CN102992717A

CN102992717A - 一种含高分子化合物的偏高岭土基土聚水泥的制备方法

Info

Publication number: CN102992717A
Application number: CN2012104747965A
Authority: CN
Inventors: 张驰; 王静; 罗学刚; 张亚萍
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest Jiaotong University; Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2013-03-27

Abstract

本发明公开了一种含高分子化合物的偏高岭土基土聚水泥的制备方法，其特征是包括：按偏高岭土100质量份、碱激发剂50～70质量份、水10～30质量份、高分子化合物0.1～15质量份的质量配比取各原料；所述碱激发剂由10～40质量份氢氧化钠与30～50质量份水玻璃混合组成；所述高分子化合物是聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、环氧树脂中的任一种；将各原料混合搅拌3～6min成浆体，注入模具中成型；在温度为19～23℃、相对湿度为90%～95%的条件下养护24h.脱模，在标准养护箱中继续养护后，即制得产物。采用本发明，制得的含高分子化合物的偏高岭土基土聚水泥强度高，二氧化碳排放量少，是一种新型环保的绿色水泥。

Description

一种含高分子化合物的偏高岭土基土聚水泥的制备方法

技术领域

本发明属于一种土聚水泥的制备，涉及一种含高分子化合物的偏高岭土基土聚水泥的制备方法。制得的土聚水泥是一性能良好、新型环保的绿色水泥。

背景技术

硅酸盐水泥是建筑工程中不可或缺的建筑材料，但其生产过程中消耗大量的不可再生资源和能源，严重污染了环境，且其耐久性不足。地质聚合物（Geopolymer）是近年发展起来的一类新型无机高聚合胶凝材料,即地聚合物或土聚水泥。由法国科学家Joseph Davidovits（约瑟夫·达维多维茨）教授于20世纪70年代首先发现并命名。相对于硅酸盐水泥，土聚水泥具有丰富的原料资源，能耗低，几乎无污染。土聚水泥水化产物的独特结构决定其具有如下性能:①较高的早期强度,室温条件下养护4h其抗压强度可达15～20MPa,并达到最终强度的70%,其后期强度也不会下降；②良好的施工性能,土聚水泥混凝土制备工艺简单,并能在室温下快速硬化；③节能环保,土聚水泥不依赖于石灰石作原料,比传统波特兰水泥生产中排放二氧化碳少90%；④耐久性好,土聚水泥制得的混凝土硬化后结构致密,抗渗性、抗冻性好;在酸性条件下质量损失小,表现出良好的抗腐蚀性能。由于其独特的性能以及在建筑材料、高强材料、固核固废材料、密封材料和耐高温材料等方面所显示出广阔的应用前景,已成为各国材料科学工作者关注的目标之一。

“Geopolymer（土聚水泥)”一词是法国化学家J.Davdovits教授于上世纪70年代研究古建筑时候发现并研究提出来的。土聚水泥是一种无机聚合硅酸盐材料，又称地质聚合物、土壤聚合物、地聚物、土聚物、矿物聚合物等。土聚水泥是又一种或一种以上的矿物材料或经改性的矿物材料为原料，采用浇筑或压制成型的方法，在较低的温度小发生缩聚反应，形成以共价键、离子键为主的致密的高强度材料。偏高岭土、高炉矿渣、钢渣、粉煤灰、煤矸石、磷渣、各种炉渣等都可作为合成土聚水泥的原料。土聚水泥由硅氧四面体与铝氧四面体相连接形成的无机聚合物结构特征。因此，其既具有有机高聚物、陶瓷的性能又兼水泥的一些特性。

土聚水泥在制备方面相对于普通水泥具有很大的优势，首先偏高岭土基土聚水泥的主要原料是高岭土，而我国是世界上主要的高岭土产国，产量占世界总产量的78%，目前我国高岭土产点有700多处，所以在土聚水泥制备中我国有丰富的原料来源。其次制造土聚水泥的材料不需要高温煅烧和烧结，其反应在常温到150℃就可以完成。而且生产过程中没有NOx、SOx和CO产生，CO₂的排放量也非常低。最后土聚水泥的生产主要以煤系高岭为原料，生产过程中不使用不可再生的石灰石资源，因此可以大大降低CO₂的排放量，CO₂被认为是引起“温室效应”的罪魁祸首，而硅酸盐水泥工业则负有不可推卸的责任，生产1t水泥熟料就要放出1t的CO₂，世界上没增加1t水泥熟料，环境就会多增加1t CO₂的负荷，这一问题已引起人们的极大重视。开发土聚水泥有可能很大程度上解决这一难题，生产土聚水泥相对于硅酸盐水泥能减少80％的CO₂的排放，这对于生态平衡、维持环境协调具有重要意义。

世界各国对土聚水泥进行研究，性能得到不断提高，应用领域也不断扩展。目前，商品名为土聚水泥(Geopolymer)、(PZ-Geopoly)、 (Pyrament) 等系列土聚水泥产品已经投放欧洲市场。前苏联Glukhovsk在50－60年代，系统地研究了土聚合物材料，大力开发这种新型胶凝材料用于建筑工业，并研制了土聚水泥复合材料，Tjipto（芝普托）与Hansen（汉森）利用金属纤维增强土聚水泥，得到抗弯强度为280－350Mpa的制品；此外，还有大量关于土聚水泥的专利文献。如1981年,Dr.Bengt Fross（本特费斯博士）获得利用火山灰制造胶凝材料的专利,法国Davidovits（达维多维茨）获得利用粘土制备胶凝材料专利。Davidovits（达维多维茨）与Legrand（勒格朗）获得利用压力制备地聚合物专利。Davidovits Nicolas（达维多维茨尼古拉斯）获得了纤维增强地聚合物的专利。而国内有关偏高岭土研究的起步很晚,近几年才陆续有一些偏高岭土作为矿物掺合料研究的报道。大部分水泥科研工作者对土聚水泥的原料、水化机理、多种应用等诸多方面进行了深入细致的研究。

在努力提高材料强度的同时,材料的耐久性越来越得到人们的关注。世界各地大型混凝土工程的破坏状况非常严重,每年各国都需要花费巨额的费用在维修方面。土聚水泥具有易脆的特性和抗折强度低等缺陷，通常会影响其广泛的应用，现有土聚水泥的机械性能尚待改善。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术中的不足，提供一种含高分子化合物的偏高岭土基土聚水泥的制备方法，采用本发明制得的土聚水泥，有效提高了土聚水泥的抗压强度，提供一种性能良好的绿色环保型水泥。

本发明的内容是：一种含高分子化合物的偏高岭土基土聚水泥的制备方法，其特征是包括下列步骤：

a、配料：按偏高岭土100质量份、碱激发剂50～70质量份、水10～30质量份、高分子化合物0.1～15质量份的组成和质量配比取各原料组分；

所述碱激发剂由10～40质量份的氢氧化钠与30～50质量份的水玻璃混合组成；

所述高分子化合物是聚乙烯醇（例如：聚乙烯醇1988）、聚丙烯酰胺（例如：阴离子型分子量为300～2200万的聚丙烯酰胺）、环氧树脂（例如：环氧树脂E44）中的任一种；也可以是其它不与碱反应及可溶于水的有机高分子化合物。各高分子化合物均为市售产品，生产企业有成都市科龙化工试剂厂等。

b、混合成型：将步骤a取得的各原料组分混合搅拌3～6min成浆体，再将浆体注入模具中成型（成型制成生产中需要的形状，例如：长方体、正方体形等）。

c、养护：在温度为19～23℃、相对湿度为90%～95%的条件下养护24h.脱模，[可以再在标准养护箱中继续养护后（可以是1d、3d、7d等）、或再经现有技术中的其他方式继续养护后（可以是1d、3d、7d等）]，即制得产物含高分子化合物的偏高岭土基土聚水泥。

本发明的内容中：步骤a所述配料的原料组分中还可以包括有促硬剂六氟硅酸钠1～5质量份、缓凝剂三聚磷酸钠1～5质量份。

本发明的内容中：步骤a中所述偏高岭土较好的是将高岭土经过600～800℃高温脱水2h～4h处理后得到的偏高岭土。

本发明的内容中：步骤a中所述偏高岭土的主要质量百分比化学组成为包括SiO₂ 52.29～52.30%、Al₂O₃44.58～44.59%，余量为TiO₂、Fe₂O₃、 K₂O 、 Na₂O、 CaO、 MgO、Pb和 Mn 等。

本发明的内容中：步骤a中所述水玻璃较好的是模数为3.2～3.3的水玻璃。

与现有技术相比，本发明具有下列特点和有益效果：

（1）采用本发明，在碱性溶液中，硅铝酸盐材料中的Si-O-Si 和Al-O-Al共价键发生断裂，铝酸盐材料发生解体，生成带点的小分子基团，这些带点的小分子基团进入胶体溶液并大量聚集，相互之间反应形成一种硬化结构的缩聚产物；而部分有机高分子可以促进土聚水泥的水化反应的进行，使其浆体硬化更加密实，从而提高其强度；通过上述的制备过程，在土聚水泥的制备过程中添加高分子使其抗压强度大大增强，土聚水泥具有更好的耐久性；

（2）采用本发明，制得的土聚水泥具有有机高聚物、陶瓷、水泥的优良性能 ,又具有原料来源广、工艺简单、节约能源和环境污染小等优点，是一种环保型“绿色建筑材料”；是一种不同于硅酸盐水泥的新型胶凝材料；

（3）我国是世界上主要的高岭土产国，本发明采用偏高岭土来制备土聚水泥（即地聚合物），原料来源丰富，制备过程中相对于硅酸盐水泥能减少80％的CO₂的排放，这对于生态平衡、维持环境协调具有重要意义；

（4）本发明产品制备工艺简单，工序简便，容易操作，实用性强。

具体实施方式

下面给出的实施例拟以对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1：

一种含高分子化合物的偏高岭土基土聚水泥的制备方法，是将10-40质量份的氢氧化钠加入30-50质量份的水玻璃（模数为3.2）中，搅拌制备成碱激发剂。称取100-200质量份偏高岭土，加入1-5质量份的三聚磷酸钠和1-5质量份的六氟硅酸钠，再依次加入碱激发剂40-60质量份和10-40质量份的水，混合搅拌成浆体，加入聚乙烯醇0.1-15质量份。搅拌5min后注入20mm×20mm×20mm的模具，放入温度为在温度为20±3℃，相对湿度为90%-95%的养护箱中养护24h.脱模继续养护到相应龄期（1d、3d或7d），得到最终产物-含高分子化合物的偏高岭土基土聚水泥。测得制得的添加聚乙烯醇的水泥抗压强度高于未添加的水泥强度。

实施例2：

一种含高分子化合物的偏高岭土基土聚水泥的制备方法，是将10-40质量份的氢氧化钠加入30-50质量份的水玻璃（模数为3.2）中，搅拌制备成碱激发剂。称取100-200质量份偏高岭土，加入1-20质量份的聚丙烯酰胺，加入1-5质量份的三聚磷酸钠和六氟硅酸钠，混合均匀，再依次加入碱激发剂40-60质量份和10-40质量份的水，混合搅拌5min成浆体，并注入20mm×20mm×20mm的模具，放入温度为在温度为20±3℃，相对湿度为90%-95%的养护箱中养护24h.脱模继续养护到相应龄期（1d、3d或7d），得到最终产物-含高分子化合物的偏高岭土基土聚水泥。测得制得的水泥抗压强度高于未添加聚丙烯酰胺的水泥强度。

实施例3：

一种含高分子化合物的偏高岭土基土聚水泥的制备方法，是将10-40质量份的氢氧化钠加入30-50质量份的水玻璃（模数为3.2）中，搅拌制备成碱激发剂。称取100-200质量份偏高岭土，加入1-15质量份的环氧树脂，加入1-5质量份的三聚磷酸钠和1-5质量份的六氟硅酸钠，混合均匀，再依次加入碱激发剂40-60质量份和10-40质量份的水，混合搅拌5min成浆体，并注入20mm×20mm×20mm的模具中，放入温度为在温度为20±3℃，相对湿度为90%-95%的养护箱中养护24h.脱模继续养护到相应龄期（1d、3d或7d），得到最终产物-含高分子化合物的偏高岭土基土聚水泥。测得制得的水泥抗压强度高于未添加环氧树脂的水泥强度。

实施例4：

一种含高分子化合物的偏高岭土基土聚水泥的制备方法，包括下列步骤：

所述高分子化合物是聚乙烯醇（例如：聚乙烯醇1988）、聚丙烯酰胺（例如：阴离子型分子量为300～2200万的聚丙烯酰胺）、环氧树脂（例如：环氧树脂E44）中的任一种；也可以是其它不与碱反应及可溶于水的有机高分子化合物。各高分子化合物均为市售产品，生产企业有成都市科龙化工试剂厂等；

实施例5：

a、配料：按偏高岭土100质量份、碱激发剂60质量份、水20质量份、高分子化合物7.5质量份的组成和质量配比取各原料组分；

所述碱激发剂由25质量份的氢氧化钠与40质量份的水玻璃混合组成；

b、混合成型：将步骤a取得的各原料组分混合搅拌5min成浆体，再将浆体注入模具中成型（成型制成生产中需要的形状，例如：长方体、正方体形等）。

c、养护：在温度为19～23℃、相对湿度为90%～95%的条件下养护24h.脱模，[可以再在标准养护箱中继续养护后（可以是1d、3d、7d等）、或再经现有技术中的其他方式继续养护后（可以是1d、3d、7d等）]，即制得产物含高分子化合物的偏高岭土基土聚水泥。经检测，制得的水泥抗压强度高于未添加聚丙烯酰胺的水泥强度。

实施例6：

a、配料：按偏高岭土100质量份、碱激发剂50质量份、水10质量份、高分子化合物0.1质量份的组成和质量配比取各原料组分；

所述碱激发剂由10质量份的氢氧化钠与30质量份的水玻璃混合组成；

b、混合成型：将步骤a取得的各原料组分混合搅拌3min成浆体，再将浆体注入模具中成型（成型制成生产中需要的形状，例如：长方体、正方体形等）。

实施例7：

a、配料：按偏高岭土100质量份、碱激发剂70质量份、水30质量份、高分子化合物15质量份的组成和质量配比取各原料组分；

所述碱激发剂由40质量份的氢氧化钠与50质量份的水玻璃混合组成；

b、混合成型：将步骤a取得的各原料组分混合搅拌6min成浆体，再将浆体注入模具中成型（成型制成生产中需要的形状，例如：长方体、正方体形等）。

c、养护：在温度为19～23℃、相对湿度为90%～95%的条件下养护24h.脱模，在标准养护箱中继续养护后（可以是1d、3d、7d等），即制得产物含高分子化合物的偏高岭土基土聚水泥。经检测，制得的水泥抗压强度高于未添加聚丙烯酰胺的水泥强度。

实施例8～14：

各实施例中各原料组分的具体质量份用量见下表：

Figure 2012104747965100002DEST_PATH_IMAGE002

各实施例中各原料组分的具体质量份用量见下表：

Figure 2012104747965100002DEST_PATH_IMAGE004

实施例15～21：

一种含高分子化合物的偏高岭土基土聚水泥的制备方法，步骤a所述配料的原料组分中还包括有促硬剂六氟硅酸钠1～5质量份、缓凝剂三聚磷酸钠1～5质量份；

各实施例中各原料组分的具体质量份用量见下表：

Figure 2012104747965100002DEST_PATH_IMAGE001

其它同实施例4-14中任一。

上述实施例4-21中，步骤a中所述偏高岭土较好的是将高岭土经过600～800℃高温脱水2h～4h处理后得到的偏高岭土。

上述实施例4-21中，步骤a中所述偏高岭土的主要质量百分比化学组成为包括SiO₂ 52.29～52.30%、Al₂O₃44.58～44.59%，余量为TiO₂、Fe₂O₃、 K₂O 、 Na₂O、 CaO、 MgO、Pb和 Mn 等。

上述实施例4-21中，步骤a中所述水玻璃可以是模数为3.2～3.3的水玻璃。

上述实施例中：所采用的各原料均为市售产品；

上述实施例中：所采用的百分比例中，未特别注明的，均为质量（重量）百分比例；所述质量（重量）份可以均是克或千克。

上述实施例中：各步骤中的工艺参数和各组分用量数值等为范围的，任一点均可适用。

本发明内容及上述实施例中未具体叙述的技术内容同现有技术。

本发明不限于上述实施例，本发明内容所述均可实施并具有所述良好效果。

Claims

1. 一种含高分子化合物的偏高岭土基土聚水泥的制备方法，其特征是包括下列步骤：

所述高分子化合物是聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、环氧树脂中的任一种；

b、混合成型：将步骤a取得的各原料组分混合搅拌3～6min成浆体，再将浆体注入模具中成型；

c、养护：在温度为19～23℃、相对湿度为90%～95%的条件下养护24h.脱模，即制得产物含高分子化合物的偏高岭土基土聚水泥。

2.按权利要求1所述的含高分子化合物的偏高岭土基土聚水泥的制备方法，其特征是：步骤a所述配料的原料组分中还包括有促硬剂六氟硅酸钠1～5质量份、缓凝剂三聚磷酸钠1～5质量份。

3.按权利要求1或2所述的含高分子化合物的偏高岭土基土聚水泥的制备方法，其特征是：步骤a中所述偏高岭土是将高岭土经过600～800℃高温脱水2h～4h处理后得到的偏高岭土。

4.按权利要求3所述的含高分子化合物的偏高岭土基土聚水泥的制备方法，其特征是：步骤a中所述偏高岭土的主要质量百分比化学组成为包括SiO₂ 52.29～52.30%、Al₂O₃44.58～44.59%。

5.按权利要求1或2所述的含高分子化合物的偏高岭土基土聚水泥的制备方法，其特征是：步骤a中所述水玻璃是模数为3.2～3.3的水玻璃。

6.按权利要求3所述的含高分子化合物的偏高岭土基土聚水泥的制备方法，其特征是：步骤a中所述水玻璃是模数为3.2～3.3的水玻璃。