納米二氧化硅復(fù)合水泥的制備
1.項目背景
經(jīng)過10多年的研究，國內(nèi)外許多科研人員在陶瓷、涂料、無機抗菌劑等領(lǐng)域利用納米材料已經(jīng)取得了較好的研究成果，為納米技術(shù)在建材行業(yè)中的進(jìn)一步應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。借用納米技術(shù)在建材行業(yè)中應(yīng)用的經(jīng)驗，利用納米礦粉改善水泥混凝土材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而提高水泥材料的物理力學(xué)性能和耐久性，已成為一個值得探索的課題。2001年，葉青等人最早提出了納米復(fù)合水泥結(jié)構(gòu)材料的概念，探討了應(yīng)用納米技術(shù)對水泥材料進(jìn)行改性的問題，結(jié)果表明：納米SiO2（二氧化硅）的火山灰活性遠(yuǎn)大于硅灰的火山灰活性，摻入納米SiO2的水泥漿體流動性變小、凝結(jié)時間縮短、早期強度顯著提高。陳榮升等人對此作了進(jìn)一步研究。摻納米S i O2能更有效、更迅速地吸收界面上富集的Ca（OH）2（氫氧化鈣），降低Ca（OH）2的取向程度。這些結(jié)果均有利于界面結(jié)構(gòu)的改善和界面物理力學(xué)性能的提高。納米SiO2由于其特殊的結(jié)構(gòu)層次，對許多材料（包括混凝土等）都具有改性作用，因而成為了建筑學(xué)界的新寵，被譽為是21世紀(jì)的高科技材料。
將少量納米S i O2摻入混凝土中，即可輕易制備出超高強度和超高耐久性的混凝土。目前，大量的研究結(jié)果都證明了納米Si O2對水泥具有良好的改性作用，但基本都處于實驗室研究階段。傳統(tǒng)的化學(xué)制備納米SiO2成本很高，這在一定程度上限制了納米SiO2在水泥材料中的使用。為此，山東宏藝科技股份有限公司組織相關(guān)人員完成了納米SiO2復(fù)合水泥項目，通過微孔熱交換技術(shù)，在控溫條件下焚燒稻殼制得納米SiO2，不但從根本上解決了納米SiO2制備成本相對較高的難題，還可以實現(xiàn)焚燒熱的綜合利用。
綜上所述，通過焚燒稻殼制備納米SiO2來改性水泥，具有其他技術(shù)不可比擬的優(yōu)越性，市場前景廣闊。利用該技術(shù)可開發(fā)出一系列的超高強度和超高耐久性的水泥材料，在滿足特殊工程建設(shè)需要的同時，還能夠為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。
2.研究內(nèi)容
納米SiO2復(fù)合水泥項目是在農(nóng)業(yè)廢棄物稻殼中制得納米SiO2，利用其超高的火山灰活性，對水泥材料進(jìn)行改性，制備納米復(fù)合水泥結(jié)構(gòu)材料。研究內(nèi)容如下：
?。?）納米結(jié)構(gòu)的生物SiO2的制取。稻殼中含有約20%無定型的SiO2，通過生物礦化方式富集，以納米顆粒的形態(tài)存在。利用微孔熱交換技術(shù)，在≤600℃的環(huán)境下將稻殼進(jìn)行控溫焚燒制得納米SiO2。稻殼是農(nóng)業(yè)廢棄物，價廉易得，具有燃點低、SiO2含量高的優(yōu)點。同時，稻殼是可再生資源，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。用稻殼進(jìn)行控溫焚燒來制取納米SiO2，既能節(jié)約成本、減少環(huán)境污染，也能替代部分能源，實現(xiàn)熱源的綜合利用。
（2）納米SiO2在水泥材料中的分散。利用微分散技術(shù)，超聲振蕩分散納米SiO2顆粒，在高速混樣器中進(jìn)行干混或制成溶膠由拌和水帶入樣品，使納米SiO2充分、均勻地分散到水泥漿中或混凝土拌和物中。
?。?）界面上富集的Ca（OH ）2的吸收。納米SiO2與3CaO ·SiO2（硅酸三鈣）水化生成的Ca （OH）2之間發(fā)生二次水化反應(yīng)。利用納米SiO2吸收和降低水泥硬化漿體本體中的Ca（OH ）2，以提高水泥硬化漿體的強度，特別是早期強度。
3.技術(shù)亮點
?。?）對稻殼中以生物礦化方式富集的納米SiO2的含量，進(jìn)行了大量的調(diào)研和準(zhǔn)確的測試。
?。?）利用微孔熱交換技術(shù)，在≤600℃的環(huán)境下對稻殼進(jìn)行控制焚燒，進(jìn)行納米SiO2的提取。
（3）利用微分散技術(shù)，將納米SiO2顆粒均勻分散在水泥漿中。
?。?）納米SiO2有效吸收水泥硬化漿體大理石界面中所富集的Ca （OH ）2，有效細(xì)化界面中的Ca （OH）2晶粒。我們進(jìn)行系統(tǒng)的測試，并得出其作用效果的詳盡報告。
?。?）納米SiO2對水泥結(jié)構(gòu)界面的改善起到了積極的促進(jìn)作用。我們對其改善程度進(jìn)行了實驗研究和詳細(xì)的測試，得到了有效的實驗數(shù)據(jù)。
4.總體評價
2009年12月22日，受山東省經(jīng)貿(mào)委委托，臨沂市經(jīng)貿(mào)委組織有關(guān)專家組成鑒定委員會，對山東宏藝科技股份有限公司完成的納米SiO2復(fù)合水泥項目進(jìn)行了鑒定。會議聽取了產(chǎn)品研發(fā)人員的匯報，審查了有關(guān)資料，考察了生產(chǎn)現(xiàn)場，經(jīng)認(rèn)真討論和質(zhì)詢，形成如下意見：
?。?）提供的鑒定材料齊全、完整，數(shù)據(jù)翔實可信，符合鑒定要求。
?。?）納米SiO2復(fù)合水泥項目應(yīng)用微孔熱交換技術(shù)和控溫焚燒工藝，從農(nóng)業(yè)廢棄物稻殼中制取S i O2納米粉，利用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的超分散技術(shù)使納米SiO2顆粒均勻分散在水泥礦粉中，制備出納米SiO2復(fù)合水泥。該項目原料選取科學(xué)，工藝路線合理，整體技術(shù)居國內(nèi)領(lǐng)先水平。
?。?）納米SiO2復(fù)合水泥產(chǎn)品經(jīng)山東省水泥質(zhì)量監(jiān)督檢驗站檢驗，各項指標(biāo)均符合中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。
?。?）納米SiO2復(fù)合水泥降低了單位水泥產(chǎn)品中熟料的用量，增加了固體廢棄物的利用率。同時，借助助磨劑的作用，優(yōu)化水泥的顆粒特性，降低水泥制備過程中的能源消耗，減少污染物的排放，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。
?。?）經(jīng)查新，國內(nèi)尚未見有與本項目研究成果相同的報道，屬國內(nèi)首創(chuàng)。
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