摘 要

本文综述了利用工业废弃物作为硅铝质原料制备地聚合物的发展情况，讨论了高炉炼铁产生的炉渣和花岗岩石材加工生产中产生的废弃花岗岩粉末在制备地聚合材料方面的影响因素以及可行性分析。本文主要分析了原料组合（粒级、配比）、水灰比、氢氧化钠与硅酸钠激发剂浓度对炉渣和花岗岩粉基一体化地聚合物制备会产生的影响；从原料的性质、技术路线以及环境评价三方面对可行性进行了分析。

炉渣粒径较粗，未及时反应的大粒径炉渣作为粗骨料成为增强相；花岗岩粉末粒径较小，比表面积大。作为细骨料填料效应显著，可以降低总孔隙率，有利于强度。三元材料（Si、Al、Ca）炉渣水化生成水化硅酸钙（C-S-H）与水化硅铝酸钠（N-A-S-H）两种产物。掺入的高硅铝花岗岩粉调节了原料中硅铝/钙的比，增加水化硅铝酸钠（N-A-S-H）产物的形成并使水化硅酸钙（C-S-H）转化为水化硅铝酸钙（C-A-S-H）。降低了早期的水化反应速率，形成更多的凝胶材料，增加凝胶聚合程度，从而使得养护后期的地聚合物材料的各项性能得到提升。

这两种固体废物在碱激活材料中的再利用，工艺过程简单，整个工艺流程对所需设备要求较低，而且碳排放由于固体废物的负值影响而显著降低，基于这两种固体废物的可持续性与经济性，它们具有很好的应用潜力。

关键词：炉渣；花岗岩粉末；地聚合物；碱激活材料；工业废弃物料；二次利用

Abstract

In this paper, the development of using industrial waste as raw material of silica-aluminum to prepare geopolymers is summarized, and the influencing factors and feasibility analysis of the preparation of geopolymer by slag from ironmaking of blast furnace and waste granite powder from processing and production of granite stone are discussed. This paper mainly analyzes the effects of raw material combination (grain size, ratio), water-cement ratio, sodium hydroxide and sodium silicate activator concentration on the preparation of integrated geopolymer of slag and granite powder base. The feasibility was analyzed from three aspects: the nature of raw materials, technical route and environmental evaluation.

The slag with large particle size which did not react in time became coarse aggregate as the reinforcing phase. Granite powder has a small particle size and a large specific surface area. As a fine aggregate, the packing effect is significant, which can reduce the total porosity and be beneficial to the strength. Ternary material (Si, Al, Ca) slag hydration generated hydrated calcium silicate (C - S - H) and Sodium silicon-aluminate hydrate (N - A - S - H) two kinds of products. The addition of high silicon-aluminum materials of granite powder adjusts the raw material of silicon-aluminum / calcium ratio, increased the Sodium silicon-aluminate hydrate (N - A - S - H) products and maked the formation of hydrated calcium silicate (C - S - H) into calcium silicon-aluminate hydrate (C - A - S - H).The early hydration reaction rate is reduced, more gel materials are formed, and the gel polymerization degree is increased, so as to improve the properties of geopolymer materials in the later stage of curing.

The reuse of these two solid wastes in alkali-activated materials is simple and requires less equipment in the whole process. In addition, carbon emissions are significantly reduced due to the negative impact of solid wastes. Based on the sustainability and economy of these two solid wastes, they have good application potential.

Key Words：Slag; Granite powder; Geopolymer; Alkali activated material; Industrial waste materials; Second use

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 地聚合物材料的介绍 2

1.3 地聚合物材料的特点 3

1.4 地聚合物材料的反应机理 4

1.5 地聚合物材料的研究现状 6

1.5.1胶凝原材料 6

1.5.2化学激发剂 8

1.5.3养护制度 9

第2章 炉渣和花岗岩粉基一体化地聚合物影响因素分析 11

2.1 炉渣/花岗岩粉末粒径及配比对材料强度的影响 11

2.2 水/料比对材料强度的影响 13

2.3 氢氧化钠浓度和模数（SiO₂/Na₂O比）对材料强度的影响 15

第3章 炉渣和花岗岩粉基一体化地聚合物可行性分析 18

3.1 炉渣材料可行性分析 18

3.2 花岗岩粉可行性分析 23

3.3 技术可行性分析及环境评价 26

3.4 本章小结 27

第4章 总结与建议 28

4.1 总结 28

4.2 建议与展望 29

参考文献 30

致谢 33

绪论

地质聚合物材料是由硅铝原材料在碱性激发剂的激发作用下制得的一种凝胶材料，它以硅铝四面体为结构基本单元，在三维空间上形成硅-氧-铝的网状结构。与传统普通硅酸盐水泥在生产过程中的高碳排放和高能耗相比，地聚合物采用添加负CO₂足迹值的工业废弃物料，且不需要经过通常制造水泥的复杂工艺就可以直接制成凝胶材料，从而具有制备方便、能耗小、碳排放低等优异性。地聚合物在建筑行业具有良好的应用性能，如：力学强度高、耐腐蚀、固封性、耐酸碱、耐高温性、冻融性能等。因此，地聚合物具有极为宽广的应用前景，也是普通硅酸盐水泥材料的最佳替代物之一。

目前，国内外传统的地质聚合物原材料由偏高岭土向高硅铝材料在扩展，如：炉渣、赤泥、粉煤灰、矿粉等废弃物料；以来源广泛的废弃物料为原材料是可以实现降低成本、节约资源、改善环境。但是传统原料仍旧存在很大的局限性，如偏高岭土、硅灰石等仍属于矿物资源；高岭土、尾矿等原料活性低，尤其是早期活性难激发；粉煤灰、矿粉等的物理化学性质复杂多样。所以，本研究对原料进行改进，采用炉渣和废花岗岩粉制备一体化地聚合物。炉渣含的钙是地聚合物强度来源之一，花岗岩粉作为填料可以降低孔隙率，提升材料结构的致密性。同时他们都是高硅铝材料，为胶凝材料的形成提供大量游离的Si-O、Al-O活性键。炉渣与废弃花岗岩粉的资源丰富、价格低廉，而且极需二次利用来进行大量消耗。本研究在拓宽了地聚合物的原料和发展了绿色建筑工业的同时，还解决了难以利用的废弃物的二次利用问题，减少了对环境的污染和土地资源的浪费；在经济、实用性、环保这三个方面上都具有理论上和实际上的双重意义。

研究背景

在我国的经济发展中，防治环境污染和改善生态环境已经成为了前提条件。近年来，严格对建设项目进行环境影响的评价，对建筑行业的标准和要求也在不断提高，并强调了建筑行业应以改善生产结构、开发绿色原材料、提高废弃材料的二次利用价值等方面作为研究的重点。在全球范围下，人们一致认同了保护地球家园、绿色发展世界的新观念，地聚合物的出现则被视为建筑行业普通硅酸盐水泥的最佳替代物之一。近年来，地聚合物材料开始作为全新的研究领域被重视起来，各种研究机构在该领域上投入大量的人力、财力，主要是为了在地聚合物的原料配比、技术工艺和反应机理等方面形成更加系统和完善的理论模型。目前，在激发材料的运用上仍是以碱金属元素或碱土金属元素的碱、盐为主，由于高碱度激发剂溶液腐蚀性强、粘度高，使其在运输、贮存或使用上都存在诸多不便^[1]；原材料则具有局限性大、发展缓慢的特点；此外，对地聚合物反应机理的研究不够透彻以及在工程上得到应用的实例还很少见。因此地聚合物材料的研究远未成熟，是极具发展潜力，也极需要大力发展的领域。