CN101830654A - 一种高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料及其制备方法，该地聚合物胶凝材料以高钙粉煤灰为主要原料，以氢氧化钠和液体状的钠水玻璃制得的溶液为复合化学外加剂，本发明确定了复合化学外加剂的模数和掺量，并在一定的养护环境中使该体系具有较好的性能。该发明利用的是排放量巨大且难以处置的工业废弃物高钙粉煤灰，给废弃物的利用提供了途径，减轻了环境的负担，也降低了成本，减少了资源消耗。该发明提供的地聚合物胶凝材料具有免烧和无熟料的特点，是一种零碳排放的绿色环保型地聚合物，极大地降低了能源消耗，符合当前社会发展的趋势，具有良好的经济效益与社会效益。

Description

一种高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料及其制备方法
技术领域
本发明属于材料领域，涉及利用工业废弃物高钙粉煤灰并以复合化学外加剂激发而研制一种零碳排放、环保型的高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料及其制备方法。
背景技术
水泥是一种传统的胶凝材料，为人类经济发展与社会进步做出巨大贡献的同时，由于其高资源、高能源消耗、高碳排放以及造成的其他严重环境污染，越来越不符合当前可持续发展战略的要求，因此被称为“夕阳工业”。各国纷纷出台相应的措施限制水泥工业规模的发展，竞相赋予水泥技术以更高的科技含量，使它为人类造福的同时不至于给环境造成严重的负担。同时，各国也相继发展新型的绿色胶凝材料，以取代这种传统的胶凝材料。
粉煤灰是火力发电厂排放出来的一种以硅铝为主要成分的工业副产品。普通粉煤灰是烟煤作为动力燃料而排放出来的氧化钙含量很低的低钙粉煤灰，而高钙粉煤灰则是褐煤、亚烟煤或次烟煤作为动力燃料而排放出来的，其(SiO2+Al2O3+Fe2O3)的质量百分含量≥50％，CaO的质量百分含量≥10％。随着电力工业的飞速发展和煤炭资源的耗竭，具有高挥发分的褐煤、亚烟煤和次烟煤也常常被用作动力燃料，导致越来越多的高钙粉煤灰的大量排出，并由于其游离氧化钙含量高而难以在水泥基材料中得到有效利用并堆积形成新的污染源，亟需加以处置利用。相对于低钙粉煤灰，高钙粉煤灰中除含有大量的硅铝质成分外，还含有一定的钙质成分。
地聚合物是以硅铝质材料为原料通过矿物聚缩反应而生成的一种低能耗、长寿命、无CO2排放的高性能无机聚合物。随着人类对环境保护意识的加强和研究工作的进展，制备地聚合物的原材料也已从天然矿物原料拓宽为可利用固体废弃物。粉煤灰基地聚合物的研究目前集中于低钙粉煤灰，这与其含有相对较纯的硅铝质成分有关。高钙粉煤灰中大部分是细小的玻璃质球状颗粒，当高钙粉煤灰被复合化学外加剂激发时，部分铝硅相从高钙粉煤灰的球壳溶出并发生地聚合反应，这与低钙粉煤灰类似。
发明内容
本发明以高钙粉煤灰为主要原料，另采用原料复合化学外加剂激发高钙粉煤灰，在一定的养护环境中使该体系具有较好的性能，在一定范围内能部分取代或优于水泥使用。该发明利用的是排放量巨大且难以处置的工业废弃物高钙粉煤灰，首先给废弃物的利用提供了途径，减轻了环境的负担，也降低了成本，减少了资源消耗，符合节能减排且满足我国国情的要求；同时它具有免烧和无熟料的特点，是一种零碳排放的环保型地聚合物，所以极大地降低了能源消耗。另外，它在一定程度上可以取代水泥，可以减少水泥的生产，也就是减少了水泥生产过程中的高资源、能源消耗，也减少了其对环境造成的巨大压力。所以，这种零碳排放的高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料是一种绿色环保型材料，符合当前社会发展的趋势，具有良好的经济效益与社会效益。
本发明的技术方案如下：
本发明高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料的原料包括高钙粉煤灰和复合化学外加剂，其中复合化学外加剂由氢氧化钠和液体状的钠水玻璃配制而成，复合化学外加剂的模数M(SiO2)/n(Na2O)为1.5～2.0；该两种原料之间的量比关系为：由复合化学外加剂引入的Na2O占高钙粉煤灰的质量百分数为10％～15％。
本发明高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料的制备方法按以下步骤进行：
a、将氢氧化钠和液体状的钠水玻璃混合，控制其模数M(SiO2)/n(Na2O)为1.5～2.0，制成复合化学外加剂备用。
b、将复合化学外加剂掺入高钙粉煤灰中，由复合化学外加剂引入的Na2O占高钙粉煤灰的质量百分数为10％～15％，即得试样。
c、将制得的试样在75℃下水热养护4h～24h或室温下养护3d～28d，即得本发明高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料。
进一步，步骤a中所得复合化学外加剂陈化24h后备用。
进一步，步骤b中控制复合化学外加剂和高钙粉煤灰构成的体系的水灰比为0.4。
控制复合化学外加剂的模数M(SiO2)/n(Na2O)为1.5～2.0可使其获得较高的活性，陈化24h后备用可使氢氧化钠和钠水玻璃充分混合进一步增强其活性。
由上述方法制备得到的高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料主要由无定形的无机聚合物组成，各项性能优良，抗压强度性能指标满足《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》(GB175-1999)中42.5R等级普通硅酸盐水泥的要求，并且在提高养护温度时，还可以显著提高其早期强度。因此，该地聚合物胶凝材料在一定范围内能够取代普通硅酸盐水泥运用于实际工程，尤其是对早期强度有较高要求的工程。
具体实施方式
本发明六个实施例的原料高钙粉煤灰均取自某电厂，比表面积为385m2/kg，其主要成分见表1。市售的液体状的钠水玻璃固含量38.3％，含有9.1％Na2O，29.2％SiO2和61.7％的水；氢氧化钠为含99.2％NaOH的化学试剂。
表1本发明用高钙粉煤灰的主要化学成分及含量(wt.％)
Figure GSA00000094984600031
实施例①
a、将氢氧化钠和液体状的钠水玻璃混合，控制其模数M(SiO2)/n(Na2O)为1.5，制成复合化学外加剂，陈化24h后，备用。
b、将复合化学外加剂掺入高钙粉煤灰中，由复合化学外加剂引入的Na2O占高钙粉煤灰的质量百分数为10％，用以激发高钙粉煤灰；控制体系水灰比为0.4，即得试样。
c、将制得的试样在75℃下水热养护4h～24h，即得本发明高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料。
实施例②其余条件和步骤均与实施例①相同，不同之处在于步骤c为：将制得的试样在室温下养护3d～28d，即得本发明高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料。
实施例③
a、将氢氧化钠和液体状的钠水玻璃混合，控制其模数M(SiO2)/n(Na2O)为1.5，制成复合化学外加剂，陈化24h后，备用。
b、将复合化学外加剂掺入高钙粉煤灰中，由复合化学外加剂引入的Na2O占高钙粉煤灰的质量百分数为15％，用以激发高钙粉煤灰；控制体系水灰比为0.4，即得试样。
c、将制得的试样在75℃下水热养护4h～24h，即得本发明高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料。
实施例④其余条件和步骤均与实施例③相同，不同之处在于步骤c为：将制得的试样在室温下养护3d～28d，即得本发明高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料。
实施例⑤
a、将氢氧化钠和液体状的钠水玻璃混合，控制其模数M(SiO2)/n(Na2O)为2.0，制成复合化学外加剂，陈化24h后，备用。
b、将复合化学外加剂掺入高钙粉煤灰中，由复合化学外加剂引入的Na2O占高钙粉煤灰的质量百分数为15％，用以激发高钙粉煤灰；控制体系水灰比为0.4，即得试样。
c、将制得的试样在75℃下水热养护4h～24h，即得本发明高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料。
实施例⑥其余条件和步骤均与实施例⑤相同，不同之处在于步骤c为：将制得的试样在室温下养护3d～28d，即得本发明高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料。
由以上六个实施例制备的地聚合物的基本性能见表2
表2高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料的基本性能
Figure GSA00000094984600041
由上述实施例可知，在室温下养护的高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料各项性能优良，抗压强度性能指标满足《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》(GB175-1999)中42.5R等级普通硅酸盐水泥的要求，并且在提高养护温度时，还可以显著提高其早期强度。因此，该地聚合物胶凝材料在一定范围内能够取代普通硅酸盐水泥运用于实际工程，尤其是对早期强度有较高要求的工程。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料，其特征在于：该地聚合物胶凝材料的原料包括高钙粉煤灰和复合化学外加剂，其中复合化学外加剂由氢氧化钠和液体状的钠水玻璃配制而成，复合化学外加剂的模数M(SiO2)/n(Na2O)为1.5～2.0；所述两种原料之间的量比关系为：由复合化学外加剂引入的Na2O占高钙粉煤灰的质量百分数为10％～15％。
2.权利要求1所述的胶凝材料的制备方法，按以下步骤进行：
a、将氢氧化钠和液体状的钠水玻璃混合，控制其模数M(SiO2)/n(Na2O)为1.5～2.0，制成复合化学外加剂备用；
b、将复合化学外加剂掺入高钙粉煤灰中，由复合化学外加剂引入的Na2O占高钙粉煤灰的质量百分数为10％～15％，即得试样；
c、将制得的试样在75℃下水热养护4h～24h或室温下养护3d～28d，即得本发明高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤a中所得复合化学外加剂陈化24h后备用。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于：在步骤b中控制复合化学外加剂和高钙粉煤灰构成的体系的水灰比为0.4。
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