CN107746212A - 一种改性增强型地聚物胶凝材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改性增强型地聚物胶凝材料，包括以下组分：复配硅铝质粉料40‑60份、复配碱激发剂70‑90份、改性剂5‑15份，缩合磷酸盐促进剂2‑6份，所述复配硅铝质粉料包括偏高岭土20‑30份、粉煤灰10‑20份、矿渣5‑10份、钢渣5‑10份，硅灰4‑6份及纳米二氧化硅1‑2份。本发明还公开了上述改性增强型地聚物胶凝材料的制备方法。本发明的产物在酸碱侵蚀环境中的化学安定性高、力学强度高。

Description

一种改性增强型地聚物胶凝材料及其制备方法

技术领域

本发明属于无机胶凝材料技术领域，尤其是涉及一种改性增强型地聚物胶凝材料及其制备方法。

背景技术

地聚物是一种新型的无机材料，它由具有活性的硅铝质材料在碱性环境下发生溶出、地聚合反应生成，基体由[SiO₄]四面体和[AlO₄]四面体聚合形成的三维空间网络结构组成，化学结构呈现非晶质至半晶质相，其抗压强度可以达到40-80MPa，耐火温度达到900-1100℃。与传统硅酸盐水泥相比，地聚物具有更为优异的热稳定性与耐腐蚀性能。同时，地聚物生产过程中的碳排放量和能耗分别是普通硅酸盐水泥的20％和40％，因此具有显著的低碳特性。

专利CN201610141817.X提出了一种增强型的地聚物胶凝材料，其反应机理依靠磷酸盐与多聚磷酸盐水解促进地聚反应，同时生成包裹碱金属阳离子的含磷复盐作为第二相，增强了地聚物的力学性能。但由于该方法生成的含磷复盐中包裹的碱金属阳离子(主要是钠、钾离子)仍具有较高的化学活性，因此产物在侵蚀环境中的化学安定性仍存在问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种具有更高化学安定性的改性增强型地聚物胶凝材料及其相应的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种改性增强型地聚物胶凝材料，包括以下组分：复配硅铝质粉料40-60份、复配碱激发剂70-90份、改性剂5-15份，缩合磷酸盐促进剂2-6份，所述复配硅铝质粉料包括偏高岭土20-30份、粉煤灰10-20份、矿渣5-10份、钢渣5-10份，硅灰4-6份及纳米二氧化硅1-2份。

进一步的，所述复配碱激发剂包括液体硅酸钠、液体硅酸钾或其组合50-70份，固体氢氧化钠、固体氢氧化钾或其组合5-15份，去离子水5-20份。

进一步的，所述氢氧化钠或氢氧化钾为分析纯，有效成分含量大于95％。

进一步的，所述液体硅酸钠或液体硅酸钾的模数为1.0-2.2，固含量为30-60％。

进一步的，所述偏高岭土为优质高岭土经750-850℃煅烧得到，粒径为0.1-100微米。

进一步的，所述粉煤灰为一级灰，粒径为0.1-100微米；所述矿渣为105级渣，粒径为0.1-100微米；所述钢渣为水淬电炉钢渣，粒径为0.1-100微米；所述硅灰粒径0.1-100微米，纳米二氧化硅为1-100纳米。

进一步的，所述缩合磷酸盐促进剂由三聚磷酸盐经二次缩合得到，其聚合度高于三聚磷酸盐，所述缩合磷酸盐为缩合磷酸钠、缩合磷酸钾、缩合磷酸铝、缩合磷酸镁、缩合磷酸锌中的一种或几种的组合。

进一步的，所述缩合磷酸盐促进剂为缩合磷酸铝，其由三聚磷酸铝在450℃下二次缩合4小时，后经水花、干燥、粉碎和过筛得到。

进一步的，所述改性剂为活性纯铝酸钙粉末或铝酸钙水泥，该活性铝酸钙粉末和铝酸钙水泥中氧化铝含量大于65％，氧化钙含量大于25％。

本发明还公开了一种改性增强型地聚物胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

1)复配硅铝质粉料的制备，将偏高岭土、粉煤灰、矿渣、钢渣、硅灰和二氧化硅按比例混合研磨得到；

2)复配粉料的制备，将复配硅铝质粉料、缩合磷酸盐促进剂和改性剂按比例混合研磨得到；

3)复配碱性激发剂的制备，将氢氧化钠或氢氧化钾按比例溶解到液体硅酸钠或液体硅酸钾中，加入去离子水调节浓度，冷却至室温并静置24h得到；

4)改性增强型地聚物的制备，将步骤3)中得到的复配碱性激发剂不断搅拌，并加入步骤2)中得到的复配粉料，混合均匀后再持续搅拌5-10min即得。

本发明的有益效果是：改性剂在地聚物浆体中水化，解离出Ca²⁺离子并与磷酸盐促进剂水解产生的PO₃ ^2-和HPO₄ ^2-结合，生成以钙离子为核心的复盐相Ca_xH_y(PO₄)_z·nH₂O，该复盐相具有高于钠、钾离子磷酸复盐相的化学安定性。同时，改性剂水化与缩合磷酸盐水解都产生较多的[Al(OH)₄]-基团并参与到地聚反应当中，促进地聚物凝胶生成。因此，最终所得地聚物材料具有较高的力学强度，且在酸碱侵蚀环境中具有更高的化学安定性。由于改性剂与磷酸盐促进剂对地聚物体系具有双促效应，因此产物的凝结速度快于磷酸盐或多聚磷酸盐的单促速度。为避免凝结速度过快造成的成型工艺上的困难，特别选择比多聚磷酸盐具有更高聚合度、水解更加缓慢持久的缩合磷酸盐作为促进剂，与改性剂配合对地聚物基体进行改性增强。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1

1)将优质高岭土经750℃煅烧得到、粒径为0.1-100微米的偏高岭土30份、粒径0.1-100微米的一级灰粉煤灰10份、粒径0.1-100微米的105级矿渣5份、粒径0.1-100微米的水淬电炉钢渣钢渣10份、0.1-100微米的硅灰4份和二氧化硅2份按比例混合、研磨得到复配硅铝质粉料；

2)取40份步骤1)中所得复配硅铝质粉料，与2份由三聚磷酸铝在450℃下二次缩合4小时，后经水花、干燥、粉碎和过筛得到的缩合磷酸铝、5份活性铝酸钙混合、研磨得到复配粉料；

3)将氢氧化钠5份溶解到70份固含量为40％的液体硅酸钠中，加入5份去离子水调节浓度，冷却至室温并静置24h得到复配碱激发剂；

4)取步骤3)中得到的复配碱激发剂70份不断搅拌，并加入步骤1)中得到的复配粉料，混合均匀后再持续搅拌5min得到改性增强型地聚物胶凝材料a。

实施例2

1)将优质高岭土经800℃煅烧得到、粒径为0.1-100微米的偏高岭土25份、粒径0.1-100微米的一级灰粉煤灰15份、粒径0.1-100微米的105级矿渣8份、粒径0.1-100微米的水淬电炉钢渣钢渣7份、0.1-100微米的硅灰5份和二氧化硅1.5份按比例混合、研磨得到复配硅铝质粉料；

2)取50份步骤1)中所得复配硅铝质粉料，与4份由三聚磷酸铝在450℃下二次缩合4小时，后经水花、干燥、粉碎和过筛得到的缩合磷酸铝、10份铝酸钙水泥混合、研磨得到复配粉料；

3)将氢氧化钠10份溶解到60份固含量为50％的液体硅酸钠中，加入12份去离子水调节浓度，冷却至室温并静置24h得到复配碱激发剂；

4)取步骤3)中得到的复配碱激发剂80份不断搅拌，并加入步骤1)中得到的复配粉料，混合均匀后再持续搅拌8min得到改性增强型地聚物胶凝材料b。

实施例3

1)将优质高岭土经850℃煅烧得到、粒径为0.1-100微米的偏高岭土20份、粒径0.1-100微米的一级灰粉煤灰20份、粒径0.1-100微米的105级矿渣10份、粒径0.1-100微米的水淬电炉钢渣钢渣5份、0.1-100微米的硅灰6份和二氧化硅1份按比例混合、研磨得到复配硅铝质粉料；

2)取60份步骤1)中所得复配硅铝质粉料，与6份由三聚磷酸铝在450℃下二次缩合4小时，后经水花、干燥、粉碎和过筛得到的缩合磷酸铝、8份活性铝酸钙、7份铝酸钙水泥混合、研磨得到复配粉料；

3)将氢氧化钠7份、氢氧化钾8份溶解到35份固含量为50％的液体硅酸钠和35份固含量为45％的液体硅酸钾中，加入20份去离子水调节浓度，冷却至室温并静置24h得到复配碱激发剂；

4)取步骤3)中得到的复配碱激发剂90份不断搅拌，并加入步骤1)中得到的复配粉料，混合均匀后再持续搅拌10mi n得到改性增强型地聚物胶凝材料c。

表1 2％稀硫酸中浸泡的样品强度

通过对磷酸铝增强地聚物胶凝材料的化学改性，进一步提高了材料的化学稳定性。与改性前材料相比，改性后材料保持了较高的力学强度，同时增强了材料的耐久性能。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种改性增强型地聚物胶凝材料，其特征在于包括以下组分：复配硅铝质粉料40-60份、复配碱激发剂70-90份、改性剂5-15份，缩合磷酸盐促进剂2-6份，所述复配硅铝质粉料包括偏高岭土20-30份、粉煤灰10-20份、矿渣5-10份、钢渣5-10份，硅灰4-6份及纳米二氧化硅1-2份。

2.根据权利要求1所述的改性增强型地聚物胶凝材料，其特征在于：所述复配碱激发剂包括液体硅酸钠、液体硅酸钾或其组合50-70份，固体氢氧化钠、固体氢氧化钾或其组合5-15份，去离子水5-20份。

3.根据权利要求1所述的改性增强型地聚物胶凝材料，其特征在于：所述氢氧化钠或氢氧化钾为分析纯，有效成分含量大于95％。

4.根据权利要求1所述的改性增强型地聚物胶凝材料，其特征在于：所述液体硅酸钠或液体硅酸钾的模数为1.0-2.2，固含量为30-60％。

5.根据权利要求1所述的改性增强型地聚物胶凝材料，其特征在于：所述偏高岭土为优质高岭土经750-850℃煅烧得到，粒径为0.1-100微米。

6.根据权利要求1所述的改性增强型地聚物胶凝材料，其特征在于：所述粉煤灰为一级灰，粒径为0.1-100微米；所述矿渣为105级渣，粒径为0.1-100微米；所述钢渣为水淬电炉钢渣，粒径为0.1-100微米；所述硅灰粒径0.1-100微米，纳米二氧化硅为1-100纳米。

7.根据权利要求1所述的改性增强型地聚物胶凝材料，其特征在于：所述缩合磷酸盐促进剂由三聚磷酸盐经二次缩合得到，其聚合度高于三聚磷酸盐，所述缩合磷酸盐为缩合磷酸钠、缩合磷酸钾、缩合磷酸铝、缩合磷酸镁、缩合磷酸锌中的一种或几种的组合。

8.根据权利要求7所述的改性增强型地聚物胶凝材料，其特征在于：所述缩合磷酸盐促进剂为缩合磷酸铝，其由三聚磷酸铝在450℃下二次缩合4小时，后经水花、干燥、粉碎和过筛得到。

9.根据权利要求1所述的改性增强型地聚物胶凝材料，其特征在于：所述改性剂为活性纯铝酸钙粉末或铝酸钙水泥，该活性铝酸钙粉末和铝酸钙水泥中氧化铝含量大于65％，氧化钙含量大于25％。

10.一种改性增强型地聚物胶凝材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)复配硅铝质粉料的制备，将偏高岭土、粉煤灰、矿渣、钢渣、硅灰和二氧化硅按比例混合研磨得到；

2)复配粉料的制备，将复配硅铝质粉料、缩合磷酸盐促进剂和改性剂按比例混合研磨得到；

3)复配碱性激发剂的制备，将氢氧化钠或氢氧化钾按比例溶解到液体硅酸钠或液体硅酸钾中，加入去离子水调节浓度，冷却至室温并静置24h得到；

4)改性增强型地聚物的制备，将步骤3)中得到的复配碱性激发剂不断搅拌，并加入步骤2)中得到的复配粉料，混合均匀后再持续搅拌5-10min即得。