CN105693164A - 一种氨基硅烷改性生态纳米胶凝材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氨基硅烷改性生态纳米胶凝材料及其制备方法，其水灰比为0.15～0.35；按照质量百分含量，该胶凝材料除水以外的原料由以下组分组成：水泥为35％～55％，生态纳米材料为3％～11％，石灰石粉10％～20％，粉煤灰为30％～40％，氨基硅烷改性剂为0.013％～0.024％，减水剂为0.2％～2％。本发明通过对生态纳米材料硅灰进行预分散处理，大大提高了生态纳米材料在水泥基材料中的分散性，使得生态纳米材料的微集料效应、填充效应和火山灰效应得到了更充分的发挥，更加有效的改善了胶凝材料的微观结构、物理力学性能和耐久性等性能。

Description

一种氨基硅烷改性生态纳米胶凝材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种氨基硅烷改性生态纳米胶凝材料及其制备方法。

背景技术

硅灰是一种被称为具有微纳米颗粒的生态纳米材料，早已被广泛应用于水泥混凝土等建材的配置使用中。硅灰具有良好的火山灰效应和微粒填充效应，可以显著改善水泥基材料微结构，提高其力学和耐久性等性能。也正是因为硅灰极高的表面积和表面能，硅灰颗粒在自然状态下极易团聚，从而导致微纳米级硅灰诸多优异的特性完全丧失，实际使用效果不佳，因此，关于如何消除硅灰颗粒之间的团聚效应，一直是研究的重点和热点。

为此本研究提供了一种新的硅灰分散改性方法，该方法主要借助硅灰表面存在羟基，选择适当的亲水性硅烷偶联剂，在适当的改性制度下将氨基硅烷接枝到硅灰颗粒表面，从而起到空间位阻的效果以提高硅灰的分散效果，同时借助于氨基硅烷中氨基官能团的正电性，将硅灰表面负电性改性为正电性，然后结合阴离子分散剂投入到水泥基材料的配置使用中，从而实现更好的分散效果，主要改性机理如图1所示。

专利CN102964881B公开了“一种氨基/巯基硅烷改性二氧化硅及其制备方法”，在该专利的改性剂中氨基硅烷也被利用到，但是在该专利中氨基硅烷主要被用作催化剂，同时该专利主要的分散对象是纳米二氧化硅，而本专利的分散对象是硅灰，这是两种完全不同的物质，它们的表面特性完全不同。在橡胶工业领域硅烷偶联剂在纳米材料的分散剂中扮演着重要的角色，但是在橡胶材料领域，大部分基体呈弱酸性，而水泥材料基体则呈现强碱性，氨基硅灰在酸碱状态下的聚合状态也是完全不同的，因此，无法通过推演专利CN102964881B所述方法来分散硅灰。众所周知，在水泥混凝土领域，减水剂才是最重要的分散剂，本发明的主要创新点是借助氨基硅烷对硅灰表面起到了桥梁和电性转换的作用，从而提高减水剂的吸附量以提高分散效果，而且接枝到硅灰表面的氨基硅烷同时也增强了空间位阻效应，使硅灰颗粒的长期分散状态更加稳定。由此可见，本发明采用氨基硅烷对硅灰表面改性的技术和原理均不同于专利CN102964881B，具有显著的创新性。本发明经过大量的实验研究，确定的制备工艺具有简单高效等特征，完全适用于水泥混凝土领域采用硅灰制备生态纳米材料以及胶凝材料的特殊需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氨基硅烷改性生态纳米胶凝材料及其制备方法，制备工艺简单、流动性好、强度高、耐久性好。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种氨基硅烷改性生态纳米胶凝材料，其水灰比为0.15～0.35；按照质量百分含量，该胶凝材料除水以外的原料由以下组分组成：水泥为35％～55％，生态纳米材料为3％～11％，石灰石粉10％～20％，粉煤灰为30％～40％，氨基硅烷改性剂为0.013％～0.024％，减水剂为0.2％～2％。

进一步的，所述的水泥为标号为普通42.5级硅酸盐水泥。

进一步的，所述的生态纳米材料为硅灰，其SiO₂含量大于92％。

进一步的，所述的石灰石粉的碳酸钙含量大于95％wt，平均粒径为5～20μm。

进一步的，所述的粉煤灰为优质F类I级低钙粉煤灰，其中游离CaO的质量含量<1％。

进一步的，所述的氨基硅烷改性剂为KH551(3-氨丙基三甲氧基硅烷)、KH902(3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷)、KH792(N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷)、KH791(N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷)、KH602(N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷)中的一种。

进一步的，所述的减水剂为聚羧酸系高效减水剂，其固含量≥40％，减水率≥40％。

一种制备上述的氨基硅烷改性生态纳米胶凝材料的方法，包括如下步骤：

(1)生态纳米材料改性：将按预定配合比称量好的氨基硅烷改性剂和水混合配置硅烷溶液，然后将按预定配比称量好的生态纳米材料与配置好的氨基硅烷改性剂溶液混合配置浆体，并用磁力加热搅拌机以1000r/min的转速在75℃下磁力加热搅拌1h，然后待冷却至室温，此时生态纳米材料被改性成功以备用；

(2)将步骤(1)中改性成功的生态纳米材料倒入水泥净浆搅拌机中，用水量即为步骤(1)中改性成功后的生态纳米材料中所含有的水，然后加入按照预定配比称量好的减水剂，以140r/min的转速慢搅1-2分钟；然后依次加入按预定配比称量好的水泥、石灰石粉、粉煤灰，以140r/min的转速慢搅1-2分钟，以285r/min的转速快搅2-4分钟，然后将搅拌均匀的混合料浇入模具中振动成型，20℃标准养护28天即得氨基硅烷改性生态纳米胶凝材料。

有益效果：本发明提供了一种氨基硅烷改性生态纳米胶凝材料及其制备方法，同时提供了一种生态纳米材料的改性方法。本发明通过对生态纳米材料硅灰进行预分散处理，大大提高了生态纳米材料在水泥基材料中的分散性，使得生态纳米材料的微集料效应、填充效应和火山灰效应得到了更充分的发挥，更加有效的改善了胶凝材料的微观结构、物理力学性能和耐久性等性能。

附图说明

图1为氨基硅烷改性硅灰机理的示意图；

图2为实施例1中改性后硅灰和未改性硅灰的表面电位对比图；

图3为实施例1中改性后硅灰和未改性硅灰结合减水剂后的微观形貌对比图。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明。

流动度测试按《混凝土外加剂匀质性试验方法》GBT8077-2012中的“13.水泥净浆流动度”进行。

抗折、抗压强度测试按《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》GB/T17671-1999进行。

所有原材料均为市售成品。所述的水泥为标号为普通42.5级硅酸盐水泥。所述的生态纳米材料为市售普通硅灰，SiO₂含量大于92％wt。所述的石灰石粉的碳酸钙含量大于95％wt，平均粒径5～20μm。所述的粉煤灰为优质F类I级低钙粉煤灰，游离CaO含量<1％。所述的氨基硅烷改性剂为KH551(3-氨丙基三甲氧基硅烷)、KH902(3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷)、、KH792(N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷)、KH791(N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷)、KH602(N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷)中的一种。所述的减水剂为聚羧酸系高效减水剂，固含量≥40％，减水率≥40％。

实施例1

一种氨基硅烷改性生态纳米胶凝材料，按重量计，水灰比为0.15，除水以外的其它组分以及质量百分含量如下：水泥为35％，生态纳米材料为3％，石灰石粉19.987％，优质I级低钙粉煤灰为40％，氨基硅烷改性剂为0.013％，聚羧酸高效减水剂为2％。

改性前后硅灰颗粒的表面电位图如图1所示，图片显示改性硅灰颗粒电位被转变成正电位；改性前后的硅灰颗粒结合减水剂的微观形貌对比图如图2所示，图片显示改性后硅灰的分散性明显提高。

实施例2

一种氨基硅烷改性生态纳米胶凝材料，按重量计，水灰比为0.20，除水以外的其它组分以及质量百分含量如下：水泥为38.5％，生态纳米材料为5％，石灰石粉17％，优质I级低钙粉煤灰为38％，氨基硅烷改性剂为0.017％，高效减水剂为1.483％。

实施例3

一种氨基硅烷改性生态纳米胶凝材料，按重量计，水灰比为0.25，除水以外的其它组分以及质量百分含量如下：水泥为42％，生态纳米材料为11％，石灰石粉14％，优质I级低钙粉煤灰为32％，氨基硅烷改性剂为0.024％，高效减水剂为0.976％。

实施例4

一种氨基硅烷改性生态纳米胶凝材料，按重量计，水灰比为0.30，除水以外的其它组分以及质量百分含量如下：水泥为55％，生态纳米材料为3.5％，石灰石粉10％，优质I级低钙粉煤灰为30％，氨基硅烷改性剂为0.015％，高效减水剂为1.485％。

实施例5

一种氨基硅烷改性生态纳米胶凝材料，按重量计，水灰比为0.35，除水以外的其它组分以及质量百分含量如下：水泥为36％，生态纳米材料为3.784％，石灰石粉20％，优质I级低钙粉煤灰为40％，氨基硅烷改性剂为0.016％，高效减水剂为0.2％。

实施例1-实施例5所述的氨基硅烷改性生态纳米胶凝材料的制备方法,包括以下步骤：

(1)生态纳米材料改性：将按预定配合比称量好的硅烷改性剂和水混合配置硅烷溶液，然后将按预定配比称量好的硅灰与配置好的硅烷溶液混合配置硅灰浆体，并用磁力加热搅拌机以1000r/min的转速在75℃下磁力加热搅拌1h，然后待冷却至室温，此时生态纳米材料被改性成功以备用。

(2)将步骤(1)中改性成功的生态纳米材料倒入水泥净浆搅拌机中，用水量即为步骤(1)中改性成功后的生态纳米材料中所含有的水，然后加入按照预定配比称量好的减水剂，以140r/min的转速慢搅1-2分钟；然后依次加入按预定配比称量好的水泥、石灰石粉、粉煤灰，以140r/min的转速慢搅1-2分钟，以285r/min的转速快搅2-4分钟，然后将搅拌均匀的混合料浇入模具中振动成型，20℃标准养护28天即得氨基硅烷改性生态纳米胶凝材料。

表1

注：表1中的实施例参比样和相对应实施例的配合比相同，不同的是其中的硅灰为未改性过的硅灰。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种氨基硅烷改性生态纳米胶凝材料，其特征在于：其水灰比为0.15～0.35；按照质量百分含量，该胶凝材料除水以外的原料由以下组分组成：水泥为35％～55％，生态纳米材料为3％～11％，石灰石粉10％～20％，粉煤灰为30％～40％，氨基硅烷改性剂为0.013％～0.024％，减水剂为0.2％～2％。

2.根据权利要求1所述的氨基硅烷改性生态纳米胶凝材料，其特征在于：所述的水泥为标号为普通42.5级硅酸盐水泥。

3.根据权利要求1所述的氨基硅烷改性生态纳米胶凝材料，其特征在于：所述的生态纳米材料为硅灰，其SiO₂含量大于92％。

4.根据权利要求1所述的氨基硅烷改性生态纳米胶凝材料，其特征在于：所述的石灰石粉的碳酸钙含量大于95％wt，平均粒径为5～20μm。

5.根据权利要求1所述的氨基硅烷改性生态纳米胶凝材料，其特征在于：所述的粉煤灰为优质F类I级低钙粉煤灰，其中游离CaO的质量含量<1％。

6.根据权利要求1所述的氨基硅烷改性生态纳米胶凝材料，其特征在于：所述的氨基硅烷改性剂为KH551(3-氨丙基三甲氧基硅烷)、KH902(3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷)、KH792(N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷)、KH791(N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷)、KH602(N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷)中的一种。

7.根据权利要求1所述的氨基硅烷改性生态纳米胶凝材料，其特征在于：所述的减水剂为聚羧酸系高效减水剂，其固含量≥40％，减水率≥40％。

8.一种制备如权利要求1～7任一所述的氨基硅烷改性生态纳米胶凝材料的方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)生态纳米材料改性：将按预定配合比称量好的氨基硅烷改性剂和水混合配置硅烷溶液，然后将按预定配比称量好的生态纳米材料与配置好的氨基硅烷改性剂溶液混合配置浆体，并用磁力加热搅拌机以1000r/min的转速在75℃下磁力加热搅拌1h，然后待冷却至室温，此时生态纳米材料被改性成功以备用；

(2)将步骤(1)中改性成功的生态纳米材料倒入水泥净浆搅拌机中，用水量即为步骤(1)中改性成功后的生态纳米材料中所含有的水，然后加入按照预定配比称量好的减水剂，以140r/min的转速慢搅1-2分钟；然后依次加入按预定配比称量好的水泥、石灰石粉、粉煤灰，以140r/min的转速慢搅1-2分钟，以285r/min的转速快搅2-4分钟，然后将搅拌均匀的混合料浇入模具中振动成型，20℃标准养护28天即得氨基硅烷改性生态纳米胶凝材料。