CN107814498A - 用于快速修补的纳米改性干混碱激发胶凝材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种工作度及早期强度皆适用于水泥基建筑设施快速修补工作的纳米改性干混碱激发胶凝材料，或称之干混地质聚合物胶凝材料(One‑Part Geopolymer Cement,OPgC)。OPgC的成分包括富铝硅酸盐材料、碱激发材料和纳米改性剂，以及其他功能性添加剂及/或纤维。OPgC可与水直接混合，经充分搅拌后得到可用于快速修补工作的胶凝材料。OPgC可与水和细骨料及/或粗骨料混合搅拌以形成砂浆或混凝土。作为一种水泥基建筑设施的快速修补材料的基体，OPgC可以有效替代现存的粘合基体(包括波特兰水泥及有机粘合剂等)，其较高的环保价值及较低的成本使其在紧急与快速修补的工程应用中具备优势。

Description

用于快速修补的纳米改性干混碱激发胶凝材料
技术领域
本申请涉及基于碱激发胶凝材料或地质聚合物的材料。更具体地，本申请提供了具有高早期强度的纳米改性干混碱激发胶凝材料，用于快速修补水泥基建筑设施。
背景技术
水泥基建筑设施的维护工作可以概括地分成紧急/临时修补和定期维护。修补工作包括了混凝土基础设施(例如人行道、下水道系统、建筑物和桥梁等)的修补。在现代化城市中高交通流量需求、严重的用地量短缺和不断增长的社会需求背景下，所有的车道修补工作需在数小时至最多数天内完成，施工时间非常有限。另一方面，现代化城市具有复杂的下水道系统，该下水道系统通常构建于大量的基础设施之间，因此急需符合特定性能要求的快速硬化建筑材料以用于水泥基建筑设施(例如混凝土车道和下水道系统)的修补和维护。
根据所采用的主要粘结材料性质的不同，修补材料通常可以分成两种，即有机粘结剂系统和无机粘结剂系统。
有机粘结剂类快速修补材料通常通过使用聚合粘结剂或液态树脂(例如热固性树脂、乙烯基单体和焦油改性树脂)完全替换水硬性水泥制成的聚合物混凝土，它们在粘结系统中不含有任何水泥水合物相。大多数用于聚合物混凝土的热固性树脂和单体系统在环境温度下发生聚合反应，新拌聚合物混凝土以类似于常规水泥混凝土的方式进行施工及表面处理。该类聚合物迅速凝结的特性使其在实际工程应用中受限于工人操作的熟练程度而无法大范围推广。此外，该类聚合物在储放及使用时释放出的刺激性气味和挥发性有机化合物(VOC)不利于环保及工人健康。
普通波特兰水泥(ordinary Portland cement,OPC)是最常见的被用作快速修补的一种无机粘结剂材料。通过各种化学添加剂如高效减水剂的使用，波特兰水泥快速修补材料可以在短时间内(例如小于24h)凝结并获得早期强度。尽管其适用于快速修补工作，但该类材料的早期强度发展具有温度依赖性，其机械强度形成速率会随环境温度降低而明显减小。
碱激发水泥(alkali-activated cement,AAC)又称地质聚合物(Geopolymer)，是一种具有高早期强度、优异耐火性和耐酸性的速凝环保无机粘合材料。加水搅拌过程中该类材料通过碱源(可溶的碱激发剂)与富钙铝酸盐材料之间的化学反应获得强度及其他机械性能。传统碱激发水泥系统中用作激发剂的碱类通常以溶液形式存在，包括硅酸钠/硅酸钾溶液、氢氧化钠/氢氧化钾溶液、及/或其他碱类。其碱激发水泥具有比普通波特兰水泥更低的能耗量以及碳排放量，因而是一种适用于可持续发展的优良的替代胶凝材料。
然而，传统碱激发水泥系统中液态碱的存在是潜在的安全隐患，在其使用过程中有可能引发严重伤害(例如化学灼伤)。传统碱激发水泥系统的其他缺点包括材料存储的不便性、较高的运输成本、碱溶液潜在的泄漏问题等。因此，干粉形式成分的干混碱激发胶凝材料，即干混地质聚合物(One-Part Geopolymer Cement,OPgC)的开发具有很高的潜在工程应用价值，干混地质聚合物在施工现场可仅通过加水搅拌来获得较高的早期机械强度，且其产物具备与传统修补砂浆/混凝土相当或更优的耐久性。
以干混粉末形式所配制的碱激发胶凝材料可以通过利用纳米材料改性来进一步改善机械强度。纳米改性的碱激发快速修补材料通过局部化学反应、分子间力和界面扩散相互反应等一系列化学反应改变非结晶相及/或结晶相产物的生成及发展，最终改善材料的工程特性。该纳米改性技术得益于纳米层次上的材料结构控制技术。可以认为，基于碱激发胶凝材料或地质聚合物水泥的修补材料可以通过纳米改性技术达到更优秀的性能，包括工作度，机械强度，化学稳定性及耐久性等。
发明内容
本申请提供了一种用于快速修补的纳米改性干混碱激发胶凝材料，包括富铝硅酸盐材料、碱激发材料和纳米改性剂，其中所述胶凝材料的1天抗压强度不低于14MPa。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，富铝硅酸盐材料可包括选自火山灰、水硬性胶凝材料、高炉矿渣和粒化的高炉矿渣粉、炉渣、钢渣和磷渣、来自市政固体废物焚烧炉的灰烬、粉煤灰(fly ash)、偏高岭土、霞石和长石中的至少一种。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，所述富铝硅酸盐材料可包括占总的富铝硅酸盐材料重量百分比大约20％-100％的粒化的高炉矿渣粉、更优选为大约50％-100％。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，所述粒化的高炉矿渣粉的平均粒径可小于大约50微米，更优选为大约25微米。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，所述富铝硅酸盐材料可包括占总的富铝硅酸盐材料重量百分比大约0-80％的粉煤灰，更优选为大约0-50％。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，所述粉煤灰的平均粒径可小于大约50微米，更优选为大约25微米。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，所述富铝硅酸盐材料可包括占总的富铝硅酸盐材料重量百分比大约0-25％的偏高岭土。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，所述偏高岭土的平均粒径可小于大约50微米，更优选小于大约25微米。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，所述富铝硅酸盐材料可包括占总的富铝硅酸盐材料重量百分比大约0-25％的霞石。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，所述富铝硅酸盐材料可包括占总的富铝硅酸盐材料重量百分比大约0-25％的长石。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，所述碱激发材料可包括选自氢氧化钾和氢氧化钠中的至少一种。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，所述碱激发材料可占总富铝硅酸盐材料重量百分比的大约0-15％，更优选为大约0-10％。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，胶凝材料还可包括占总富铝硅酸盐材料重量百分比的大约0-20％的硅酸钠和/或硅酸钾，更优选为大约0-15％。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，所述纳米改性剂可包括选自纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米粘土和硅粉中的至少一种纳米颗粒。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，所述纳米改性剂可占所述胶凝材料的总重的大约0-5％。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，所述纳米改性剂的粒径可小于大约500nm，更优选小于大约100nm。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，所述胶凝材料还可包括选自聚乙烯醇(PVA)纤维、聚丙烯(PP)纤维和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维中的至少一种纤维。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，所述纤维的长度可小于大约12mm且直径小于大约50微米。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，所述胶凝材料在施用之前可与水充分直接混合。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，所述胶凝材料还可与细骨料或粗骨料混合以形成砂浆或混凝土。
附图说明
参照附图描述本申请的实施方式，其中：
图1示出在混合之后的24小时内实施例1和实施例2中的OPgC固化过程中的累积比能量变化。
图2示出具有不同纳米改性条件下的实施例3至实施例5中的OPgC固化过程中的比热流变化。
具体实施方式
现在将详细地介绍纳米改性干混碱激发胶凝材料的优选实施方式及实施例。本申请对公开的胶凝材料的示例性实施方式进行了详细地描述，可能未示出对于理解本申请来说较为次要的一些特征。
在进一步详细地描述本申请之前，应当理解的是，本文中所使用的术语仅用于描述特定的实施方式的目的，并且不旨在进行限定，因为本申请的范围将仅由所附的权利要求限定。
在提供了数值范围的情况下，应当理解的是，在该范围的上限和下限之间的每个介于其间的值(至下限的单位的十分之一，除非上下文另有明确说明)以及在所述范围内的任何其他所述值或介于其间的值均包括在本申请内。根据所述范围内的任何具体排除的限度，这些较小范围的上限和下限可以独立地包括在较小的范围内，也包括在本申请内。在所述范围包括限度中的一者或两者的情况下，排除那些被包括的限度中的一者或两者的范围也包括在本申请内。
除非另有限定，否则本文中使用的所有技术及术语具有与本申请所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。与本文所描述类似或等同的任何方法和材料也可以在本申请的实践或试验中使用，但是本文仅对有限数量的材料及有限数量的示例性方法进行了描述。
必须指出的是，本文中和所附的权利要求中所使用的“一”、和“该(所述)”包括多个指代对象，除非上下文另有明确说明。
本发明提供了一种具有较高早期强度的用于快速修补水泥基建筑设施的纳米改性干混碱激发胶凝材料，即干混地质聚合物胶凝材料。
干混碱激发胶凝材料包括配制的碱激发剂和纳米改性的富铝硅酸盐材料(ASRM)。碱激发剂使富铝硅酸盐材料活化以获得强度。本发明中的碱激发剂以固态形式存在，以便于存储运输并避免了由液态形式存在的碱激发剂所引致的潜在安全问题。本发明中具有活性的富铝硅酸盐材料可来源于工业副产品及/或回收材料，该类材料的回收利用进一步提高了本发明中OPgC快速修补材料的环保性能。
通过引入纳米改性技术，本发明中的OPgC快速修补材料的性能得到提高，包括工作度、机械性能、化学稳定性及耐久性。
本申请的干混碱激发胶凝材料是一种环境友好型的低成本高效益快速修补材料，其高性能使其具备取代传统快速修补材料的应用价值。
碱激发胶凝材料也称为地质聚合物。因此，本申请的主组分可以缩写成OPgC(One-Part Geopolymer Cement干混地质聚合物胶凝材料)。纳米改性的OPgC由于具有合适工作度及早强的特点而可推广应用于快速修补水泥基建筑设施。
本申请的纳米改性的OPgC成分包括富铝硅酸盐材料、碱激发材料和纳米改性剂。可选地，纳米改性的OPgC中还可包括其他的功能性添加剂，例如碱金属硅酸盐、流变改性剂、减水剂和增塑剂等。在该OPgC产品中可选择性加入纤维以提高产品韧性。同时，在纳米改性的OPgC中加入细骨料及/或粗骨料可生产砂浆或混凝土快速修补材料。
富铝硅酸盐材料可包括选自火山灰、水硬性胶凝材料、高炉矿渣、粒化的高炉矿渣粉(GGBS)、炉渣(例如钢渣和磷渣)、来自市政固体废物焚烧炉的灰烬、粉煤灰、偏高岭土、霞石和长石中的至少一种。为了保证产品环境友好的特点，富铝硅酸盐材料优选地包括选自粒化的高炉矿渣粉(GGBS)、粉煤灰、偏高岭土、霞石和长石中的至少一种。
在一个实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，富铝硅酸盐材料可包括占总的富铝硅酸盐材料重量百分比大约20％-100％的粒化的高炉矿渣粉、更优选为大约50％-100％。粒化的高炉矿渣粉的平均粒径可以小于大约50微米，更优选大约25微米。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，富铝硅酸盐材料可包括占总的富铝硅酸盐材料重量百分比大约0-80％的粉煤灰，更优选为大约0-50％。粉煤灰的平均粒径可以小于大约50微米，更优选为大约25微米。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，富铝硅酸盐材料可包括占总的富铝硅酸盐材料重量百分比大约0-25％的偏高岭土。偏高岭土的平均粒径可以小于大约50微米，更优选为大约25微米。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，富铝硅酸盐材料可包括占总的富铝硅酸盐材料重量百分比大约0-25％的霞石。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，富铝硅酸盐材料可包括占总的富铝硅酸盐材料重量百分比大约0-25％的长石。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，碱激发材料可包括选自氢氧化钾和氢氧化钠中的至少一种。碱激发材料可以占总富铝硅酸盐材料重量百分比的大约0-15％，更优选为大约0-10％。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，本申请的纳米改性的OPgC还可包括占总富铝硅酸盐材料重量百分比大约0-20％的硅酸钠和/或硅酸钾，更优选为大约0-15％。
在另一实施方式中，结合以上和以下实施方式中的任一者，用于改善OPgC中的强度形成的纳米改性剂可包括选自纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米粘土和硅粉中的至少一种纳米颗粒。在本申请的纳米改性的OPgC中，纳米改性剂占总质量的0-5％。纳米改性剂的粒径可小于大约500nm，更优选小于大约100nm。
可以认为，纳米改性OPgC中的纤维有助于改善产品抗折强度。适合本申请的纳米改性的OPgC的纤维可包括选自聚乙烯醇(PVA)纤维、聚丙烯(PP)纤维和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维中的至少一种纤维。在本申请的纳米改性的OPgC中，纤维占总质量的大约0-2％。优选地，纤维的长度可小于大约12mm且直径小于大约50微米。
根据本申请的干混碱激发胶凝材料，固体粉末形式的富铝硅酸盐材料、碱激发材料、纳米改性剂、可选地其他功能性添加剂和可选地纤维组分可以以任何先后次序或者同时地均匀混合。这些组分可以通过干粉混合机混合以获得干粉形式的干混碱激发胶凝材料。
为了将易混的干混胶凝材料用于修补和其他相关工作，胶凝材料可以与水直接均匀混合以获得基于碱激发材料、地质聚合物的修补浆体材料。优选地，浆体材料的凝结时间不小于大约15min。浆体材料的1天早期抗压强度不小于大约14MPa，优选地不小于大约21MPa。新拌浆体材料具备易喷涂性，硬化后的材料具备优异的耐酸类腐蚀性，以上特性使该产品适用于水泥基建筑设施的快速修补工程。
本申请的干混碱激发胶凝材料中添加细骨料可得到干混碱激发水泥修补砂浆。细骨料可以是平均粒径≤5mm的任何集料，例如微石英砂或珍珠岩。细骨料可占纳米改性OPgC材料的大约0-150％。
本申请的干混碱激发胶凝材料中添加细骨料及粗骨料可得到干混碱激发水泥修补混凝土。粗骨料可以是平均粒径>5mm的的任何集料。粗骨料可占纳米改性OPgC材料的大约0-200％。
实施例
对通过以下步骤所制备的纳米改性的OPgC样品进行早期强度(1天的养护龄期)和凝结时间的实验测试：
1.使用干粉混合机将一种或多种富铝硅酸盐材料(ASRM)均匀地干燥混和。
2.将粉末形式的碱激发剂材料与上述富铝硅酸盐材料均匀地混合。
3.使用干粉混合机使纳米改性剂与上一步所得的混合物混合，获得干混碱激发胶凝材料(OPgC)。纤维、细骨料和粗骨料和其他功能性掺合料可以可选地与混合物以类似的方式混合。
4.使用时将粉末形式的OPgC与水混合，发生地质聚合反应以形成强度。OPgC与其他集料或未反应组分粘结成不同形式的胶凝材料、砂浆和混凝土。
5.对于实验测试，根据在ASTM C191中所提供的标准测试方法通过维卡(Vicat)针测量新拌OPgC胶凝材料的凝结时间。
6.OPgC胶凝材料在尺寸为40×40×160mm的钢模浇筑成型。样品在室温(23±2℃)和气密(通过塑料膜包覆)条件下固化然后在浇筑24小时后脱模。
实施例1
作为起始实施例，根据以上步骤，不含纳米改性剂的OPgC胶凝材料按照以下组份进行制备并在以下条件下制样。
与常规波特兰水泥相比，地质聚合物通常被认为是更为环境友好的替代性水泥。
传统碱激发水泥系统中液态碱的存在是潜在的安全隐患，在其使用过程中有可能引发严重伤害(例如化学灼伤)。传统碱激发水泥系统的其他缺点包括材料存储的不便性、较高的运输成本、碱溶液潜在的泄漏问题等。因此，干粉形式的干混地质聚合物在施工现场可仅通过加水搅拌获得较高的早期机械强度。其易储运特性是该类材料的主要特点。同时由于其具备易操作性，用于修补工程时，施工人力成本也可有效降低。
基于干混地质聚合物(OPgC)的胶凝材料的可加工性和机械性能可以通过控制激发剂的组分来调整。该实施例给出了OPgC的成功示例，所有成分以干粉的形式混合，通过直接添加水，在室温条件下实现了早期强度高于15MPa的优异性能。该强度可用于快速修补工作。
实施例2
根据以上步骤，纳米改性的OPgC胶凝材料按照以下组份进行制备以及在以下条件下制样。
OPgC的成分 重量(g)
矿渣 93-98
粉煤灰 3-5
偏高岭土 2-5
长石 1-3
氢氧化钠粉末 2.0
氢氧化钾粉末 0.2
硅酸钠粉末 5.4
纳米二氧化硅 3.2
硅粉 0
混合比例 5kg OPgC：1.6kg水
凝结时间(在23±2℃下) 80min
养护条件 23±2℃，气密养护
所测量的早期强度(24小时) 33.8MPa
该实施例给出了纳米改性OPgC的修补材料的示例。纳米改性剂的添加改善了凝结时间。与实施例1相比，凝结时间已经从200分钟以上缩短至80分钟，这有利于快速修补工作的进行。此外，由于纳米改性剂的引入，早期抗压强度从17.6MPa提高至33.8MPa，增幅达90％。
因此，纳米颗粒不仅参与了反应，也额外的增加了成核位置且加速碱激发胶凝材料系统的地质聚合过程，从而提高了早期强度，加速修补工作的进程。
为深入展现纳米改性对早期强度形成的影响，本发明作者对OPgC材料加水后24小时内的化学反应放热量与其早期强度的关联性进行了研究。实施例1(无纳米改性)和实施例2(引入纳米改性)的OPgC所释放的比热能(J/g)由水化热仪测得。如图1所示，占总ASRM质量3.2％的纳米改性剂的引入使单位质量OPgC材料的总反应放热量明显增加，给定反应时间内总放热量的增加说明纳米改性剂的引入导致了更激烈的化学反应。相应地，引入纳米改性剂的OPgC材料早期强度也随之提高。本发明中纳米改性的原理为：纳米改性剂的引入在胶凝材料系统中提供了额外成核位置，从而加速了地质聚合反应。在24小时内，引入纳米改性剂的混合物和无纳米改性的混合物累积反应比能量分别达到103.98J/g和73.81J/g。即，3.2％纳米改性剂的引入使反应热的释放量增加了约40％。
对产品进行早期抗压强度测试，硬化后的纳米改性材料及无改性材料分别达到33.8MPa和17.6MPa的一天强度。该测试结果表明纳米改性剂的引入使早期强度提高，增幅超过90％。
室温条件下拌合及养护的试样由于早期地质聚合反应引起温度上升从而加速了反应，而水化热仪器由于采用恒温测试条件，混合物早期反应放热被即时吸收而不会加速自身反应，因此，测试强度的提高理应大于单位放热量的增量，与测试结果相符。
实施例3
根据以上步骤，OPgC糊状物按照以下组份制备且在以下条件下制样。
该实施例给出了OPgC的另一成功示例。碱激发剂用量的控制在OPgC中起到重要作用。ASRM组分的变化影响其反应活性，而碱激发剂的调配对新拌混合物工作度及硬化过程中的化学反应进程具有决定性作用。
与实施例1相比较，本实施例中硅酸钠粉末组分的用量增大，而碱金属氢氧化物的用量基本不变。碱激发剂的调配引发早期强度的提高，同时混合物的凝结时间明显缩短。
对比实施例1和实施例3，调配ASRM组分和碱激发剂的用量，可在合适范围内大幅调整产品工作度及早期强度。
实施例4
根据以上步骤，纳米改性的OPgC胶凝材料按照以下组份制备且在以下条件下制样。
OPgC的成分 重量(g)
矿渣 92-95
粉煤灰 4-7
偏高岭土 1-3
长石 1-2
氢氧化钠粉末 1.7
氢氧化钾粉末 0.4
硅酸钠粉末 12.9
纳米二氧化硅 1.2g
硅粉 0
混合比例 5kg OPgC：1.6kg水
凝结时间(在23±2℃下) 15min
养护条件 23±2℃，气密养护
所测量的早期强度(24小时) 35.8MPa
该实施例给出了在OPgC系统上应用纳米改性的另一成功示例。与实施例3相比可以看出，对于100个单位的量的ASRM，加入1.2个单位的量的纳米二氧化硅可以提高至少30％的强度并一定程度上缩短凝结时间。该实施例指出，对于从各种ASRM组分和激发剂所制备的OPgC，在该应用中所用的纳米二氧化硅皆可以充当作为强度提高和工作度调整方面的改性剂。
实施例5
根据以上步骤，具有较高水平纳米改性的OPgC胶凝材料按照以下组份制备且在以下条件下制样。
基于在实施例3中给出的不含纳米二氧化硅的示例，在该实施例中采用3.5单位的纳米二氧化硅作为改性剂。
与实施例4相比较，在实施例5中增大量的纳米二氧化硅并提高了OPgC胶凝材料的强度。同时，在恒定的用水量下，在实施例5中的材料凝结时间短于在实施例4中的凝结时间。在实施例4和实施例5中所获得的结果证明基于OPgC的修补材料的工作度和强度可以通过控制纳米改性剂的量在不同水平进行调整。
试验中利用高精度量热计(CalmetriX I-Cal 8000HPC)来测量实施例3至实施例5中的OPgC的比热流(mW)。在已知的质量下，通过地质聚合反应引起的热流可以以mW/g自动地计算。从OPgC反应所释放的比热流与基于OPgC的修补材料的凝结时间有关。在图2中示出了纳米添加剂对OPgC的比热流的影响。可以看出，实施例3(没有纳米改性)的热流峰出现在加水搅拌后30小时之后。当纳米颗粒被引入水泥时，曲线则完全不同：在加入1.2％纳米二氧化硅(实施例4)时，热流峰在水搅拌后加24小时之后出现，而加入3.5％纳米二氧化硅(实施例5)时，热流峰在加水搅拌后14小时内出现。比热流峰的较早出现表明在早期阶段促进地质聚合反应的发生。因此，所检测到的具有3.5％、1.2％和0％的纳米二氧化硅的OPgC胶凝材料的凝结时间分别是8分钟、15分钟和18分钟。
实施例6
根据以上步骤，OPgC胶凝材料按照以下组份制备且在以下条件下制样。
该实施例给出了使用较高比例粉煤灰作为ASRM组分制备OPgC的成功示例。
粉煤灰的使用有利于提高本申请中所开发的OPgC的可持续发展性，其优势体现在以下若干方面：：
与矿渣相比，粉煤灰成本更低；
与矿渣相比，粉煤灰生产能量消耗更低，碳排放量更低；
与矿渣相比，使用粉煤灰有助于推迟OPgC的凝结时间。因此，通过调整粉煤灰在ASRM中的比例来实现在本申请中所开发的OPgC胶凝材料预期凝结时间是可行的。
对比实施例6与实施例1，可以看出，通过对ASRM组分比例、碱激发剂的用量及OPgC用水量的调节，在不影响产品早期强度的条件下，拌合物的凝结时间可在较大范围内进行调整。
该实施例表明，采用具有较高可持续性的ASRM组分制造OPgC快速修补材料是可行的。
实施例7
根据以上步骤，纳米改性的OPgC胶凝材料按照以下组份制备并在以下条件下制样。
该实施例给出了纳米改性的另一成功示例。
与实施例6相比较，在相同的用水量下，通过加入2.4单位的纳米二氧化硅，可令基于OPgC的胶凝材料的凝结时间从100分钟缩短至50分钟，这有利于快速修补工作。此外，纳米改性剂的引入使早期强度提高大约14％。
与矿渣相比较，粉煤灰在OPgC系统中的使用通常会导致强度损失。该实施例表明由加入粉煤灰所引起的强度损失可以通过纳米改性技术的使用而减弱。因此，应用本专利申请中所开发的纳米改性技术能够在避免大幅强度损失的前提下提高粉煤灰在OPgC中用量。
实施例8
根据以上步骤，纳米改性的OPgC胶凝材料按照以下组份制备且在以下条件下制样。
基于实施例6所给出混合比例，在该实施例中加入3.6单位的纳米二氧化硅。
与实施例7相比较，在实施例8中增大纳米改性剂的用量导致凝结时间的进一步缩短和早期强度的进一步提高。在实施例7中，加入2.4单位的纳米二氧化硅导致强度提高14％，而在实施例8中，通过加入3.6单位的纳米二氧化硅，实现了约45％的强度提高。另一方面，当使用2.4单位的纳米二氧化硅时，与通过实施例6所给出的不含纳米改性剂的混合物相比较，OPgC胶凝材料的凝结时间从100分钟缩短至50分钟，而当纳米二氧化硅增大到3.6单位，凝结时间被进一步缩短到少于30分钟。通常，粉煤灰在OPgC系统中的使用会导致凝结的延长。因此，采用高比例的粉煤灰的OPgC配方，通过纳米改性技术不仅可以减弱强度损失，同时也可避免过长的凝结时间对快速修补工程带来的不便。
在该实施例中所获得的OPgC胶凝材料的性能表明，当在OPgC系统中采用多种ASRM组分时，通过调整纳米改性剂的用量来实现所需的工作度及早期强度是可行的。
实施例9
根据以上步骤，OPgC胶凝材料按照以下组份制备且在以下条件下制样。
该实施例给出了一个利用含有16％至20％粉煤灰的ASRM所制备的较成功的OPgC胶凝材料示例，其用水量为0.4。在该实施例中总碱金属氢氧化物含量占总ASRM质量的5.7％。
将实施例9的配方与实施例1和实施例6的配方相比可以看出，总的碱金属氢氧化物含量从2.1-2.2单位增加至5.7单位，同时在这三个实施例中的粉煤灰含量从小于总ASRM的5％增加至总ASRM的50％，其用水量范围在0.32至0.40之间。
碱金属氢氧化物的用量增加通常会导致凝结时间的缩短及早期强度的提高，而用水量的增加则会导致凝结的延长及早期强度的降低。
将在实施例1、实施例6和实施例9中所制备的OPgC胶凝材料的性能进行比较可知，利用多样化的ASRM组分及不同的碱激发剂，在不同用水量下制备具有合适工作度和合适早期强度的OPgC胶凝材料是可行的。
在实施例1、实施例6和实施例9中所制备的OPgC胶凝材料的三个成功示例表明在本申请所开发的OPgC系统中配方的可调配性非常高。
实施例10
根据以上步骤，纳米改性的OPgC胶凝材料按照以下组份制备且在以下条件下制样。
OPgC的成分 重量(g)
矿渣 75-78
粉煤灰 16-20
偏高岭土 2-5
长石 4-7
氢氧化钠粉末 5.1
氢氧化钾粉末 0.6
硅酸钠粉末 14.3
纳米二氧化硅 0
硅粉 3.0
混合比例 5kg OPgC：2.0kg水
凝结时间(在23±2℃下) 105min
养护条件 23±2℃，气密养护
所测量的早期强度(24小时) 25.1MPa
该实施例给出了利用加入3单位的硅粉所制备的OPgC胶凝材料的示例。
硅粉，也称为微硅，是二氧化硅的无定形(非结晶的)的多面体。硅粉是硅和硅铁合金生产过程中所搜集的超细粉末形态的副产品。硅粉的粒径小于普通波特兰水泥的粒径。硅粉可以被用作常规胶凝材料中的填料以提高其抗渗性并由此改善其耐久性。适量的硅粉掺入也可提高净浆/砂浆/混凝土的机械性能。
与实施例9相比较，可以看出，掺入3.0单位的硅粉后，OPgC胶凝材料的凝结时间基本维持不变，其早期强度则提高了大约40％。这表明除了纳米二氧化硅之外，硅粉也可以作为改性剂用于提高OPgC系统的强度。与本申请中使用的纳米二氧化硅不同，硅粉的掺入在改善OPgC胶凝材料的工作度方面并没有明显效果。
实施例11
根据以上步骤，纳米改性的OPgC胶凝材料按照以下组份来制备且在以下条件下制样。
该实施例给出了在OPgC胶凝材中应用纳米改性的另一成功示例。
与实施例9相比较，6.0单位的纳米二氧化硅的掺入导致产品凝结时间缩短同时早期强度增加。相较于未改性配方，引入纳米改性剂后拌合物的凝结时间从110分钟急剧缩短至25分钟。同时纳米改性剂的引入导致早期强度提高了80％以上。更迅速的凝结过程和更高的早期强度均有利于快速修补工程的进行。
实施例10和实施例11表明：硅粉和纳米二氧化硅两者都可以用作OPgC系统中的改性剂。然而，本申请中所用的硅粉与纳米二氧化硅相比具有更大的粒径，因此二者的改性效果具有明显差别。
实施例1和实施例9两者都提供了具有大约18MPa早期强度的OPgC胶凝材料的示例。基于通过实施例1所提供的OPgC，利用加入3.2单位的纳米二氧化硅，早期强度提高到33.8MPa，提升幅度超过90％。基于通过实施例9所提供的OPgC，利用加入3.0单位的硅粉，早期强度被改善至25.1MPa，提升幅度仅约40％。此外，纳米二氧化硅在改善凝结时间上方面具有明显效果，同时比较实施例10与实施例9，掺入3.0单位硅粉时，与未改性配方相比，OPgC胶凝材料的凝结时间维持在相近的水平。
基于纳米二氧化硅改性的和硅粉改性的OPgC胶凝材料的性能测试结果可得出以下结论：在本申请中所用的纳米二氧化硅作为改性剂用于干混地质聚合物胶凝材料中具有广阔的前景。
因此，本申请公开了一种用于快速修补的纳米改性干混碱激发胶凝材料。然而，对于本领域的技术人员来说应该显而易见的是，在不偏离本文的发明构思的前提下，已经描述的那些内容之外的更多的变形也是可行的。因此，除本公开内容的精神以外不得限制本发明的主题。此外，在解释本公开内容时，所有术语应该以与上下文一致的最宽泛的可能方式进行解释。特别地，术语“包括”、“包含”和“含有”应当被解释为以非排他的方式指代要素、部件或步骤，表明所指代的要素、部件或步骤可以存在、利用或与其他未明确引用的要素、部件或步骤相结合。

Claims (20)

1.一种用于快速修补的纳米改性干混碱激发胶凝材料，包括富铝硅酸盐材料、碱激发材料和纳米改性剂，其中，所述胶凝材料的1天抗压强度不低于14MPa。
2.如权利要求1所述的胶凝材料，其中，所述富铝硅酸盐材料包括选自火山灰、水硬性胶凝材料、高炉矿渣和粒化的高炉矿渣粉、炉渣、钢渣和磷渣、来自市政固体废物焚烧炉的灰烬、粉煤灰、偏高岭土、霞石和长石中的至少一种。
3.如权利要求2所述的胶凝材料，其中，所述富铝硅酸盐材料包括占总的所述富铝硅酸盐材料重量百分比20％-100％的粒化的高炉矿渣粉，更优选为50％-100％。
4.如权利要求3所述的胶凝材料，其中，所述粒化的高炉矿渣粉的平均粒径小于50微米，更优选为25微米。
5.如权利要求2所述的胶凝材料，其中，所述富铝硅酸盐材料包括占总的所述富铝硅酸盐材料重量百分比0-80％的粉煤灰，更优选为0-50％。
6.如权利要求5所述的胶凝材料，其中，所述粉煤灰的平均粒径小于50微米，更优选为25微米。
7.如权利要求2所述的胶凝材料，其中，所述富铝硅酸盐材料包括占总的所述富铝硅酸盐材料重量百分比0-25％的偏高岭土。
8.如权利要求7所述的胶凝材料，其中，所述偏高岭土的平均粒径小于50微米，更优选小于25微米。
9.如权利要求2所述的胶凝材料，其中，所述富铝硅酸盐材料包括占总的所述富铝硅酸盐材料重量百分比0-25％的霞石。
10.如权利要求2所述的胶凝材料，其中，所述富铝硅酸盐材料包括占总的所述富铝硅酸盐材料重量百分比0-25％的长石。
11.如权利要求1所述的胶凝材料，其中，所述碱激发材料包括选自氢氧化钾和氢氧化钠中的至少一种。
12.如权利要求11所述的胶凝材料，其中，所述碱激发材料占总富铝硅酸盐材料重量百分比的0-15％，更优选为0-10％。
13.如权利要求1所述的胶凝材料，还包括占总的所述富铝硅酸盐材料重量百分比0-20％的硅酸钠和/或硅酸钾，更优选为0-15％。
14.如权利要求1所述的胶凝材料，其中，所述纳米改性剂包括选自纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米粘土和硅粉中的至少一种纳米颗粒。
15.如权利要求14所述的胶凝材料，其中，所述纳米改性剂占所述胶凝材料的总重的0-5％。
16.如权利要求14所述的胶凝材料，其中，所述纳米改性剂的粒径小于500nm，更优选小于100nm。
17.如权利要求1所述的胶凝材料，还包括选自聚乙烯醇(PVA)纤维、聚丙烯(PP)纤维和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维中的至少一种纤维。
18.如权利要求17所述的胶凝材料，其中，所述纤维的长度小于12mm且直径小于50微米。
19.如权利要求1所述的胶凝材料，其中，所述胶凝材料在施用之前与水充分直接混合。
20.如权利要求1所述的胶凝材料，其中，所述胶凝材料还与细骨料及/或粗骨料混合以形成砂浆或混凝土。
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