CN106587680B - 一种降低无机聚合物胶凝材料体积收缩的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降低无机聚合物胶凝材料体积收缩的方法。该方法是向无机聚合物胶凝材料添加补偿收缩外加剂，混合均匀，再加水后即可；所述的补偿收缩外加剂为高活性氧化镁与纳米二氧化硅混合而成。通过本发明的方法，在保证了无机聚合物强度的同时，显著改善了无机聚合物硬化浆体的体积收缩，对提高水泥基材料的体积稳定性和耐久性具有重大的科学价值。这有助于高效利用矿渣、粉煤灰等工业废渣生产强度高、体积稳定性好的无机聚合物胶凝材料，对保护环境、实现社会的可持续发展都有非常重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种降低无机聚合物胶凝材料体积收缩的方法，属于土木工程材料领域。
背景技术
在土木工程中，凡是经过一系列物理、化学变化，能将其他固体物料胶结成整体并具有一定机械强度的物质，统称为胶凝材料。目前，在土木工程中常用的胶凝材料是硅酸盐系列水泥。但是，硅酸盐系列水泥是通过“两磨一烧”的工艺生产的，生产过程消耗大量能源，放出大量CO2和粉尘，所以，寻找其它更环保节能的胶凝材料一直是这一领域研究的热点。无机聚合物胶凝材料就是一类环保型的新型胶凝材料，由碱性激发剂和潜在胶凝材料组分组成，其中碱性激发剂是苛性碱（MOH）和非硅酸盐的酸盐（M2CO3、M2SO3、M3PO4、MF等；M为碱金属）；潜在胶凝材料组分为粒化高炉矿渣、粒化磷渣、钢渣、粉煤灰、高岭土或其中两种、两种以上的混合物。无机聚合物胶凝材料不需要煅烧，可以利用大量工业废渣，而且还发现这类胶凝材料的反应产物具有三维网状结构（与普通水泥有本质区别），所以，近几年这类胶凝材料引起了相关领域研究者的极大兴趣。
无机聚合物胶凝材料是单一或复合的具有潜在活性的铝硅酸盐固体废料被碱性激发剂激发而得的。从本质上来说，它包含两种组分，一种是在胶凝体系中参与反应的碱性盐（固体或溶液），另一种是固体硅酸盐。常见的可作为胶凝组分的固体硅酸盐类有粉煤灰、高炉矿渣、磷渣、钢渣、火山玻璃、偏高岭土、硅灰和其他有色金属渣等。其中被认为效果最好的是高炉矿渣，其所得的胶凝材料机械性能最佳。常见的碱性激发剂则主要有：苛性碱如氢氧化钾和氢氧化钠，硅酸盐如水玻璃，非硅酸盐的弱酸盐如碳酸盐、亚硫酸盐和磷酸盐等、铝酸盐及非硅酸盐的强酸盐等。碱性激发剂能提高反应物的pH值并加速固体胶凝组分的溶解。Scrivener等认为无机聚合物水泥的最佳激发剂为水玻璃。无机聚合物胶凝材料的出现对环境保护很有意义，不仅因为其生产制备释放的温室气体比传统水泥有大幅减少，还因为其制备过程中利用了大量的固体废料，如粉煤灰，矿渣等。
1930年德国的Kuhl首次研究了矿渣在苛性碱溶液中的激活特性；1940年比利时的Purdon对矿渣苛性碱或矿渣+碱+碱金属盐进行了研究；1957年前苏联Glukhovsky提出了土壤水泥的概念；1982年法国的Davidovits发明了地聚合物水泥（又称金字塔水泥、地聚水泥），这类胶凝材料由无机聚合物煅烧高岭土制成。近几年我国学者也对无机聚合物胶凝材料做了大量工作。
目前，主要集中在这类材料的配制、强度发展的研究。研究过程中也发现该类胶凝材料存在一些问题：如凝结时间过短、泛碱、开裂和起灰等。其中前两种问题可以通过调整激发剂的模数或加入外加剂和适当养护解决，但无机聚合物水泥的收缩开裂一直没能得到很好的解决，对于无机聚合物胶凝材料的体积变化研究也较少。无机聚合物胶凝材料收缩较大的主要原因是其水化产物多为C-(A)-S-H凝胶，C-(A)-S-H凝胶失水会导致体积的收缩，从而使无机聚合物胶凝材料产生大量的裂缝。无机聚聚合物胶凝材料的体积变化是制约此类材料应用的关键问题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降低无机聚合物胶凝材料体积收缩的方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种降低无机聚合物胶凝材料体积收缩的方法，是向无机聚合物胶凝材料添加补偿收缩外加剂，混合均匀，再加水后即可；所述的补偿收缩外加剂为活性氧化镁与纳米二氧化硅混合而成。
所述的外加剂中，活性氧化镁与纳米二氧化硅的质量比为1:（0.8~1.2）。
所述的活性氧化镁中氧化镁的含量为40~96wt%，活性指标为20~45s。
所述的纳米二氧化硅的中位径≤50nm。
所述的外加剂占无机聚合物胶凝材料的掺量≤8wt%。
所述的无机聚合物胶凝材料为碱激发胶凝材料、地质聚合物材料、土壤聚合无胶凝材料中的至少一种。
本发明的有益效果是：通过本发明的方法，在保证了无机聚合物强度的同时，显著改善了无机聚合物硬化浆体的体积收缩，对提高水泥基材料的体积稳定性和耐久性具有重大的科学价值。这有助于高效利用矿渣、粉煤灰等工业废渣生产强度高、体积稳定性好的无机聚合物胶凝材料，对保护环境、实现社会的可持续发展都有非常重要的意义。
具体如下：
1、本发明针对无机聚合物胶凝材料快硬早强的特点以及体积收缩较大的问题，通过添加一种具有补偿收缩效果的外加剂与无机聚合物胶凝材料混合，该类外加剂由高活性氧化镁和纳米二氧化硅按照一定比例混合。加水之后外加剂在无机聚合物胶凝材料高碱度下与水反应生成具有补偿收缩效果的产物，具有补偿效果的反应产物均匀分布在硬化浆体中使无机聚合物胶凝材料体积收缩减少，提高了无机聚合物胶凝材料的体积稳定性。
2、本发明有助于高效利用矿渣、粉煤灰等工业废渣生产强度高、体积稳定性好的无机聚合物胶凝材料。既减少工业废渣带来的环境污染，降低钢铁、电力等工业对环境的负荷，又节约大量的自然资源和能源，对建材工业的节约能源、降低能耗、降低成本、减少CO2、SOx、NOx等污染气体的排放以及对保护环境、实现社会的可持续发展都有非常重要的意义。
附图说明
附图1是外加剂掺量对无机聚合物自收缩影响的曲线图；
附图2是外加剂掺量对无机聚合物化学收缩影响的曲线图；
附图3是外加剂掺量对无机聚合物干燥收缩影响的曲线图。
具体实施方式
一种降低无机聚合物胶凝材料体积收缩的方法，是向无机聚合物胶凝材料添加补偿收缩外加剂，混合均匀，再加水后即可；所述的补偿收缩外加剂为活性氧化镁与纳米二氧化硅混合而成。
优选的，所述的外加剂中，活性氧化镁与纳米二氧化硅的质量比为1:（0.8~1.2）；进一步优选的，所述的外加剂中，活性氧化镁与纳米二氧化硅的质量比为1:（0.9~1.1）；最优选的，所述的外加剂中，活性氧化镁与纳米二氧化硅的质量比为1:1。
优选的，所述的活性氧化镁中氧化镁的含量为40~96wt%，活性指标为20~45s，活性测试参照标准《有色冶金-YBT 4019-2006 轻烧氧化镁化学活性测定方法》；进一步优选的，所述的活性氧化镁中氧化镁的含量为80~96wt%，活性指标为35~45s。
优选的，所述的纳米二氧化硅的中位径≤50nm。
优选的，所述的外加剂占无机聚合物胶凝材料的掺量≤8wt%。
所述的无机聚合物胶凝材料为碱激发胶凝材料、地质聚合物材料、土壤聚合无胶凝材料中的至少一种。
本发明针对无机聚合物具有快硬早强这一特点，采用高活性氧化镁与纳米二氧化硅均匀混合加入到无机聚合物中，使其在无机聚合物中均匀分布。加水拌合之后外加剂中的高活性氧化镁与水快速反应生成Mg(OH)2，弥补无机聚合物反应速率过快，早期体积收缩较大的问题。其中的纳米二氧化硅在高碱度下解离并与生成的Mg(OH)2反应生成水化硅酸镁凝胶，进一步填充孔隙，降低硬化浆体的体积收缩。
以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。
实施例：
向无机聚合物胶凝材料添加补偿收缩外加剂，外加剂在无机聚合物中的掺量分别为4%、6%和8%。外加剂中活性氧化镁和纳米二氧化硅的比例为1:1，其中活性氧化镁的活性为40s，活性氧化镁中氧化镁的含量为95wt%，纳米二氧化硅的中位径为50nm。将外加剂与无机聚合物混合均匀，加水拌合制备成浆体，分别测试其自收缩、化学收缩和干燥收缩。同时以不向无机聚合物胶凝材料添加补偿收缩外加剂作为对比例，即外加剂在无机聚合物中的掺量分别为0%。不同掺量的自收缩影响的曲线图见附图1，不同掺量的化学缩影响的曲线图见附图2，不同掺量的干燥缩影响的曲线图见附图3。
从附图1~3可见，与不添加补偿收缩外加剂的无机聚合物胶凝材料对比，添加了外加剂的无机聚合物胶凝材料，其自收缩、化学收缩和干燥收缩均有明显的下降。并且随着外加剂掺量的增加，收缩率也随之下降。所以说，加水之后外加剂在无机聚合物胶凝材料高碱度下与水反应生成具有补偿收缩效果的产物，具有补偿效果的反应产物均匀分布在硬化浆体中使无机聚合物胶凝材料体积收缩减少，提高了无机聚合物胶凝材料的体积稳定性。
Claims (5)
1.一种降低无机聚合物胶凝材料体积收缩的方法，其特征在于：向无机聚合物胶凝材料添加补偿收缩外加剂，混合均匀，再加水后即可；所述的补偿收缩外加剂为活性氧化镁与纳米二氧化硅以质量比为1:(0.8～1.2)混合而成。
2.根据权利要求1所述的一种降低无机聚合物胶凝材料体积收缩的方法，其特征在于：所述的活性氧化镁中氧化镁的含量为40～96wt％，活性指标为20～45s。
3.根据权利要求1所述的一种降低无机聚合物胶凝材料体积收缩的方法，其特征在于：所述的纳米二氧化硅的中位径≤50nm。
4.根据权利要求1所述的一种降低无机聚合物胶凝材料体积收缩的方法，其特征在于：所述的外加剂占无机聚合物胶凝材料的掺量≤8wt％。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种降低无机聚合物胶凝材料体积收缩的方法，其特征在于：所述的无机聚合物胶凝材料为碱激发胶凝材料、地质聚合物材料、土壤聚合物胶凝材料中的至少一种。
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