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新型地质聚合物的试验研究
唐 山 学 院毕 业 设 计设计题目：新型地质聚合物的试验研究系 班 姓 指 导环境与化学工程系 别：_________________________ 08 无机非金属材料（1）班 级：_________________________ 施红菊 名：_________________________ 刘进强 教 师：_________________________2012 年6 月8 日新型地质聚合物的试验研究摘 要对工业固体废弃物进行资源化利用，不仅能减少环境污染，还可为建材原料开 辟出一条新的途径。本文以高炉矿渣和粉煤灰为主要原料，改性水玻璃作为碱性激 发剂，在适当的水灰比下，制备出高性能的新型地质聚合物。研究表明：高炉矿渣 掺加量为 80%，粉煤灰掺加量为 20%，添加 15%经过加入氢氧化钠调整的模数为 1 的改性水玻璃，在标准条件下养护制备的新型地质聚合物性能最佳。其 3 天抗压强 度可达 39.38MPa，抗折强度达 5.79MPa；7 天抗压强度可达 51.56MPa，抗折强度 达 7.02MPa；28 天抗压强度可达 52.75MPa，抗折强度达 7.31MPa；初凝时间为 66 分钟，终凝时间为 332 分钟；并且安定性良好。关键词：高炉矿渣粉煤灰水玻璃碱性激发剂新型地质聚合物Experimental Study of the New GeopolymerAbstractUtilization of industrial solid waste, not only can reduce environmental pollution, but also open up a new avenue for building materials. In this paper, blast furnace slag and fly ash as the main raw materials, modified sodium silicate as the activating agent, prepared in a appropriate water-cement ratio, high-performance new geopolymer is made up. Studies in this paper have shown that: blast furnace slag adds 80%, fly ash adds 20%, and adds 15% by adding sodium hydroxide to adjust the modulus of the modified sodium silicate, and curing under the standard conditions, we will get a new geopolymer, which performances best. Three days compressive strength is up to 39.38MPa, flexural strength can reach to 5.79 MPa; 7 days compressive strength is up to 51.56MPa, flexural strength can reach to 7.02 MPa; 28 days compressive strength is up to 52.75 MPa, and flexural strength can reach to 7.31MPa; initial setting time is 66 minutes and final setting time is 332 and stability is good.Key words: new geopolymer目录1 综述 ................................................................................................................................. 1 1.1 地质聚合物的简介 ............................................................................................... 1 1.1.1 地质聚合物的发展 .................................................................................... 1 1.1.2 地质聚合物的反应机理 ............................................................................. 2 1.1.3 地质聚合物的性能及应用领域 ................................................................ 3 1.2 研究地质聚合物的意义及其存在的问题 ........................................................... 5 1.2.1 地质聚合物的研究意义 ............................................................................. 5 1.2.2 地质聚合物的研究中存在的问题 ............................................................. 6 1.3 本文的研究内容 ................................................................................................... 7 2 试验 ................................................................................................................................ 8 2.1 试验原材料 .......................................................................................................... 8 2.1.1 矿渣微粉 ..................................................................................................... 8 2.1.2 粉煤灰 ...................................................................................................... 10 2.1.3 碱性激发剂 .............................................................................................. 12 2.1.4 其它原材料 ............................................................................................... 14 2.2 试验方案 ............................................................................................................. 14 2.2.1 试验方法 ................................................................................................... 14 2.2.2 水泥胶砂强度的测定 ............................................................................... 16 2.2.3 标准稠度的测定 ....................................................................................... 18 2.2.4 凝结时间的测定 ....................................................................................... 19 2.2.5 水泥体积安定性的测定 ........................................................................... 20 2.3 试验结果 ............................................................................................................. 21 2.4 数据分析 ............................................................................................................. 23 3 结论 .............................................................................................................................. 24 谢辞 .................................................................................................................................. 25 参考文献 .......................................................................................................................... 26 外文文献 .......................................................................................................................... 26唐 山 学 院 毕 业 设 计1 综述1.1 地质聚合物的简介地质聚合物（ Geopolymer）的概念最早是在上个世纪 70 年代由法国科学家 Joseph Davidovits 提出的[1]。Joseph Davidovits 利用活性低钙 Si-Al 质材料和高碱溶 液反应首次制备出了一种具有有机高分子聚合物空间的三维网状键接结构的新型 无机 Si-Al 质胶凝材料，即地质聚合物，是一种含有多种非晶质至半晶质相的三维 铝硅酸盐的矿物聚合物。它以低钙 Si-Al 质材料和碱溶液为主要原料，经过适当工 艺处理，在 20~120℃ 的低温条件下通过化学反应得到的一类由硅铝酸盐材料成分粘 结的化学键合胶凝材料[2、3]。地质聚合物经过铝硅酸盐组分的溶解络合、分解迁移、 浓缩聚合和脱水硬化而形成，其化学组成与沸石接近，物理形态上呈现三维网络结 构，因此其兼具有机聚合物、水泥以及陶瓷的优良性能，表现为早期强度高，收缩 率较低，抗冻融性、耐酸碱侵蚀性和耐硫酸盐腐蚀性好等。地质聚合物应用广泛， 在汽车及航空工业领域、非铁铸造及冶金工程领域、土木工程领域、环境工程领域 和塑料工程领域等都有所利用[4]。1.1.1 地质聚合物的发展地质聚合物属于碱激发胶凝材料。所谓碱激发胶凝材料是指由具有潜在水硬性 或火山灰活性的原料和碱性激发剂反应制成的一类胶凝材料。碱激发胶凝材料主要 经历了四个发展阶段（四代） ：第一代，古代碱激发胶凝材料；第二代是始于 20 世 纪 40 年代的碱矿渣水泥；第三代，地质聚合物水泥；第四代，多组分复合高性能 胶凝材料[5]。 碱激发的原始概念来源于美国人 Purdon 的“碱激活”原理。20 世纪 30 年代， Purdon 在研究波特兰水泥硬化机理时发现， 少量的氢氧化钠在水泥硬化过程中可使 水泥中的硅、铝化合物比较容易溶解形成硅酸钠和偏铝酸钠，然后再进一步与氢氧 化钙反应形成硅酸钙和铝酸钙矿物质，水泥硬化后又重新生成氢氧化钠从而起催化 剂的作用，据此 Purdon 提出了“碱激活”理论。 50 年代，Glukhovsky 提出了基于铝硅酸盐的碱激发反应概念模型，把地聚合 反应分为三步：第一步，在强碱作用下铝硅酸盐溶解；第二步，硅氧四面体和铝氧 四面体缩聚，体系凝胶化；第三步，凝胶结构聚合、重整，体系硬化[6]。 而地质聚合物的概念最早是由法国科学家 Joseph Davidovits 提出来的， 1972 年， Joseph Davidovits 教授申请了地质聚合物历史上第一项用高岭土通过碱激发反应制 备建筑板材的专利。随后他开始对地质聚合物内部结构进行细致的研究，并在随后 的几年里申请了大量专利。1唐 山 学 院 毕 业 设 计 在 1976 年的国际理论和应用化学联合会（ IUPAC）的大分子会议上，Joseph Davidovits 教授提出对这类碱激发材料进行统一命名，当时确定的名称为聚铝硅酸 盐（Polysialate，sialate 是 silicon-oxo-alumina 的缩写） ；1978 年，Joseph Davidovits 教授第一次提出并采用了 Geopolymer（地聚合物）这个词[7]。Geopolymer 一词原意 是指由地质合成作用或地球化学作用而形成的硅酸盐矿物聚合物[8]。 20 世纪 80 年代，前苏联、西德、美国等也在此类胶凝材料的研制方面取得了 不小的成果。已有的商品如德国 TROLIT 牌粘结剂、美国的 PYRAMENT 牌水泥、 法国 GEOPOLYMERAM 牌陶瓷灯、芬兰的“F 胶凝材料”等；90 年代开始，日本 也着手对这类胶凝材料的开发。 20 世纪 90 年代后期，Van Jaarsveld 和 Van Deventer 等致力于用矿渣、粉煤灰 等工业固体废弃物制备新型地质聚合物及其应用的研究，包括固化有毒金属及其化 合物等。他们也对利用 16 种天然硅酸盐矿物制备地质聚合物进行了研究，研究表 明：架状和岛状结构的硅酸盐，尤其是由钙含量较高者制得的地质聚合物的抗压强 度最大。且以粉煤灰为主要原料合成了 7d 抗压强度达 58.6MPa 的地质聚合物，并 指出了粉煤灰中含有较高的 CaO 含量和含有部分超细颗粒是合成高性能地质聚合 物的有利条件[9]。 地质聚合物在其三十多年发展历程中，经历了一个由初级到高级的发展过程。 传统的地质聚合物是由经过 700℃ 煅烧的高岭土得到的偏高岭土加入氢氧化钠或氢 氧化钾溶液制备得的。后来随着科研者的不断努力探究，原料与激活剂的选择范围 大大拓宽，硅铝原料的来源从高岭土扩展到火山浮石、粉煤灰、矿物废渣、烧粘土 等 4 大类；碱激发剂方面除了氢氧化钠以外，碱金属的氢氧化物、硫酸盐、碳酸盐、 磷酸盐、氟化物、硅酸盐和铝硅酸盐等都可以作为反应的激发剂，较大程度地丰富 了碱激发剂的种类；同时增韧、增强添加物的选择范围也有所扩大[10]。 在过去的发展历程中，地质聚合物在世界范围内引起了广泛的关注，主要是因 为与硅酸盐水泥的性能和生产相比，它具有能耗低、强度高、耐久性好等特点[11]。 钢厂每年产生大量的矿渣，电厂每年排放大量的粉煤灰以及其他工业废物等，它们 都需要找到新的利用方式， 这也成为了推动地质聚合物发展的动力[12]。 以美国为例， 49%的电厂废弃物是通过填埋方式处理掉，41%排放到储灰池中，约 10%回填到采 石场。为了减少处置费用，有些电厂将废弃物就地堆放，这还不包括那些含有大量 SO3 的废物[13]。而且，钢铁行业每年也会产生大量的矿物废渣，不能得以合理利用。 由此可以看出，利用工业废渣制备地质聚合物具有巨大的发展潜力。1.1.2 地质聚合物的反应机理由于地质聚合物的聚合反应涉及到很多方面的因素，其反应机理还是一个尚未2唐 山 学 院 毕 业 设 计 完全解决的问题，尤其是对不同体系及组成相对复杂的体系来说更是如此。目前针 对不同体系具有代表性的地质聚合物反应机理模型有以下几个： （1）以法国科学家 Joseph Davidovits 为代表的研究者提出了利用氢氧化钠或 者氢氧化钾激发偏高岭土以制备地质聚合物的机理模型：偏高岭土等活性材料在高 碱溶液中裂解成类似有机高分子单体的低聚硅氧四面体和铝氧四面体，这些低聚物 在高碱的环境下发生聚合反应作用后，形成三维网状结构的无机高聚物。根据反应 产物中硅铝比（ Si/Al ）之间的比例关系，可将地质聚合物分为三种类型： PS 型 （-Si-O-Al-） 、PSDS 型（-Si-O-Al-O-Si-O-Si-） 、PSS 型（-Si-O-Al-O-Si-） ，基于此 可将地质聚合物的分子式表达为： Mn{-(SiO2)-AlO2-}n? mH2O， M 为碱金属离子 （Na+、 K+等） ，n 为聚合度，m 为结合水量。 （2）曹德光等人研究提出了利用低模数硅酸钠溶液激发偏高岭土以制备地质 聚合物的反应机理：硅酸钠溶液低聚状态的硅氧四面体基团与偏高岭石中的活性铝 氧层之间发生化合反应，即低聚合度的硅氧四面体基团与偏高岭土的铝氧层发生了 “键和反应” 。这里，低聚度硅氧四面体基团起到了一种“胶联”的键合作用，将 偏高岭土的颗粒“粘联”在一起，从而形成一种网络状的三维空间结构产物。 （3）李化建等人的研究提出了利用改性硅酸钠作为成岩剂，研制煤矸石质硅 铝胶凝材料的水化机理：包裹原理（硅凝胶、C-S-H 凝胶以及铝硅酸盐之间的交织） 及焊接原理（铝硅酸盐之间的缩聚）的综合。煤矸石质硅铝基凝胶材料的硬化成岩 分为 3 个阶段，即成岩剂的水解和迁移，原位键合以及包裹胶结[10]。 （4）魏卫东等提出了碱激发粉煤灰胶凝材料的硬化机理模型。并指出碱激发 胶凝材料的硬化机理和传统水泥的硬化机理不同，碱激发胶凝材料的硬化过程是碱 性材料与火山灰质材料的反应过程，水主要起传质媒介作用。而水泥硬化过程是熟 料矿物与水反应的过程，水是一种主要反应物。1.1.3 地质聚合物的性能及应用领域1. 地质聚合物的性能 地质聚合物是一种无机高聚物，真正意义上的“geopolymer”的聚合度应该在 500～1000 之间或者更高。地质聚合物材料的化学组成为铝硅酸盐，基体相呈半晶 质至非晶质相， 具有[SiO4]和[AlO4]四面体随机分布的三维网络结构。网络的基本结 构单元为硅铝氧链（-Si-O-Al-O-） 、硅铝硅氧链（-Si-O-Al-O-Si-O-）和硅铝二硅氧 链（-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-）等。这种结构主链由-Si-O-Al-、-Si-O-Si-组成，主链中 由 Al 代替 Si 而造成的网络结构中电价不平衡，使得 K+、Na+离子在网络结构中也 变成受电价约束的非自由离子（牢笼结构） 。这种无机聚合物的结构和具有三维网 状结构的工程塑料有相似的结构，后者主要是碳碳主链，而前者则是硅氧铝主链，3唐 山 学 院 毕 业 设 计 从主链结构上看无机高聚物应该比工程塑料具有更加优异的性能。地质聚合物聚合 后，其终产物表现出如下优异的性能： （1）材料硬化快、强度高。采用改进工艺制备的地质聚合物材料，其抗压强 度可达 20～100MPa，具有更加广泛的应用范围[14]。 （2）耐酸碱腐蚀性优良。地质聚合物能经受住硫酸盐侵蚀，且在各种酸溶液、 碱溶液、盐水以及各种有机溶剂中表现出了良好的稳定性，但在浓盐酸中稳定性较 差[14]。 （3）渗透率比较低。如果用氯离子扩散系数对混凝土的抗渗性进行表征，其 氯离子扩散系数是 10-9cm2/s，与花岗岩的相近（10-10cm2/s） 。因此，地质聚合物能 长期经受辐射及水热作用而不老化[15]。 （4）低膨胀率和低收缩率。与硅酸盐水泥相比，地质聚合物材料的收缩率要 低很多。钾铝硅酸盐聚合物在 400℃ 下的收缩率为 0.2%～1%，800℃ 下的收缩率为 0.2%～2%。其线膨胀系数在 0～1000℃ 则是（2.1～4.5）× 10-6。 （5）低导热率和耐高温性。与有机高分子材料相比，地质聚合物耐高温，隔 热效果好，而且不会燃烧，更不会在高温下分解放出有毒气体，地质聚合物材料的 耐火度&1000℃ ，熔融温度达 ℃ ，在高温下可以保持较高的结构性能，导 热系数为 0.24～0.38W/m? K。而且作为建材，可满足防火阻燃的要求。 （6）耐久性优良。地质聚合物与有机高分子相比，不老化，耐久性好；而与 硅酸盐水泥相比，地质聚合物能经受住环境的影响，耐久性远远优于硅酸盐水泥； 另外，还具有优良的抗氧化性能，抗碳化性能。 （7）生产工艺简单，能耗较低，比较环保。其生产过程无需烧制，也无需蒸 气养护工序，材料的固化温度一般在常温至 180℃ ，依靠各种物料之间的低温化学 反应，即可使凝胶相固化，因而其生产能耗极低。 （8）原料来源广，成本低廉。地质聚合物主要原材料是地表广泛存在的低钙 Si-Al 质材料；碱激发剂主要采用水玻璃，以及 NaOH 或 KOH 溶液，次为碱金属碳 酸盐（Na2CO3） 、碱土金属氯化物（MgCl2，CaCl2）和 Na2SiF6、 （Na，K）3AlF6 等。 （9）能有效地固定有毒金属离子。地质聚合物形成分子尺寸的牢笼微观结构， 能将几乎所有有毒金属离子有效地固定在牢笼结构中；可用做核放射元素、重金属 离子的固封材料，制成薄膜吸附材料等，也可用于废水处理。 （10）绿色环保。地质聚合物的成分接近于天然矿物，不像许多有机聚合物可 能造成二次污染。与传统水泥相比，地质聚合物的制备工艺简单，不使用如生产硅 酸盐水泥那样大量消耗资源和能源的“两磨一烧”工艺，因而低能耗，基本不排放 二氧化碳，能有效减轻环境的负荷[16]。 2. 地质聚合物的应用领域4唐 山 学 院 毕 业 设 计 （1）汽车及航空工业 地质聚合物复合材料因其高温性能优良，且不会燃烧或在高温下释放有毒气体 及烟雾。因此，被应用于航空飞行器的驾驶室或机舱等关键部位，提高飞行器的安 全系数。 （2）非铁铸造及冶金 地质聚合物能经受 ℃ 的高温而保持良好的结构性能，所以可以广泛 应用于非铁铸造及冶金行业，J?Davidovits 教授成功地利用人造矿物聚合物材料制 作浇铸了铝制品。 （3）土木工程 地质聚合物快硬早强的性能，使其用于土木工程可以缩短脱模时间，加快模板 周转，提高施工速度。地质聚合物具备的优良耐久性也为土木建筑带来了巨大的社 会及经济效益。 （4）交通及抢修工程 地质聚合物快硬早强，20℃ 条件下 4h 强度能达 15～20MPa，由地质聚合物抢 修的公路或机场等，1h 即可步行，4h 即可通车，6h 即可供飞机起飞或降落。 （5）塑料工业 地质聚合物材料可以制作塑料成型的模具，由地质聚合物制作的模具耐酸碱及 各种侵蚀性介质，且具有较高的精度和表面光滑度，能满足高精度加工的要求。 （6）环保领域 地质聚合物材料聚合后的终产物具有牢笼型的结构，能有效的固定几乎所有重 金属离子；地质聚合物因其优良的耐水热性能，在核废料长期的水热作用下能保持 优良的结构性能，因而能固定核废料。地聚合物还可以用于处理矿山尾矿，作为矿 山的表面盖层和基底垫层，包括刚性、半刚性及柔性低渗透性高强度盖（垫）层， 以及地下截流墙、土坝内高强度低渗透心墙。 近年，地质聚合物的研究越来越受到人们的重视。人们将对其形成机理继续进 行更系统的研究，同时人们也将致力于通过改变原料种类、配比及其制备工艺以获 取性能更优性能的地质聚合物，这将使地质聚合物的应用更加广泛。1.2 研究地质聚合物的意义及其存在的问题1.2.1 地质聚合物的研究意义人类制造和使用无机 Si-Al 质胶凝材料已有几千年的历史。早在远古时代，人 们将粘土质材料与水拌合建造城墙、房屋等建筑物，当时人们仅凭借经验和感觉制 备无机胶凝材料，而对其胶结、凝固的本质并不了解。而真正运用积累的理论知识 并结合实践经验掌握无机 Si-Al 质胶凝材料制备技术和性能特点，并将其大规模推5唐 山 学 院 毕 业 设 计 广应用是在 1824 年发明硅酸盐水泥之后。 近年来，随着我国经济的迅猛发展、科技的快速进步，对硅酸盐水泥需求量急 剧增加。然而水泥工业是高能耗、高资源消耗、高污染的不可持续发展的产业。水 泥生产采用“两磨一烧”工艺，消耗大量不可再生的煤、天然气、石油等能源，其 能耗约占世界总能耗的 15%；同时，还消耗大量的石灰石、铁矿石和粘土等不可再 生的自然资源，专家预测我国用于生产硅酸盐水泥的优质石灰石矿山资源在未来 50～100 年将消耗殆尽；另外，水泥生产过程中还排放巨大量的产生温室效应的二 氧化碳，导致全球平均气温逐年上升。 另一方面，大量工业副产品的丢弃或利用不足也是一个严重的问题。以引人注 目的粉煤灰和矿渣为例，我国水淬矿渣产量每年约 8000 万吨～1 亿吨，粉煤灰产量 已达 2.0 亿吨，这些副产品的堆放不仅加剧对环境的污染，也造成了能源和资源的 巨大浪费。粉煤灰和矿渣一直被称为工业废渣，现在由于逐渐被利用起来，工业废 渣的资源化已充分体现，并成为制备高性能混凝土必备的活性掺合料。许多像这样 的工业废渣在建筑领域中得以应用。如果能最大限度利用它们作为活性掺合料，不 仅能减轻对环境的污染， 而且节约能源、 降低成本， 是实施可持续发展的必由之路。 利用矿渣和粉煤灰等工业固体废弃物通过碱激发剂制备出具有快硬、高强、耐 候性强等诸多优点的生态化胶凝材料。走生态化胶凝材料的道路，是解决这些问题 的最佳途径，也是实现循环经济和社会可持续发展的必然要求。1.2.2 地质聚合物的研究中存在的问题由高炉矿渣和粉煤灰组成的新型地质聚合物最为一种重要的碱激发多组分胶 凝材料，近年来引起了人们的重视，在产品开发及其应用等方面取得了很大发展， 但是，还有许多问题亟待解决。 （1）碱激发矿渣-粉煤灰体系存在的必要性和双活性组分的作用。多组分体系 存在的意义在于两者缺一不可，或两者的作用相互叠加产生协同作用，或用一种物 料来弥补另一种物料的不足，亦或用一组分“稀释”另一组分从而降低成本。迄今为 止的文献对粉煤灰和矿渣双活性组分的协同作用方面研究不够深入。 （2）原材料问题。原材料种类直接影响产品性能。目前来看，人们对激发剂 种类的影响的研究较多，而对原材料种类的研究很少。就矿渣而言，有酸性矿渣、 碱性矿渣和中性矿渣；对粉煤灰而言，有高钙灰和低钙灰；不同的锅炉炉型，灰表 现出的性质也不同：有煤粉炉粉煤灰、沸腾炉粉煤灰和循环流化床粉煤灰等；近年 来，燃煤锅炉脱硫越来越引起重视，因此又有脱硫灰出现。灰的燃烧历史、化学成 分、矿物组成、粒径分布以及由此而导致活性不同，碱激发胶凝材料的性能也有所 不同。现有文献只是从研究个例或为数不多的因素出发，加上测试手段的差异，得6唐 山 学 院 毕 业 设 计 出不同的结果或是结论，有时难免会出现误差。因为不同的原料和激发剂品种的组 合，体系的水化产物有时差别较大。 （3）养护工艺。从养护工艺来看，常见的养护方式有湿气养护、标准养护、 干养护、常温养护、升温养护（蒸汽养护、压蒸养护） 。初步研究结果表明，高碱 度体系应湿气养护；钙矾石基体系应标准水养护。升温养护有助于强度发展，但不 宜高于 90℃ 。养护方式对体系的适应性直接影响胶凝材料的应用和产品定位。 （4）耐久性问题。许多学者通过试验认为：碱矿渣胶凝材料几乎不存在碱骨 料反应。但是，长期以来水泥行业“谈碱色变” ，因此，关于碱-矿渣-粉煤灰体系的 碱骨料反应、抗硫酸盐性能、耐酸性能、耐高温性能、干收缩性能等以及碱矿渣胶 凝材料常见的表面泛霜的问题进行有针对性的系统的研究势在必行。1.3 本文的研究内容资源消耗、二氧化碳排放和耐久性不良是普通硅酸盐水泥行业面临的三大问 题。走生态化胶凝材料的道路是解决这些问题的最佳途径，也是循环经济和社会可 持续发展的必然要求。进入 20 世纪 90 年代以来，人们在碱矿渣胶凝材料和地质聚 合物的基础上，利用固体废弃物开发了一系列旨在改善生态环境、用于专门用途的 胶凝材料。 本文重点研究矿渣和粉煤灰这两种来源最广、应用最广泛的工业废渣，以及氢 氧化钠和水玻璃等碱性激发剂，详细探讨由不同掺加比例的高炉矿渣和粉煤灰在不 同掺量的碱性激发剂激发的条件下所制得的新型地质聚合物，在不同水胶比，不同 养护龄期等条件下所测得的抗压强度和抗折强度等一系列性能。从而探索矿渣和粉 煤灰掺和比、 水灰比、 水玻璃及氢氧化钠用量等多种因素对新型地质聚合物的影响， 从而为科学运用工业废渣制备环保的低能耗的性能良好的新型地质聚合物提供有 力的科学依据。7唐 山 学 院 毕 业 设 计2 试验2.1 试验原材料2.1.1 矿渣微粉1. 矿渣微粉的简介 “矿渣”的全称是“粒化高炉矿渣” ，是钢厂冶炼生铁时产生的废渣。在高炉 炼铁过程中，除了铁矿石和燃料（焦炭）之外，为降低冶炼温度，还要加入适当数 量的石灰石和白云石作为助熔剂。它们在高炉内分解所得到的氧化钙、氧化镁、和 铁矿石中的废矿、以及焦炭中的灰分相熔化，生成了以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成 分的熔融物，浮在铁水表面，定期从排渣口排出，经空气或水急冷处理，形成粒状 颗粒物，这就是粒化高炉矿渣，简称矿渣。 矿渣是由矿渣熔浆经快速冷却固化而形成的细小颗粒，依所含成分不同，成白 色或乳黄色等。它是一种具有很高潜在活性的玻璃体结构材料[17]。其化学成分主要 是 SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、TiO2、MnO2 等；含有 95%以上的玻璃体和 硅酸二钙、钙黄长石、硅灰石等矿物，与水泥成份接近。 矿渣的矿物组成及其活性与熔融矿渣的冷却条件有关。未经过淬水的矿渣，其 矿物形态呈稳定形的结晶体，这些结晶体除少部分 C2S 尚有一些活性外，其它矿物 基本上不具有活性。如果经果淬水急冷，由于液相粘度在很短的时间内很快增大， 阻滞了晶体成长，形成了玻璃态结构，就使矿渣处于不稳定的状态。因而具有较大 的潜在化学能。出渣温度愈高，冷却速度愈快，则矿渣玻璃化程度愈高，矿渣的潜 在化学能愈大，活性也愈高。因此，经水淬急冷的高炉矿渣的活性比未经水淬的矿 渣活性要高一些。 矿渣微粉具有潜在水硬性。矿渣中含有硅酸盐、铝酸盐及大量含钙的玻璃质 （如 C2S、CAS2、C2AS、C3A、C2F 和 CaSO4等） ，具有独立的水硬性，在 CaO 与 CaSO4的激发作用下，遇到水就能硬化，通过细磨后，硬化过程大大加快。 矿渣是黑色冶金工业的主要固体废弃物，每生产一吨生铁，要排出 0.3～1 吨 矿渣。 2005 年我国产钢 3.49 亿吨， 冶炼废渣产生 14619 万吨， (其中钢渣约为 5000 万吨，高炉矿渣约 9000 万吨)，综合利用 12848 万吨，加上历年累积，总贮存量为 2 亿吨，占地 3 万亩，这些露天储存的冶炼废渣堆存侵占土地，污染毒化土壤、水 体和大气，严重影响生态环境，造成明显或潜在的经济损失和资源浪费。据估算以 每吨冶炼废渣堆存的经济损失 14.25 元计，每年造成经济损失 28.5 亿元。所以，冶 炼废渣的无害化、资源化处理是我国乃至世界各国十分重视的焦点，也是我们推进 循环经济的中心内容之一。8唐 山 学 院 毕 业 设 计 2. 利用矿渣制备地质聚合物的可行性研究 最初用来制备地质聚合物的原材料主要是煅烧高岭石，但是煅烧高岭石需要消 耗大量的能源，并且释放出大量的二氧化碳，既不经济又不环保。人们通过对地质 聚合物进行大量的研究发现，不仅仅是煅烧高岭石可以制备地质聚合物。然而，原 材料对地质聚合物的影响很大。如原材料的矿物化学成分、矿物组成、硅铝比 （Si/Al） 、氧化钙含量、激发剂种类等都对制备出的地质聚合物的性能有很大的影 响。Hua xu 等对 16 种铝硅酸盐材料进行分析表明：溶液中硅的浓度、碱的类型、 矿物中氧化钾的含量这三种因素占总影响性的 95%。溶液中硅的浓度越大，制备出 的地质聚合物的强度就越高。而溶液中硅的浓度，很大程度上取决于原材料中硅氧 四面体的结构。所以，原材料中的硅氧四面体结构在很大程度上影响着地质聚合物 的性能。 矿渣的主要成分为硅酸钙（镁）和铝硅酸钙（镁）的熔融体，矿物组成主要是 黄长石和辉石。其化学成分主要为 SiO2、Al2O3 和 CaO，而且含有的玻璃体较多。 而原料中的结晶相和玻璃相在很大程度上影响着原材料的活性，其中结晶相表现为 惰性，玻璃相表现为活性。因此，从矿渣的化学组成和矿物组成来看，矿渣具有一 定的潜在活性。 但仅从矿渣的化学组成、玻璃体含量多少并不能确切的判断其活性的大小，玻 璃网络体聚合度的大小也是很重要的，一般来说，聚合度越小，水硬活性越高。陈 筱岚分析了 8 种矿渣，它们全部可溶解于三甲硅烷基试剂，气相色谱测定出[SiO4] 四面体聚合度变化在 1～4 的 SiO2 占整个的 50%～70%，余下的部分为聚合度高于 4 但仍可溶解的组分。 同时， 通过核磁共振分析也证明了矿渣中的[SiO4]四面体聚合 度比较高。因此，把矿渣中的[SiO4]四面体结构裂解，所需的能量较小，通过添加 一定量的激发剂就可以激发出矿渣潜在的活性。这也就奠定了利用矿渣制备地质聚 合物的理论基础，换句话说，利用矿渣制备地质聚合物从理论上讲是可行的。 3. 利用矿渣制备地质聚合物的反应机理研究 对于地质聚合物的形成机理，法国科学家 J?Davidovits 以偏高岭土为原料， 以 氢氧化钠或者氢氧化钾为激发剂为例进行了说明，并认为偏高岭土和无定形 SiO2 首先在强碱作用下发生 Si-O 和 Al-O 共价键断裂，张书政等认为此时在水溶液中生 成硅酸和氢氧化铝的混合溶液，溶胶颗粒之间部分脱水缩合生成正铝酸盐，而正铝 酸盐分子上的羟基在碱性条件下很不稳定，形成氢键以后进一步脱水缩合形成聚硅 铝氧大分子链。韩要从等人在研究硅铝酸盐合成 4A 沸石分子筛的过程中发现，当 聚合反应晶化程度非常低时，就可生成地质聚合物。杨南如等通过研究矿渣在水玻 璃和氢氧化钠作用下，[SiO4]聚合态的变化，表明：矿渣经 OH-作用，是硅酸根离 子解聚-聚合的过程，既有硅酸根离子的缩聚反应，又有硅酸根离子的解聚反应，但9唐 山 学 院 毕 业 设 计 以缩聚反应为主。由于硅酸钠水玻璃溶液中含有大量[SiO2(OH)2]2-离子存在，大大 加快了硅酸根离子的缩聚反应速度。 聂轶苗等人通过 XRD、IR、SEM、NMR 等测试分析研究表明：地质聚合物的 原料在碱性条件下溶解而释放出水合硅、铝离子，这些离子通过水解而形成硅、铝 氢氧离子，如[Al(OH)4]-、[SiO(OH)3]-、[SiO2(OH)2]2-等。这些离子间相互发生缩聚 反应而形成离子团，这些离子团进一步缩聚形成网络结构，随着网络结构的不断扩 大而导致材料凝固，直至最终硬化成为地质聚合物材料[18]。 本论文所涉及到的试验中所用矿渣为唐山市鑫研建材有限公司生产的成品，可 以直接用于试验研究，其化学成分见表 2-1。表 2-1 矿渣的化学成分 原料 矿渣 SiO2 31.85 Al2O3 16.69 CaO 35.50 MgO 9.52 Fe2O3 0.16 FeO 0.76 TiO2 0.64 烧失量 0.252.1.2 粉煤灰1. 粉煤灰的简介 粉煤灰是我国目前排量较大的工业废渣之一，随着电力工业的发展，燃煤电厂 的粉煤灰排放量逐年增加。大量的粉煤灰不加处理，就会产生扬尘，污染大气；若 排入水系， 则会造成河流淤塞， 而其中的有毒化学物质还会对人体和生物产生危害。 粉煤灰， 是煤燃烧后从烟气中捕集下来的细灰。 煤粉在炉膛中呈悬浮状态燃烧， 燃煤中的绝大部分可燃物都能在炉内烧尽，而煤粉中的不燃物（主要为灰分）大量 混杂在高温烟气中。这些不燃物因受到高温作用而部分熔融，同时由于其表面张力 的作用，形成大量细小的球形颗粒。在锅炉尾部引风机的抽气作用下，含有大量灰 分的烟气流向炉尾。随着烟气温度的降低，一部分熔融的细粒因受到一定程度的急 冷呈玻璃体状态，从而具有较高的潜在活性。在引风机将烟气排入大气之前，上述 这些细小的球形颗粒，经过除尘器，被分离、收集，即为粉煤灰。 粉煤灰的主要来源是以煤粉为燃料的火电厂和城市集中供热锅炉，其中90%以 上为湿排灰，活性较干灰低，且费水费电，污染环境，也不利于综合利用。为了更 好地保护环境并有利于粉煤灰的综合利用，考虑到除尘和干灰输送技术的成熟，干 灰收集已成为今后粉煤灰收集的发展趋势。 我国是个产煤大国，以煤炭为电力生产基本燃料。近年来，我国的能源工业稳 步发展，发电能力年增长率为 7.3%，电力工业的迅速发展，带来了粉煤灰排放量的 急剧增加，燃煤热电厂每年所排放的粉煤灰总量逐年增加，1995 年粉煤灰排放量达 1.25 亿吨，2000 年约为 1.5 亿吨，到 2010 年将达到 3 亿吨，给我国的国民经济建10唐 山 学 院 毕 业 设 计 设及生态环境造成巨大的压力。另一方面，我国又是一个人均占有资源储量有限的 国家，粉煤灰的综合利用，变废为宝、变害为利，已成为我国经济建设中一项重要 的技术经济政策，是解决我国电力生产环境污染，资源缺乏之间矛盾的重要手段， 也是电力生产所面临解决的任务之一。经过开发，粉煤灰在建工、建材、水利等各 部门得到广泛的应用。 20 世纪 70 年代，世界性能源危机，环境污染以及矿物资源的枯竭等强烈地激 发了粉煤灰利用的研究和开发，多次召开国际性粉煤灰会议，研究工作日趋深入， 应用方面也有了长足的进步。粉煤灰成为国际市场上引人注目的资源丰富、价格低 廉，兴利除害的新兴建材原料和化工产品的原料，受到人们的青睐。目前，对粉煤 灰的研究工作大都由理论研究转向应用研究，特别是着重要资源化研究和开发利 用。利用粉煤灰生产的产品在不断增加，技术在不断更新。国内外粉煤灰综合利用 工作与过去相比较，发生了重大的变化，主要表现为：粉煤灰治理的指导思想已从 过去的单纯环境角度转变为综合治理、资源化利用；粉煤灰综合利用的途径以从过 去的路基、填方、混凝土掺和料、土壤改造等方面的应用外，发展到目前的在水泥 原料、水泥混合材、大型水利枢纽工程、泵送混凝土、大体积混凝土制品、高级填 料等高级化利用途径。 2. 粉煤灰的利用 目前，粉煤灰主要用来生产粉煤灰水泥、粉煤灰砖、粉煤灰硅酸盐砌块、粉煤 灰加气混凝土及其他建筑材料，还可用作农业肥料和土壤改良剂，回收工业原料和 作环境材料。 粉煤灰在水泥工业和混凝土工程中的应用：粉煤灰代替粘土原料生产水泥；粉 煤灰作水泥混合材；粉煤灰生产低温合成水泥；粉煤灰制作无熟料水泥，包括石灰 粉煤灰水泥和纯粉煤灰水泥；粉煤灰作砂浆或混凝土的掺和料。 粉煤灰在建筑制品中的应用：蒸制粉煤灰砖；烧结粉煤灰砖；蒸压生产泡沫粉 煤灰保温砖；粉煤灰硅酸盐砌块；粉煤灰加气混凝土；粉煤灰陶粒；粉煤灰轻质耐 热保温砖。 粉煤灰作农业肥料和土壤改良剂：粉煤灰具有良好的物理化学性质，能广泛应 用于改造重粘土、生土、酸性土和盐碱土，弥补其酸瘦板粘的缺陷，粉煤灰中含有 大量枸溶性硅钙镁磷等农作物所必需的营养元素，故可作农业肥料用。 回收工业原料：回收煤炭资源；回收金属物质粉煤灰中含有 Fe2O3、Al2O3、和 大量稀有金属；分选空心微珠，可以用于塑料的理想填料，用于轻质耐火材料和高 效保温材料，用于石油化学工业，用于军工领域，坦克刹车。 作环保材料：利用粉煤灰可制造分子筛、絮凝剂和吸附材料等环保材料；粉煤 灰还可用于处理含氟废水、电镀废水与含重金属例子废水和含油废水等。11唐 山 学 院 毕 业 设 计 粉煤灰是一种放错地方的资源，粉煤灰可用作水泥、砂浆、混凝土的掺合料， 并成为水泥、混凝土的组分，粉煤灰作为原料代替黏土生产水泥熟料的原料、制造 烧结砖、蒸压加气混凝土、泡沫混凝土、空心砌砖、烧结或非烧结陶粒，铺筑道路； 构筑坝体，建设港口，农田坑洼低地、煤矿塌陷区及矿井的回填；也可以从中分选 漂珠、微珠、铁精粉、碳、铝等有用物质，其中漂珠、微珠可分别用作保温材料、 耐火材料、塑料、橡胶填料。 本论文所涉及到的试验中所用粉煤灰为唐山市建设集团有限公司生产的产品， 可以直接用于试验研究，其化学成分见表 2-2。表 2-2 粉煤灰的化学成分 原料 粉煤灰 SiO2 46.90 Al2O3 38.63 CaO 4.39 MgO 0.80 Fe2O3 3.62 FeO 1.56 TiO2 1.30 烧失量 1.212.1.3 碱性激发剂1. 引言 通常使用苛性碱和碱性的盐来作为碱性激发剂。Glukhovsky et al（1980）根据 化学组成将碱性激发剂分成六类： （1）苛性碱：MOH； （2）非硅酸盐的弱酸盐：M2CO3、M2SO3、M3PO4、MF 等； （3）硅酸盐：M2O? nSiO2； （4）铝酸盐：M2O? nAl2O3； （5）铝硅酸盐；M2O? nAl2O3? nSiO2； （6）非硅酸盐的强酸盐：M2SO4。 这些激发剂中，NaOH、Na2CO3、Na2O? nSiO2、Na2SO4 最为容易获得和最经济。 一些钾化合物也在实验室里做研究用过，但是因为它们不易于获得、价格较贵，因 而限制了其应用，且钾和钠化合物的特性是非常相近的，因而本文主要选择 NaOH 以及 Na2O? nSiO2 作为碱性激发剂来进行相关的试验研究。 2. 苛性钠 苛性钠是化学工业的龙头产品之一，其他的龙头产品还有苏打粉和硫酸，几乎 没有那种化学制品在其生产过程中不需要者三个龙头产品之一或者更多，而且几乎 没有一个工业产品生产时不需要苛性钠的。工业用的苛性钠是通过电解氯化钠来获 得的。除了液态产品外，有片状、块状、珠状和粉状等四种固态的苛性钠。块状的 苛性钠是将熔融的苛性钠通过冷的压片滚筒而得到的厚度均匀的片状物。珠状苛性 钠是在严格控制的操作条件下，将熔融的苛性钠注入成球塔中得到的尺寸均匀的珠12唐 山 学 院 毕 业 设 计 状颗粒。这些不同形态的苛性钠，颗粒尺寸不同，但化学组成是相同的。本论文所 涉及的试验中使用的是珠状苛性钠。 苛性钠可以用来加速水泥的水化，但是会导致 7~14d 的强度下降。一般使用时 都必须先将无水苛性钠溶解成溶液，因为在配制成溶液时会产生大量的热，加入到 水泥混凝土中时，应非常谨慎小心。 本论文所涉及到的试验中采用的氢氧化钠是由天津市津科精细化工研究所生 产的，呈现白色均匀粒状或片状，分析纯。 3. 硅酸钠 硅酸钠是 Na2O? nSiO2 的统称，n 为模数。从理论上说，n 可以是任意一个数， 不同模数硅酸钠的特性是不一样的，它们的工业应用也可能完全不一样。市售的液 体硅酸钠的模数 n 通常在 1.60～3.85 之间， 在此范围之外的液体硅酸钠是不稳定的， 也没有实用价值。 硅酸钠是有 Van Helmont 在 1640 年首次发现， 他将过量的碱与硅混合放在潮湿 的地方时得到一种液体。Johann 在 1818 年实验验证了这一发现，他将硅溶解在苛 性碱中得到了具有和玻璃一样特性的液体，故称之为水玻璃（Vail 1928） 。经过进一 步研究之后，他建议将水玻璃用作胶水、油漆、水泥、洗涤剂、天然和人造石的硬 化剂等，但是当时没有引起太大的反响，直到 1887 年英国 W? Gossage}Sons 公司 展出了含 30%、20° 波美度的水玻璃的肥皂时，水玻璃才被众人认知。 硅酸钠玻璃是将石英砂和碳酸钠在 1350℃ ～1450℃ 温度之间熔融得到的。它的 化学组成是 Na2O? nSiO2，其中 n 是 SiO2 和 Na2O 的比例，称为模数，将玻璃在压蒸 釜中于 140℃ ～160℃ 和适当的蒸汽压下溶解就得到了水玻璃。理论上来讲，SiO2 和 Na2O 可以以任意比例结合，但是由于常温下高模数的水玻璃溶解度很小，低模数 的水玻璃稳定性很差，硅酸钠玻璃生产的水玻璃的模数通常不大于 4。 目前，世界上大多数生产厂家使用喷雾干燥法来除去压蒸后水玻璃溶液中多余 的水。 在喷雾干燥时， 溶液中硅酸根离子几乎不变化。 最近研制出一种微波干燥法， 据报道采用微波法干燥的硅酸盐钠溶解速度要比通常的喷雾法干燥的硅酸盐的溶 解速度快。一种新的制造水合硅酸钠和水泥硅酸钾的方法也已见报道. 通常在高模数的水玻璃中加入氢氧化钠来生产低模数的水玻璃。当浓度和模数 相同时，调配的水玻璃溶液中的硅酸根离子的种类和浓度与直接从高压釜中生产的 是不一样的。Korneev and Bykov（2000）提出了一种生产模数大于 1 的无定形水化 硅酸碱的方法，在此方法中，将磨细的硅酸钠玻璃溶解后，用含水的有机溶剂从中 萃取水化硅酸钠，用此法可直接生产所需模数和浓度的水玻璃。 本文所用到的水玻璃的模数为 2.3，固含量为 50%，密度为 1.43kg/m3。13唐 山 学 院 毕 业 设 计 4. 水玻璃模数的调整 水玻璃是一种优良的胶凝材料，用途很广。模数及比重是控制水玻璃质量的两 个重要指标。当水玻璃模数及比重不符合要求时，可在现场进行调整。如要提高模 数，可向水玻璃中加入硅胶、盐酸及非晶形天然二氧化硅。反之，如要降低模数， 则需加入氢氧化钠。 本文所用到的水玻璃的模数为 2.3，固含量为 50%，二氧化硅含量为 26%，密 度为 1.43kg/m3。经过研究相关文献发现，模数在 1.0～1.5 时，性能最好。因此， 本论文欲将水玻璃的模数调整为 1， 通过进行相关计算， 需加入 22.77%的氢氧化钠， 即如若制备 100 克模数为 1 的水玻璃， 需在 78.23g 模数为 2.3 的水玻璃中加入 22.77 克的氢氧化钠。2.1.4 其它原材料1. 标准砂 本论文所涉及到的试验中所使用的标准砂是由厦门艾思欧标准砂有限公司按 照 GB/ 生产的，每袋净含量为 1350± 5g。 2. 水 本论文所涉及到的试验中用到的水全部为自来水。2.2 试验方案2.2.1 试验方法在工农业的生产和科学试验中，为了改革旧工艺，寻求最优生产条件，经常要 做许多的试验，但是影响这些试验结果的因素有很多，我们把含有两个因素以上的 试验称为多因素试验。多因素试验由于考虑的因素较多，当每个因素的水平数又较 大时，若进行比较全面试验，试验的次数将会更大。因此，对于多因素试验来说， 存在一个如何安排好试验的问题。正交试验设计方法是一种研究和处理多因素试验 的科学方法，它利用一套现存的规格化的表――正交表，来安排试验，通过尽可能 少量的试验，获得比较满意的试验结果。 本试验利用上述介绍的原材料，通过正交试验设计，改变高炉矿渣和粉煤灰的 掺和比，以及碱激发剂的掺量来制备新型地质聚合物，同时，对其它物理性能进行 测定，以寻找出最佳的配制方案。 Tang （1994） 等应用正交设计试验研究了矿渣/粉煤灰比， 水灰比和碱激发剂 （氢 氧化钠和水玻璃） 的用量对碱激发矿渣-粉煤灰系统强度的影响， 按这些因素对这类 胶凝材料强度影响的大小程度排序：矿渣/粉煤灰比&水灰比&水玻璃用量&氢氧化钠 用量。14唐 山 学 院 毕 业 设 计 1977 年， Smith and Osborne 首先对碱激发矿渣-粉煤灰系统进行了相关的研究， 由 60%矿渣和 40%粉煤灰以及 7%的氢氧化钠（相对于矿渣和粉煤灰的总质量）组 成的组合表现出很好的早期强度，但 28 天以后的强度增长很慢。1988 年，Dai and cheng 应用正交设计试验方法对氢氧化钠-高炉矿渣-粉煤灰-水玻璃系统进行了相关 的研究，其中碱激发剂 5%～11%，高炉矿渣 45%～60%，粉煤灰 35%～60%，并得 出水玻璃激发的系统强度要比氢氧化钠激发的系统要高很多的结论。 Krivenko and Ryabova（1990）和 Krivenko （1992a）给出了由 55%～95%的粉 煤灰和 5%～40%的矿渣的碱激发粉煤灰-矿渣系统的研究结果，其中所用到的矿渣 包括高炉矿渣、转炉矿渣和冲天矿渣。若混合物的碱度小于 0.7，则需加入少量石 灰和水泥熟料。所用到的激发剂包括偏硅酸钠、碳酸钠、氢氧化钠和苏打-碱的熔融 物等。该胶凝材料的 28d 强度为 18～90MPa，一年强度可达 120MPa。 彭家惠等采用加入合适的碱激发剂、复合早强减水剂、掺加晶种等方法制备出 225 粉煤灰-矿渣无熟料水泥（简称 FSC） 。随着矿渣掺量的增加，胶结材料的凝结 时间缩短，7d、28d 强度增加，特别是 7d 强度增加的幅度较大，当矿渣的掺量达到 30%时，7d 强度增长了近一倍，28d 强度增长了约 35%。表明矿渣的水化确实对粉 煤灰的水化有促进作用。但矿渣的掺量超过 30%后，强度增加作用趋缓[19]。 尚建丽等以矿渣和粉煤灰为原材料，以硅酸钠和氢氧化钠作为碱性激发剂，制 备出矿渣-粉煤灰基地质聚合物，测试了不同配合比下矿渣-粉煤灰基地质聚合物的 7 d、14 d 和 28 d 的抗压强度。试验结果显示：当水胶比为 0.3，氢氧化钠和硅酸 钠质量比为 0.63，矿渣与粉煤灰质量比为 2，标准条件下养护，矿渣-粉煤灰基地质 聚合物的 7 d、14 d 和 28 d 龄期的抗压强度分别可以达到 57.0 MPa、69.0 MPa 和 84.3 MPa[20]。 范飞林等以矿渣和粉煤灰为原材料，以硅酸钠和氢氧化钠为碱性激发剂，制备 出矿渣-粉煤灰基地质聚合物，测试了不同配合比的矿渣-粉煤灰基地质聚合物 7d、 14 d 和 28 d 的抗压强度，并且分析了水胶比对和易性和抗压强度的影响，探讨了 抗压强度的增长规律。 试验结果表明： 制备的矿渣-粉煤灰基地质聚合物抗压强度较 高，和易性良好，凝结硬化较快，强度特性也比较稳定；当水胶比为 0.26，砂率为 0.40，氢氧化钠和硅酸钠质量比为 0.29，碱溶液浓度为 56%时，标准条件下养护， 7d、 14 d 和 28 d 龄期的抗压强度可以分别达到 40.4MPa、 50.3 MPa 和 60.2 MPa； 随着水胶比的增大，和易性不断增强，抗压强度先增加，后减小；随着养护龄期的 延长，抗压强度不断增长，但增速降低。 水玻璃是一种比较复杂的强碱弱酸盐胶体溶液，它能与物质发生相当复杂的物 理化学反应。因此，模数是影响地质聚合物性能的一个主要因素，经实验分析，水 玻璃模数在 1. 0～1. 5 之间时地质聚合物性能最好。侯云芬等研究了不同模数和不15唐 山 学 院 毕 业 设 计 同固含量(固相与水的质量比)的水玻璃对粉煤灰基地质聚合物抗压强度的影响。试 验结果表明：当水玻璃模数小于 1.4 时，样品的抗压强度较高，最高抗压强度达到 42.1MPa； ，但是当模数超过 1.4 以后，抗压强度就会降低，并且当模数大于 2.0 以 后，抗压强度明显降低，如当水玻璃模数为 2.5 时样品的抗压强度不足 5MPa。同 时随着水玻璃含固量的增大，粉煤灰基矿物聚合物的抗压强度提高；当水玻璃固含 量为 32%时，地质聚合物的抗压强度达到最大值，随这水玻璃含固量继续提高，其 抗压强度就会降低。在常温标准条件下养护，用模数为 1 并且含固量为 32%的水玻 璃制得抗压强度为 38.5 MPa 的粉煤灰基地质聚合物。 参考以上文献资料的研究结果，本论文配料方案参见表 2-3。表 2-3 试验编号 1-A 1-B 1-C 1-D 2-A 2-B 2-C 2-D 3-A 3-B 3-C 3-D 4-A 4-B 4-C 4-D 注：碱激发剂的加入比例是按矿渣和粉煤灰总质量的百分数添加的。 80 20 70 30 60 40 50 50 矿渣% 配料方案 粉煤灰% 碱激发剂% 9 12 15 18 9 12 15 18 9 12 15 18 9 12 15 182.2.2 水泥胶砂强度的测定水泥强度是指水泥试体在单位面积上所能承受的外力，它是水泥的主要性能指 标。水泥又是混凝土重要胶结材料，故水泥强度也是水泥胶结力的体现，是混凝土 强度的主要来源。用不同方法检验，水泥强度值也不同。水泥强度是水泥质量分级 标准和水泥标号划分的依据。16唐 山 学 院 毕 业 设 计 1. 仪器 胶砂搅拌机；振动台；试锥及下料漏斗；抗折试验机和抗折夹具；抗压试验机 抗压夹具；刮平刀。 2. 试体成型 （1）成型室内温度必须符合标准要求。成型前将试模擦净，模板与底座接触 面处涂黄干油，内壁均匀涂一层机油，紧密装配。 （2）每成型三条试体，按水泥 450g，灰砂比为 1：3，即 1350g 软练标准砂， 拌合水量按水泥品种固定水灰比。矿渣硅酸盐水泥为 0.5。 （3）将称好的水泥与标准砂倒入搅拌锅内，开动搅拌机干拌 5s 后徐徐加水， 25s 内加完。自开动机器起搅拌 180± 5s 停车。将粘在叶片上的胶砂刮下，取下搅拌 锅。 （4）将搅拌好的胶砂全部均匀的装入已卡紧于试模与振实台面中心的下料漏 斗中，开动振石台，将胶砂过漏斗进入试模时的下料时间，应以漏斗三格中在 20～ 40s 内有二格出现空洞为准。如下料时间不在 20～40s 内，须调整漏斗下料宽度加 速下料。振动须在 120± 5 内停车。 （5）振动完毕，取下试模，轻轻刮去高出试模的胶砂并刮平。然后编号。 3. 养护 （1）将编号后的试体放入养护箱内养护，经 24± 3h 后脱模，硬化慢的水泥允 许延迟脱模，但须记录脱模时间。 （2） 脱模后试体放入水槽中养护， 试体间应有间隙， 水面至少要高出试体 2cm， 养护水二周更换一次。 4. 强度测定 试验前从水中取出试体用湿布盖上。试验时擦去试体表面水分与砂粒，放入夹 具内，使侧面与圆柱接触，做 28d 抗压强度，记录读数。 5. 抗折强度的计算 试体破型受力分析：将尺寸为 4× 4× 16cm 的长方试体，在压力机夹具破型时的 受力，看作简支小梁试体的受力状态，根据简支梁承受集中载荷时的抗折强度计算 公式：PL M 3PL Rf ? ? 2 2 ? W 1 bh2 2bh2 6（2-1）式中，Rf ――抗折强度（Pa）； M ――在破坏荷重 P 处产生的最大弯矩； W ――截面矩量；17唐 山 学 院 毕 业 设 计 P ――作用于试体的破坏荷重（N）； L ――抗折夹具两支撑圆柱的中心距（m），L=0.1m； b ――试体宽度（m），b=0.04m； h ――试体高度（m），h=0.04m； 6. 抗压强度的计算 （1）计算公式 抗压强度是水泥和混凝土最重要的力学性能。检验抗压强度一般都采用轴心受 压的形式，计算公式：Rc ?P F（2-2）式中，Rc――抗压强度（Pa）； F――破坏荷重（N）； P――受压面积 m2（长× 宽=0.04× 0.04m） （2）抗折试验后的两个断块应立即进行抗压试验：用受压面为 4cm× 4cm 的抗 压夹具进行。以试体侧面为受压面。试体地面靠紧定位销，夹具对准压力机压板中 心。 （3）六个抗压强度结果中去掉最大和最小的两个数值，以剩下的四个平均作 为抗压强度结果。2.2.3 标准稠度的测定为了使所测水泥的凝结时间更加准确，误差更小，一个很重要的前提就是准确 测定水泥的标准稠度用水量。这是由于测凝结时间时所加水的量即是标准稠度的用 水量。水泥标准稠度用水量，是按国家标准规定的方法和指定的仪器，将水泥调制 成具有标准稠度的净浆所需的用水量，水泥标准稠度是以用水量与水泥质量百分数 来表示。本试验用调整水量法测定水泥标准稠度用水量。 （1）称好 500g 水泥试样，并量取一定量的拌合水并记下读数。 （2）拌合用具先用湿布擦过，把试样倒入搅拌锅中，将锅放到搅拌机锅座上， 升至搅拌位置，开动机器，同时徐徐加入全部拌合水。 （3）拌合完毕后，立即将净浆一次装入试模内，装入量比锥模容量稍多些， 但不要过多，然后用小刀刮平，排除净浆表面气泡并填满模内。 （4）用小刀从模中心线开始分两下刮去多余的净浆，然后一次抹平后迅速放 到试锥下固定位置上。 （5）将试锥降至与净浆表面接触，拧紧螺丝，然后突然放松，让试锥自由沉 入净浆中，到试锥停止下沉深度（整个过程在搅拌后 1min 内完成）。 （6）观察试锥下沉深度，以试锥下沉深度s=28± 2mm时的净浆拌合水量为该水18唐 山 学 院 毕 业 设 计 泥的标准稠度用水量。如果试锥下沉深度大于或小于上述值时，要及时调整水量重 新试验，直至达到上述试锥下沉深度为止。 水泥标准调度P调按式（2-16）计算：P调 ? m ? 100 % 500（2-3）式中： P调――用调整水量法测定的水泥标准稠度，％； m――测定标准调度时的拌合水质量，g； 500――国标规定称量水泥的质量；g。2.2.4 凝结时间的测定水泥的凝结时间分为初凝和终凝。 水泥初凝是指从水泥加水拌合起至水泥浆开始失去可塑性所需的时间。这是为 了保证有足够的时间在初凝之前完成混凝土的搅拌、运输和浇捣及砂浆的粉刷、砌 筑等施工工序，初凝时间不宜过短。 水泥终凝是指从水泥加水拌合起至水泥浆完全失去可塑性并开始产生强度所 需的时间。为使混凝土、砂浆能尽快地硬化达到一定的强度，以利于下道工序及早 进行，终凝时间不宜过长。 国家标准规定硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤 灰水泥的初凝时间不得早于 45min，除硅酸盐水泥终凝时间不迟于 6.5h 外，其余四 个品种水泥，终凝时间不迟于 10h。 根据我国标准， 凝结时间用规定的凝结时间测定仪进行测定。 测定凝结时间时， 应该换上试针，试针直径 1.10± 0.04mm，长度 50mm。用硬钢丝制成，不得弯曲。 装净浆用的圆模上口内径为 65mm，下口内径为 75mm，高为 40mm。标准稠度与 凝结时间测定仪滑动部分的总质为 300± 2g。 凝结时间的测定方法如下： （1）测定前将圆模放在玻璃板上。在内壁稍稍涂一层机油，调节凝结时间测 定仪的试针接触玻璃板时，指针应对准标尺的零点。 （2）以标准稠度用水量加水，按水泥净浆拌制规定的操作方法制成水泥标准 稠度净浆，一次装入圆模振动数次刮平。然后放入湿气养护箱内养护。记录开始加 水的时间，作为凝结时间的起始时间。 （3）记录开始加水时间。将上述制备的标准稠度的净浆立即一次加入圆模， 震动数次后刮平，然后放入恒温恒湿的养护箱内。 （4）试件在恒温恒湿养护箱中养护至加水后 30min 进行第一次测定。测定时， 从湿气养护箱内取出园模放到试针下，降低试针，与水泥净浆表面接触，拧紧螺丝19唐 山 学 院 毕 业 设 计 后突然放松，试针垂直自由的沉入水泥净浆。观察试针停止下沉或释放试针 30s 时 指针的读数，试针沉至距离底板(4± 1)mm 时，水泥达到初凝状态，水全部加入水泥 中至初凝状态的时间为水泥的初凝时间，用 min 来表示。 （5）观察试针至下沉深度不超过 1～0.5mm 时所需时间为终凝时间，用 min 表示。 （6）当临近初凝时，可每隔 5min 测定一次，临近终凝时，可每隔 15min 测定 一次， 到达终凝时应立即重测一次， 当两次结论相同时才能认定已到达初凝或终凝。2.2.5 水泥体积安定性的测定反映水泥硬化后体积变化均匀性物理性质的指标称为水泥的体积安定性，简称 水泥安定性。水泥和水后的硬化过程中，一般都会发生体积的变化，如果这种变化 是在熟料矿物水化过程中发生的均匀体积变化或伴随着水泥石凝结硬化过程中进 行，则对建筑物质量无不良影响。如果因水泥中某些有害成分的作用，水泥、混凝 土已硬化后，在水泥石内部产生剧烈的不均匀体积变化，则在建筑物内会产生破坏 应力，导致建筑物强度下降。若破坏应力超过建筑物强度，则会引起建筑物开裂、 崩溃、塌倒等一系列严重的质量事故。 本试验中水泥体积安定性测试方法用试饼法。试饼法是观察标准稠度的水泥净 浆试饼煮沸后的外形变化来检验水泥的体积安定性。具体步骤如下。 （1）测定前的准备工作 采用试饼法时，每个样品需准备二块尺寸(长× 宽)约100mm× 100mm的玻璃板。 每个试样均需成型两个试件。凡与水泥净浆接触的玻璃板表面部要稍稍涂上一层 油。 （2）水泥标准稠度净浆的制备 按2.2.4中所测标准稠度用水量加水。 （3）试饼的成型方法 将制好的净浆取出一部分，分成两等份，用刀具抹成球形，放在预先准备好的 玻璃板上， 轻轻振动玻璃板， 并用湿布擦过的小刀由边缘向中央抹动， 做成直径70～ 80mm，中心厚约10mm，边缘渐薄，表面光滑的试饼。接着将试饼放入湿气养护箱 内，养护24± 2h。 （4）沸煮 事先调整好沸煮箱内的水位，使能保证在整个沸煮过程中都没过试件，不要中 途添补试验用水，同时又保证能在30± 5min内升至沸腾。 （5）脱去玻璃板取下试件 首先检查试饼是否完整，如试饼有弯曲、崩裂现象时，要查明原因。如确实无20唐 山 学 院 毕 业 设 计 其他外因时，该试饼已属不合格品，则不必沸煮。在经检查过的试饼没发现任何缺 陷的情况下，方可将试饼放在沸煮箱的水中蓖板上，然后在30± 5min内加热至沸腾， 并恒温3h± 5min。 （6）结果判别 沸煮结果，即放掉沸煮箱中的水，打开水箱盖，待箱体冷却至室温，取出试样 进行判别。目测未发现裂纹，用直尺检查也没有弯曲，则此试饼为安定性合格，反 之为不合格。当两个试饼判别有矛盾时，则该水泥的安定性为不合格。 经测定，本试验水泥的安定性均合格。2.3 试验结果各编号试样的各种性能的测试结果见表2-4-1，2-4-2。表 2-4-1 试验结果（1） 试验编号 1-A 1-B 1-C 1-D 2-A 2-B 2-C 2-D 3-A 3-B 3-C 3-D 4-A 4-B 4-C 4-D加水量/ml 200 200 200 200 194 194 194 194 189 189 189 189 185 185 185 185标准稠度 /mm 28.2 28.5 28.7 29.2 28.5 28.9 29.4 29.7 27.3 27.9 28.3 28.8 28.7 29.2 29.5 29.9初凝/min终凝/min安定性 ―― ―― 合格 合格 合格 合格 合格 合格 合格 合格 合格 合格 合格 合格 合格 合格凝结时间过长，不合格 凝结时间过长，不合格 325 189 273 187 133 107 113 87 79 59 104 78 66 52 9 668 492 427 529 437 392 365 428 397 332 31521唐 山 学 院 毕 业 设 计表 2-4-2 试验结果（2） 试验编号 3d 1-A 1-B 1-C 1-D 2-A 2-B 2-C 2-D 3-A 3-B 3-C 3-D 4-A 4-B 4-C 4-D ―― ―― 1.32 1.17 1.68 1.89 2.21 2.02 2.63 2.97 3.58 3.12 4.20 4.32 5.02 4.56 抗折强度/MPa 7d ―― ―― 1.61 1.47 2.58 2.94 3.79 3.17 4.77 4.97 5.15 5.05 6.86 6.91 7.02 6.94 28d ―― ―― 1.77 1.62 2.99 3.22 4.15 3.52 4.91 5.12 5.33 5.17 7.09 7.13 7.31 7.18 3d ―― ―― 22.55 20.07 27.78 29.12 32.31 30.41 33.10 35.04 37.79 36.23 32.56 35.70 39.38 38.20 抗压强度/MPa 7d ―― ―― 27.70 24.23 30.12 35.34 39.78 37.77 37.92 42.3 45.77 43.86 42.81 45.39 51.56 47.21 28d ―― ―― 29.12 26.03 31.11 37.28 41.75 39.98 39.17 43.72 47.19 45.02 44.30 47.21 52.75 49.69对实验所得数据进行分析比较，见图 2-1，2-2。图 2-1 不同组别试样的 3d、7d 和 28d 抗压强度22唐 山 学 院 毕 业 设 计图 2-2 不同组别试样的 3d、7d 和 28d 抗折强度2.4 数据分析观察图2-1和2-2可知，本试验制备的新型地质聚合物的3天、7天和28天抗压强 度和抗折强度都随着矿渣添加量的增加而增加，但是为了降低成本，一般矿渣的掺 加量不超过80%。 同时，由图2-1和2-2还可以知道，各种原料掺和比下碱激发剂的掺加量从9%增 加到15%，3天、7天、28天抗压强度和抗折强度都随着碱激发剂含量的增加而增加； 但是当碱激发剂的掺加量增加到18%，其3天、7天和28天抗压强度要比掺加15%碱 激发剂时要低，即制备的新型地质聚合物的活性有所降低；因此，碱激发剂最佳添 加量为15%。 而其他的物理性能，如标准稠度、凝结时间、安定性等数据可以看出碱激发剂 的加入对其影响不大，不会造成制备的新型地质聚合物不合格。23唐 山 学 院 毕 业 设 计3 结论粉煤灰具有缓凝的效果，粉煤灰加入的越多，凝结时间越长，适当的减少粉煤 灰的掺加量，增加矿渣的掺加量，不仅能缩短其凝结时间，而且能使体系的强度显 著提高。另外，加入适量的合适的碱激发剂，可以缩短凝结时间，并且使得体系的 强度明显提高。本试验中，粉煤灰的掺加量为 20%，矿渣的掺加量为 80%时，加入 15%的模数为 1 的水玻璃制得的试样，其抗压抗折强度较其它配比所得到的试样的 都要高，并且初凝时间、终凝时间符合国家要求，安定性良好。24唐 山 学 院 毕 业 设 计谢辞本论文是在刘进强老师的悉心指导和严格要求下完成的，从课题选择到具体的 写作过程，无不凝聚着刘老师的心血和汗水，在我的毕业论文写作期间，刘老师不 辞辛苦的帮助我解决实验中遇到的各种问题，并为我提供了种种专业知识上的指导 和一些富于创造性的建议，没有这样的帮助和关怀，我不会这么顺利的完成毕业论 文。在此向刘老师表示深深的感谢和崇高的敬意。另外，我还要感谢今天来到教室 为我答辩的郝斌老师，感谢老师能在百忙之中抽出时间指导和审评我的毕业论文， 在此我致以崇高的敬意和真诚的谢意。 在临近毕业之际，我还要借此机会衷心地感谢在这四年中辛勤教育和指导过我 的所有老师们，感谢他们四年来的辛勤栽培。在学习上，他们传授给了我各种科学 知识，教育我成人成才；在生活中，他们帮助我解决困难，积极乐观地生活。我还 要感谢学校的各位领导，为我提供了一个良好的学习环境，使我在这四年大学生活 中丰富了自己，从而为我走向社会寻找属于我自己的那片天空打下了坚实的基础。 我还要感谢各位同学，在毕业设计的这段时间里，你们给了我很多的启发，提出了 很多宝贵的意见，对于你们帮助和支持，在此我表示深深地感谢。在论文写作过程 中，我还参考了有关的书籍和论文，在这里一并向有关的作者表示谢意。25唐 山 学 院 毕 业 设 计参考文献[1] 倪文, 王恩, 周佳. 地质聚合物――21 世纪的绿色胶凝材料[J]. 新材料产业, 2003, (6): 24. 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The Potential Use of Geopolymeric Materials to Immobilize Toxic Materials: Part 1. Theory and Application[J]. Materials Engineering, ): 659-669. [13] 史才军[加]著, 郑克仁译. 碱激发水泥和混凝土[J]. 北京: 化学工业出版社, 2008: 3. [14] 代新祥, 文梓芸. 土壤聚合物水泥[J]. 新型建筑材料. 2001, (6): 34~35. [15] J? Davidovits. Properties of Geopolymer Cement. In: Geopolymer Institute, Eds. Proceedings First International Conference on Alkaline Cements and Concretes[J]. Kiev Ukraine: Scientific Research Institute on Binders and Materials, Kiev State Technical University, 9. [16] 杨立信. 国外碱性粉煤灰胶结料研究[J]. 粉煤灰综合利用, 1996, (4): 49~52.26唐 山 学 院 毕 业 设 计[17] 聂轶苗, 牛福生, 张锦瑞. 矿渣在地质聚合物中的应用研究[J]. 金属矿山, 2009, (7): 173. [18] 陈绍龙. 矿渣微粉生产工艺技术[J]. 辽宁建材, 2007, (8): 26~30. [19] 彭家惠 , 林芳辉 . 粉煤灰矿渣无熟料水泥及砂浆的研究 [J]. 硅酸盐建筑制品 , 1995, (5): 30~33. [20] 尚建丽,刘琳.矿渣-粉煤灰地质聚合物制备及力学性能研究 [J]. 硅酸盐通报, ): 741~744.27唐 山 学 院 毕 业 设 计外文资料Universal Hydraulic Binder Based on Fly Ash Type FAbstractThe present invention concerns the development of a simple, multipurpose, low cost, environmental friendly and safe binder formulation and related process, based on high volumes of alkaline activated class F fly ash residue(&760%) without ordinary portland cement and related products, offering a wide scope of applications. More specifically, the universal binder is based on a very limited number of components (fly ash type F, blast furnace slag and a mixture of alkali silicates and carbonates). The binder allows developing considerable strength at the early stage (at room temperature) and very high resistances at 28 days. The binder applies to pastes, mortars concretes and pre-cast with the same flexibility of an Ordinary Portland Cement.TAB.1Mn2 O3SiO2Al2O3CaOFe2O3K2ONa2OMgOSO3TiO2P2O5LossFA BFS41.6 9 34.4 125.7 0 12.2 66.15 41.1 619.9 3 0.311.24 0.310.00 0.101.13 5.980.37 2.580.10 0.391.13 1.350.36 0.000.66 0.00TAB.2 Fineness(volume, %) Bulk density( Kg/m3) FA BFS 1.15 0.87 density( Kg/m3) 2.53 2.96 &3um 6.05 10.88 3-32um 42.33 78.46 &32um 51.62 10.65 L* 50.22 84.8 Color a* 1.81 0.2 b* 12.65 3.5828唐 山 学 院 毕 业 设 计FIG.1TAB.3 Activators(%) Sampl e 1 2 3 4 5 FAF (%) 63.0 62.7 63.8 72.4 80.5 GGB FS(%) 27.0 26.8 27.3 18.1 8.9 W/b 0.37 0.37 0.37 0.34 0.31 R2O(n)SiO2 Na 1.4 2.7 0.9 1.8 1.8 K R2CO3 Na 8.6 7.8 4.5 4.3 K Compressive strength(MPa) 2 days 13.2 27.0 22.7 15.2 11.7 7 days 46.1 57.0 48.0 40.1 31.4 28 days 65.4 76.6 62.6 57.3 53.73.6 3.4 8.8FIG.2a29唐 山 学 院 毕 业 设 计FIG.2b[0001] The present invention concerns a simple, multipurpose, low cost, environmental friendly and safe binder containing a high content of alkaline activated class F fly ash (&60% by weight) without ordinary portland cement. The invention also concerns related process and related product, offering a wide scope of application.Background of The Invention[0002] Fly ash is a by-product of burning coal, typically generated during the production of electricity at coal-fired power plants. Fly ashes are mainly composed by aluminosilicates partially vitrified, as well as mineral phases such as quartz, hematite, maghemite, anhydrite and so on which had been present as impurities in the original coal. [0003] ASTMC618-85(&Standard specification for fly ash and raw calcinated natural pozzolan for use as a mineral admixture in portland cement concrete&) has classified fly ash into two classes, Class C and Class F, depending on the total sum of silica, alunina and ferric oxide present. Class F contains more than 70% of the above oxides and Class C contains less than 70% but more than 50%. Class F fly ash is typically low in calcium oxide (&8%) whereas Class C has a higher content being sub-classified in two categories: Class CI(8-20%CaO) and Class CH(&20%CaO). Therefore, Class F fly ash is not usually considered as a cementitious material by itself because, due to its low calcium oxide30唐 山 学 院 毕 业 设 计 content, it cannot be agglomerated after hydration to produce bonding strength in the final product, contrary to Class C fly ash. [0004] Fly ash is a by-product that has to be used and consumed to reduce its environmental impact. Nowadays, it has mainly been used as a partial substitute in ordinary portland cement due to its pozzolanic reactivity. However, there is a limination in the replaced quantity because the pozzolanic reaction rate is very low at room temperature causing initial low strength and fast neutralization. [0005] Recently trails have been carried out to increase the pozzolanic reaction rate by using activators such as alkaline and alkaline erath compounds (ROH, R(OH)2), salts from weak acids (R2CO3, R2S, RF) and silicic salts type R2O(n)SiO2, where R is an alkaline ion from Na, K or Li. However, either rhe activation effiency is not enough or there are some undesired interactions between ordinary portland cement and activators, which causes rheologica and/or mechanical problems. This fact promotes the use of additional components, mainly admixtures, which increases the complexity of the formulation and makes worse the technological development of these products. [0006] The high amount of lime CaO in fly ash type C provides the waste product with intrinsic cementitious properties. On the other hand fly ash type F does not by itself develop any strength on hydration, and an activation of the product is requested to ensure that strength development will take place on hydration. A major advantage to prefer fly ash type F rather than fly ash type C is the high availability in large quantities of fly ash type F and its lower marker price. Since transportation costs of industial wastes would be a key issue for the cost effectiveness of the final product or binder, the selection of fly ash type F is guided by its availability in large quantities and its dense geographic distribution. [0007] For many years, many formulations and processes have been proposed to activate fly ash or industrial wastes in order to use it as a cementitious material. [0008] U.S.Pat.Nos.5435843 and 5565028 described the activation of Class C fly ash at room temperature with strong alkali（pH&14.69）to yield cementitious properties. Even though there is no express mention of Class F fly ash use in these patents, the cement containing Class C fly ash according to these patents has limited application due to the corrosive properties（pH&14.6）of the used activators. [0009] Patent EP0858978 discloses that high volumes of activated Class C Fly ash(&90%) may be used as a cementitious binder. The binder contains a mix of Class C and Class F Fly ashes wherein the dosage of Class C Fly ash has to be limited up to 60% due to its31唐 山 学 院 毕 业 设 计 low reactivity. In this case, Class F Fly ash is mentioned but it is used together with clinker and admixtures like citric acid, borax, boric acid, which are very expensive, and KOH, which is corrosive (pH&13). Furthermore, formulations get complex because the high number (&6) of presented componnets. [0010] In a similar way, U.S.Pat.No.5482549 describes a cement mixture containing at least 2% by weight of Portland cement clinker, 2-12% by weight of sodium silicate, fly ash and blast furnace slag. The patent specifies that the fly ash has to be ground to a specific surface of more than 500 square meters per kg which is very important and yields high manufacturing costs energy consumption, handling, etc. ). Furthermore, this document doesn't mention the use of Class F fly ash. [0011] Xu et al. &The Activation of ClassC, Class F Fly Ash and Blast Furnace Slag Using Geopolymerisation&, 8th CANMET/ ACI International Conference on Fly Ash, Silica Fume, Slag and Natural Pozzolans in Concrete, Las Vegas, Calif, USA(2004), shows that Class F fly ash can only be properly activated when using a highly alkaline soluble silicate solution. Following this line, patent U.S.Pat.No.5601643 proposes an invention related with chemically-activated fly ash cementitious materials, preferably Class F fly ash, where high content of alkali metal and/or alkaline earth metal silicate are used to obtain high strengh cementitious mixtures. However, this invention has a limited application because: 1)a high curing tempreture is need, 2)a high pH (&14, corrosive products) is required and therefor, safely conditions are necessary to handle the mixture and 3)the cost of the mixture is high due to the high quantities of soluble silicates and alkalis used. Furthermore, this patent proposes to use activators like alkali hydroxides, which cannot be employed in a solid state because of theirs affinity to moisture, carbonation and huge heat released during dissolution. Therefore, the cementitious material according to this invention cann't be transport in a powder form. Furthemore, formulations related with high alkalis content and high pH cause alkali-leaching problems and efflorescence due to Class F fly ash that is considered as a binder and not as active filler, which requires less alkaline dosage for being activated. [0012] U.S.Pat.Nos.6572698 and EP1091913 are related to an activated supersulphated aluminosilicate binder containing aluminosilicates, calcium sulphate and activator, which contains alkali metal salts. Fly ash is mentioned as aluminosilicate, but it is not specified the Class of fiy ash used. Binders with more than 90% of fly ash were activated at room temperature using cement kiln dust(CKD) and admixtures such as plasticizers and accelerators. Shan et Wang.&Development of &Green cement& for sustainable concrete32唐 山 学 院 毕 业 设 计 using Cement Kiln Dust (CKD)and Fly Ash&. International Workshop on Sustainable Development and Concrete Technology, (Beijing, China, May20-21, 2004), shows that Class F fly ash activated with CKD at room temperature provides binders with low initial and final mechanical strength. Therefore, fly ash from patents U.S.Pat.Nos.6,572,698 and FP1091913 has to be either Class C or a mix of the mentioned one and Class F. Thus, it is not possible to activate high volumes of Class F Fly ash with CKD. Furthermore, binders made from CKD are not totally environmentally friendly because CKD is a by-produce from the cement industry. In addition, the binder formulations were complex due to a high number of components. Thus, these products are expensive and their technological development is worse. [0013] An example of this fact is the binder proposed by these patents made of fly ash, blast furnace slag, anhydrite, CKD, accelerators and plasticizers. In this case, the proportion of the fly ash does not exceed 40%. Furthermore, CKD is a by-product from cement industry which quality, mainly measured from the quantity of alkalis, depends on the variations of raw materials from cement production. [0014] Patent WO9831644 concerns a method to manufacture cheap geopolymeric cement using alkaline aluminosilicates from geologic origin. In this case, the hardener is made of blast furnace slag and metakaolin. However, although the inventor may achieve a cost reduction from activators, the binder has limited application because of the high cost of metakaolin which is a product coming from calcined kaolin, which is not a residue. Furthermore, metakaolin is a product with small densith and high water demand because of its high specific surface. This fact may produce a higher water demand of the binder, which is counterproductive for the mechanical properties. [0015] It can thus be seen that a formulation based on high volumes of alkaline activated class F fly ash residue (&60%), complying with industrial requirements, involving a limited number of components would be of provide a multi-purpose binder compared to the disclosed solutions hereinabove. [0016] The aim of the invention is to remedy to the above drawback by providing a binder, which have the following characteristic. [0017] Environmental friendly [0018] Easy to formulate involving limited number of components [0019] Safe and easy to handle and to prepare with conventional equipment [0020] Multipurpose, versatility to be used in bags, in bulk, as a teady mix, for all type of mortars and concrete applications33唐 山 学 院 毕 业 设 计 [0021] Cost effectiveness [0022] Ability to be stored over long period of time [0023] Ability to be prepared on the construction site [0024] No specific curing conditions [0025] Typically, the invention doesn't aim to use any cement or cement related compounds (like cement kiln dusts for instance ). The advantage not to use cement in the formulation of the binder is mainly based on the objective of simplicity and polyvalence of the invention. Cement on the like additions in the formulation will lead to additional problems of interactions with the chemical activators that need to circumvent by further specific chemicals etc, special curing conditions, high pH etc. The objective of early strength development, as well as the universal property of the binder will be very difficult to achieve. Finally, the ecological advantages of the product according to the invention will be reduced since cement, clinker or cement kiln dust additions are correlated to additional CO2 emissions. [0026] It will be seen in the following description that none of the prior art present the technical features and none of the prior art have all advantages provided by the present invention.Summary of The Invention[0027] The described multipurpose binder refers to a cementitious material made from a simple formulation of maximum 4 components, without taking into account conventional admixtures used for Ordinary Portland Cement (e.g.superplasticizers), that is easy to produce at room temperature and to operate without special safety conditions (irritant activators with ph&13), following a robustness process, with similar or better properties (rheology, mechanical strength, durability etc.) than ordinary Portland cement (OPC), and covering a wide scope of applications in various fields, preferably for ready-mix mortars and concrete. [0028] Therefore, the aim of the invention is to provide a low cost and simple multipurpose industrial binder made from activated residues: high volumes of Class F fly ash (&60%), small quantities of Blast Furnace Slag (&28%) and very small quantities of industrially available alkaline carbonate (R2CO3) and alkaline silicate R2O(n)SiO2, where R is an alkaline ion from Na, K of Li. [0029] A further aim of the invention is to provide an industrial cementitious binder that develops strength over time(e.g.after 2, 7 or 28 days) in a similar way that Ordinary34唐 山 学 院 毕 业 设 计 Portland Cement at room temperature (EN 32.5, 42.5 and EN 52.5) [0030] A further aim of the invention is to provide a binder, which fabrication costs are optimized, and complying with the industrial requirements of a standard cementitious binder. [0031] An important advantage of the invention is that it provides a very robust product and process, which is not sensitive over chemical composition variations of the industrial wastes (fly ash type F and Blast Furnace Slag). Thus, the expected mechanical resistance requirements are always achieved. [0032] An another advantage of the invention is that the manufacturing price of the binder and the production costs of mortars or concretes based on the binder are similar to those obtained with OPC. [0033] Ecological advantages are present with this invention because it is a friendly cementitious binder made from residues, with limited indirect CO2 emissions and with low energy consumption during its production. Furthermore, the alkali leachability is controlled by correct dosage of activators insuring their combination in the hydration products. [0034] Safety advantages may also appear since the binder and the related process do not involve storage and manipulation of dangerous of aggressive components. [0035] Furthermore, binder, according to the invention, must have an improved durability and an improved resistance to sulphate attack, freeze-thaw, seawater, and acids. [0036] Other advantages will appear in the following detailed description, where the invention will be better understood based on exemplary embodiments and comparative examples by means of the following tables and figures.Brief Description of Tables and Drawings[0037] Table 1 shows typical chemical composition of respectively class F fly ash and blast furnace slag used to make the binder according to t [0038] Table 2 shows some representative typical properties of respectively class F fly ash and blast furnace slag used to make the binder according to t [0039] Table 3 shows some examples of the binder composition presented in this invention with the values of mechanical strength