h)8份、PO42.5普通硅酸盐水泥23份、中砂55份、粉煤灰4份、水15份、苯丙乳液5份、消泡剂0.05份、减水剂0.20份。
聚合氯化铝废渣干混砂浆的制备方法为：将热活化聚合氯化铝废渣、PO42.5普通硅酸盐水泥、中砂、粉煤灰和消泡剂依次加入砂浆搅拌机中，搅拌均匀(1-3min)，得到预混合料；再将苯丙乳液、减水剂和水依次加入砂浆搅拌机中，搅拌均匀(1-5min)，得到聚合氯化铝废渣干混砂浆S-2。
实施例3
一种聚合氯化铝废渣干混砂浆，按质量份计，包括以下原料：热活化聚合氯化铝废渣(800℃高温煅烧2h)8份、PO42.5普通硅酸盐水泥23份、中砂55份、粉煤灰4份、水15份、苯丙乳液8份、消泡剂0.05份、减水剂0.20份。
聚合氯化铝废渣干混砂浆的制备方法为：将热活化聚合氯化铝废渣、PO42.5普通硅酸盐水泥、中砂、粉煤灰和消泡剂依次加入砂浆搅拌机中，搅拌均匀(1-3min)，得到预混合料；再将苯丙乳液、减水剂和水依次加入砂浆搅拌机中，搅拌均匀(1-5min)，得到聚合氯化铝废渣干混砂浆S-3。
实施例4
一种聚合氯化铝废渣干混砂浆，按质量份计，包括以下原料：热活化聚合氯化铝废渣(800℃高温煅烧2h)8份、PO42.5普通硅酸盐水泥23份、中砂55份、粉煤灰4份、水15份、丁苯乳液5份、消泡剂0.05份、减水剂0.20份。
聚合氯化铝废渣干混砂浆的制备方法为：将热活化聚合氯化铝废渣、PO42.5普通硅酸盐水泥、中砂、粉煤灰和消泡剂依次加入砂浆搅拌机中，搅拌均匀(1-3min)，得到预混合料；再将丁苯乳液、减水剂和水依次加入砂浆搅拌机中，搅拌均匀(1-5min)，得到聚合氯化铝废渣干混砂浆S-4。
实施例5
一种聚合氯化铝废渣干混砂浆，按质量份计，包括以下原料：热活化聚合氯化铝废渣(800℃高温煅烧2h)8份、PO42.5普通硅酸盐水泥23份、中砂55份、粉煤灰4份、水15份、丁苯乳液8份、消泡剂0.05份、减水剂0.20份。
聚合氯化铝废渣干混砂浆的制备方法为：将热活化聚合氯化铝废渣、PO42.5普通硅酸盐水泥、中砂、粉煤灰和消泡剂依次加入砂浆搅拌机中，搅拌均匀(1-3min)，得到预混合料；再将丁苯乳液、减水剂和水依次加入砂浆搅拌机中，搅拌均匀(1-5min)，得到聚合氯化铝废渣干混砂浆S-5。
实施例6
一种聚合氯化铝废渣干混砂浆，按质量份计，包括以下原料：热活化聚合氯化铝废渣(900℃高温煅烧2h)6份、PO42.5普通硅酸盐水泥25份、中砂55份、粉煤灰4份、水15份、丁苯乳液5份、消泡剂0.05份、减水剂0.20份。
聚合氯化铝废渣干混砂浆的制备方法为：将热活化聚合氯化铝废渣、PO42.5普通硅酸盐水泥、中砂、粉煤灰和消泡剂依次加入砂浆搅拌机中，搅拌均匀(1-3min)，得到预混合料；再将丁苯乳液、减水剂和水依次加入砂浆搅拌机中，搅拌均匀(1-5min)，得到聚合氯化铝废渣干混砂浆S-6。
实施例7
一种聚合氯化铝废渣干混砂浆，按质量份计，包括以下原料：热活化聚合氯化铝废渣(1000℃高温煅烧2h)6份、PO42.5普通硅酸盐水泥25份、中砂55份、粉煤灰4份、水15份、丁苯乳液5份、消泡剂0.05份、减水剂0.20份。
聚合氯化铝废渣干混砂浆的制备方法为：将热活化聚合氯化铝废渣、PO42.5普通硅酸盐水泥、中砂、粉煤灰和消泡剂依次加入砂浆搅拌机中，搅拌均匀(1-3min)，得到预混合料；再将丁苯乳液、减水剂和水依次加入砂浆搅拌机中，搅拌均匀(1-5min)，得到聚合氯化铝废渣干混砂浆S-7。
实施例8
一种聚合氯化铝废渣干混砂浆，按质量份计，包括以下原料：热活化聚合氯化铝废渣(1100℃高温煅烧3h)4份、PO42.5普通硅酸盐水泥25份、中砂55份、粉煤灰6份、水15份、丁苯乳液5份、消泡剂0.05份、减水剂0.20份。
聚合氯化铝废渣干混砂浆的制备方法为：将热活化聚合氯化铝废渣、PO42.5普通硅酸盐水泥、中砂、粉煤灰和消泡剂依次加入砂浆搅拌机中，搅拌均匀(1-3min)，得到预混合料；再将丁苯乳液、减水剂和水依次加入砂浆搅拌机中，搅拌均匀(1-5min)，得到聚合氯化铝废渣干混砂浆S-8。
实施例9
一种聚合氯化铝废渣干混砂浆，按质量份计，包括以下原料：热活化聚合氯化铝废渣(1100℃高温煅烧3h)6份、PO42.5普通硅酸盐水泥25份、中砂55份、粉煤灰4份、水15份、丁苯乳液5份、消泡剂0.05份、减水剂0.20份。
聚合氯化铝废渣干混砂浆的制备方法为：将热活化聚合氯化铝废渣、PO42.5普通硅酸盐水泥、中砂、粉煤灰和消泡剂依次加入砂浆搅拌机中，搅拌均匀(1-3min)，得到预混合料；再将丁苯乳液、减水剂和水依次加入砂浆搅拌机中，搅拌均匀(1-5min)，得到聚合氯化铝废渣干混砂浆S-9。
以上实施例制备的聚合氯化铝废渣干混砂浆性能对比数据见表5。
表5实施例1-9聚合氯化铝废渣干混砂浆性能对比
实施例1：砂浆强度等级为5MPa，实测强度为7.3MPa，其保水性未达到普通干混砂浆的性能要求。
实施例2：砂浆强度等级为10MPa，实测强度为11.5MPa。
实施例3：砂浆强度等级为10MPa，实测强度为12.8MPa。
实施例4：砂浆强度等级为10MPa，实测强度为12.5MPa。
实施例5：砂浆强度等级为10MPa，实测强度为13.2MPa。
实施例6：砂浆强度等级为15MPa，实测强度为17.5MPa。
实施例7：砂浆强度等级为15MPa，实测强度为17.7MPa。
实施例8：砂浆强度等级为20MPa，实测强度为22.5MPa。
实施例9：砂浆强度等级为20MPa，实测强度为24.5MPa。
以上实施例是主要通过配制不同强度等级的砂浆，以体现本发明能够有效制备不同强度的建筑砂浆；实施例1～5说明随着聚合物的增加，砂浆的保水性变好，稠度变大，说明聚合物能增加砂浆的保水性和粘性，提高砂浆强度，与苯丙乳液相比，丁苯乳液应用于砂浆的效果较好，说明不同聚合物乳液对砂浆强度影响不同。实施例6～7采用掺入不同温度处理后的PAC废渣制备砂浆，说明煅烧温度越高，PAC废渣活性越好，砂浆保水性和强度都有所提升。实施例8～9比较PAC废渣和粉煤灰对砂浆性能的影响，说明高温煅烧后的PAC废渣比粉煤灰活性更好，有利于提高砂浆的强度。
