CN108395162A - 一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料及其制备方法，属于建筑材料技术领域；胶凝材料由粉煤灰、矿渣、水泥、水、碱激发剂和减水剂制备而成；制备方法：1)将粉煤灰、矿渣和水泥混合并搅拌；2)NaOH溶液与水玻璃混合，制备成碱激发剂；3)将减水剂加入碱激发剂中；4)将(3)制备的溶液倒入(1)中混合物中，得到拌合物；5)将拌合物分两层倒入试模并振实；6)放置后脱模，养护至设计龄期；本发明的胶凝材料实现粉煤灰高掺量利用，制备工艺简单，常温常压养护，强度高。

Description

一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，特别涉及一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料及其制备方法。
背景技术
地质聚合物是一种新型绿色胶凝材料，原意是指由地球的化学作用或者人工模仿地质聚合作用而形成的铝硅酸盐矿物的聚合物，随着地质聚合物的发展及对其研究的加深，现在地质聚合物包括了所有采用天然矿物或者具有水硬活性的固体废弃物制备而成的胶凝体。这种胶凝材料是以硅氧四面体与铝氧四面体聚合而形成的具有非晶态和准晶态特征的三维网络胶凝体，其化学成分类似于沸石。地质聚合物通常是通过强碱激发富含硅铝成分的原料(例如:偏高岭土、粉煤灰、矿渣、钢渣等)在一定条件下养护而得到。生产地质聚合物的能耗较低，一般来说，生产地质聚合物的能耗要比生产水泥的能耗低70％，如果以活性的固体废弃物为原料，其生产能耗可比水泥生产能耗低90％。因其具有早强快硬、耐久性好、抗渗性强等优越的性能，有可能在许多领域替代传统的硅酸盐水泥，在建筑材料、高强材料、密封材料等领域显示出了广阔的应用前景。因此，近年来已在世界范围内引起了许多学者、科研院所和企业的广泛重视。
粉煤灰一般是指由火力发电厂将煤碳高温燃烧后产生的一种微粒粉尘固体废弃物。随着我国经济的高速发展，城镇化建设步伐的加快，各行业生产耗能不断的提升，我国已成为能源消耗大国，在电力工业领域，我国主要通过煅烧煤炭的方式来进行火力发电。由于火力发电而造成的煤炭消耗量占全国煤炭消耗总量的50％以上，所以，煤炭燃烧所产生的粉煤灰产量也越来越高。燃烧煤炭产生的粉煤灰无法处理掉，只能堆放在室外空地，积少成多后，，不仅会占用大量的耕地，还会对环境造成很严重的污染，粉煤灰的堆放问题已十分严峻。目前粉煤灰一般采用露天堆放的方式，导致其一部分粉煤灰会进入到大气中，增加空气中PM2.5的含量，使雾霾加重，影响人类的健康；其次，不经过有效的处理的粉煤灰排放到周围的水域中，就会使水源受到严重的污染；此外，粉煤灰降落后附着在植物的叶面上，会对植物的光合作用造成影响，可能会导致农作物的产量降低，甚至会引起植物的病变。可见，加大粉煤灰的综合利用已是当务之急，因此，利用粉煤灰制备地质聚合物具有十分积极的意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料及其制备方法。
一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料，由粉煤灰、矿渣、水泥、水、碱激发剂和减水剂制备而成，按质量比，粉煤灰：矿渣：水泥＝(60)：(10～30)：(10～30)，粉煤灰：(粉煤灰+矿渣+水泥)+矿渣：(粉煤灰+矿渣+水泥)+水泥：(粉煤灰+矿渣+水泥)＝1，碱激发剂：粉煤灰＝7％～8％，减水剂：(粉煤灰+矿渣+水泥)＝0.7％，水：(粉煤灰+矿渣+水泥)＝35％。
所述粉煤灰为I级低钙粉煤灰，其CaO含量低于10％，密度≤2.6g/cm3，细度≤12.0％，需水量比≤95％，烧失量≤5.0％。
所述的矿渣的比表面积≥400m2/kg。
所述的水泥为普通硅酸盐水泥。
所述的碱激发剂为氢氧化钠和水玻璃，其中氢氧化钠为分析纯，水玻璃模数为1.4～1.6。
所述的减水剂为聚羧酸高效减水剂。
一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：按粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料的成分配比，分别称量粉煤灰、矿渣和水泥，并搅拌均匀，得到混合物A；
步骤二：将NaOH分析纯溶于水，配成NaOH溶液，再与水玻璃混合，制备成碱激发剂；
步骤三：按粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料的成分配比，称量减水剂加入制备的碱激发剂中，得到混合物B；
步骤四：将混合物B倒入混合物A中，搅拌4min，得到拌合物；
步骤五：将拌制均匀的拌合物分两层倒入试模，每装入一层振实60次，将超过试模部分的拌合物刮去，并将试体表面抹平；
步骤六：在常温常压下，放置24h脱模，养护至设计龄期，即可制得粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料。
上述粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料的制备方法，其中：
所述步骤一中，搅拌时间为30s。
所述步骤二中，碱激发剂的碱含量为7～8％，碱含量采用激发剂中Na2O总量与粉煤灰的质量百分数表征。
所述步骤五中，试模填装拌合物前需涂抹脱模剂，后放置在振实台上进行振实。
所述步骤五中，使用金属直尺一次刮去拌合物。
所述步骤六中，设计龄期为3天和28天。
本发明的复合胶凝材料的流动度为175～186mm，标准稠度用水量为23.1～26.8％，初凝时间为120～140min，终凝时间为215～240min，雷氏夹读数为0.5～1.0mm，3d抗折强度可达4.1～5.5MPa，3d抗压强度可达30.3～40.9MPa，28d抗折强度可达7.2～8.5MPa，28d抗压强度可达54.2～60.8MPa，具有较优的抗压和抗折性能。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明中实现粉煤灰高掺量利用，达到60％，能有效解决粉煤灰的堆放问题和环境污染问题。
2.本发明提供的制备粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料的工艺简单，常温常压养护，强度高，具有节能环保、低能耗、低成本等特点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
下述实施例中制得的粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料，其标准稠度用水量、凝结时间和安定性按照GB/T1346—2011测定，胶凝材料抗折强度和抗压强度按照GB/T17671—1999测定。考虑到粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料会应用到混凝土的制备中，按照GB/T2419—2005测定胶凝材料的流动度，用其来评价粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料与减水剂的相容性。
实施例1：
一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料，由粉煤灰、矿渣、水泥、水、碱激发剂和减水剂制备而成，按质量比，粉煤灰：矿渣：水泥＝60：30：10，碱激发剂：粉煤灰＝7％，减水剂：(粉煤灰+矿渣+水泥)＝0.7％，水：(粉煤灰+矿渣+水泥)＝35％。
所述粉煤灰为I级低钙粉煤灰，其CaO含量为3.68％，密度为2.12g/cm3，细度为10.8％，需水量比为91％，烧失量为3.58％。
所述的矿渣的的比表面积≥400m2/kg。
所述的水泥为P·O42.5硅酸盐水泥，其化学成分为：SiO2含量为22.56％，Al2O3含量为4.64％，Fe2O3含量为2.35％，CaO含量为61.28％，MgO含量为2.04％，Na2O含量为0.6％，SO3含量为2.83％，K2O含量为0.75％，水泥的烧失量为2.01％。
所述的碱激发剂为氢氧化钠和水玻璃，其中氢氧化钠为分析纯，水玻璃模数为1.4。
所述的减水剂为聚羧酸高效减水剂。
一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：按粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料的成分配比，分别称量粉煤灰、矿渣和水泥加入搅拌机搅拌均匀，搅拌时间为30s，得到混合物A；
步骤二：将NaOH分析纯溶于水，配成NaOH溶液，再与水玻璃混合，制备成碱含量为7％、水玻璃模数为1.4的碱激发剂；
步骤三：按粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料的成分配比，称量减水剂加入碱激发剂中，得到混合物B；
步骤四：将混合物B倒入混合物A中，搅拌4min，得到拌合物；
步骤五：将涂有脱模剂的试模放于振实台上，将拌制均匀的拌合物分两层倒入试模中，每装入一层振实60次，用金属直尺一次将超过试模部分的拌合物刮去，并将试体表面抹平；
步骤六：在常温常压下，放置24h脱模，分别养护至3天和28天，即可制得粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料。
本实施例制得的粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料，砂浆性能检测结果见表1。
表1：实施例一砂浆性能检测结果
实施例2：
一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料，由粉煤灰、矿渣、水泥、水、碱激发剂和减水剂制备而成，按质量比，粉煤灰：矿渣：水泥＝60：25：15，碱激发剂：粉煤灰＝8％，减水剂：(粉煤灰+矿渣+水泥)＝0.7％，水：(粉煤灰+矿渣+水泥)＝35％。
所述粉煤灰为I级低钙粉煤灰，其CaO含量为3.68％，密度为2.12g/cm3，细度为10.8％，需水量比为91％，烧失量为3.58％。
所述的矿渣的的比表面积≥400m2/kg。
所述的水泥为P·O42.5硅酸盐水泥，其化学成分为：SiO2含量为22.56％，Al2O3含量为4.64％，Fe2O3含量为2.35％，CaO含量为61.28％，MgO含量为2.04％，Na2O含量为0.6％，SO3含量为2.83％，K2O含量为0.75％，水泥的烧失量为2.01％。
所述的碱激发剂为氢氧化钠和水玻璃，其中氢氧化钠为分析纯，水玻璃模数为1.6。
所述的减水剂为聚羧酸高效减水剂。
一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：按粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料成分配比，分别称量粉煤灰、矿渣和水泥加入搅拌机搅拌均匀，搅拌时间为30s，得到混合物A；
步骤二：将NaOH分析纯溶于水，配成NaOH溶液，再与水玻璃混合，制备成碱含量为8％、水玻璃模数为1.6的碱激发剂；
步骤三：按粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料成分配比，称量减水剂加入碱激发剂中，得到混合物B；
步骤四：将混合物B倒入混合物A中，搅拌4min，得到拌合物；
步骤五：将涂有脱模剂的试模放于振实台上，将拌制均匀的拌合物分两层倒入试模中，每装入一层振实60次，用金属直尺一次将超过试模部分的拌合物刮去，并将试体表面抹平；
步骤六：在常温常压下，放置24h脱模，分别养护至3天和28天，即可制得粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料。
本实施例制得的粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料，砂浆性能检测结果见表2。
表2：实施例二砂浆性能检测结果
实施例3：
一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料，由粉煤灰、矿渣、水泥、水、碱激发剂和减水剂制备而成，按质量比，粉煤灰：矿渣：水泥＝60：20：20，碱激发剂：粉煤灰＝7％，减水剂：(粉煤灰+矿渣+水泥)＝0.7％，水：(粉煤灰+矿渣+水泥)＝35％。
所述粉煤灰为I级低钙粉煤灰，其CaO含量为3.68％，密度为2.12g/cm3，细度为10.8％，需水量比为91％，烧失量为3.58％。
所述的矿渣的的比表面积≥400m2/kg。
所述的水泥为P·O42.5硅酸盐水泥，其化学成分为：SiO2含量为22.56％，Al2O3含量为4.64％，Fe2O3含量为2.35％，CaO含量为61.28％，MgO含量为2.04％，Na2O含量为0.6％，SO3含量为2.83％，K2O含量为0.75％，水泥的烧失量为2.01％。
所述的碱激发剂为氢氧化钠和水玻璃，其中氢氧化钠为分析纯，水玻璃模数为1.6。
所述的减水剂为聚羧酸高效减水剂。
一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：按粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料成分配比，分别称量粉煤灰、矿渣和水泥加入搅拌机搅拌均匀，搅拌时间为30s，得到混合物A；
步骤二：将NaOH分析纯溶于水，配成NaOH溶液，再与水玻璃混合，制备成碱含量为7％、水玻璃模数为1.6的碱激发剂；
步骤三：按粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料成分配比，称量减水剂加入碱激发剂中，得到混合物B；
步骤四：将混合物B倒入混合物A中，搅拌4min，得到拌合物；
步骤五：将涂有脱模剂的试模放于振实台上，将拌制均匀的拌合物分两层倒入试模中，每装入一层振实60次，用金属直尺一次将超过试模部分的拌合物刮去，并将试体表面抹平；
步骤六：在常温常压下，放置24h脱模，分别养护至3天和28天，即可制得粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料。
本实施例制得的粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料，砂浆性能检测结果见表3。
表3：实施例三砂浆性能检测结果
实施例4：
一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料，由粉煤灰、矿渣、水泥、水、碱激发剂和减水剂制备而成，按质量比，粉煤灰：矿渣：水泥＝60：15：25，碱激发剂：粉煤灰＝8％，减水剂：(粉煤灰+矿渣+水泥)＝0.7％，水：(粉煤灰+矿渣+水泥)＝35％。
所述粉煤灰为I级低钙粉煤灰，其CaO含量为3.68％，密度为2.12g/cm3，细度为10.8％，需水量比为91％，烧失量为3.58％。
所述的矿渣的的比表面积≥400m2/kg。
所述的水泥为P·O42.5硅酸盐水泥，其化学成分为：SiO2含量为22.56％，Al2O3含量为4.64％，Fe2O3含量为2.35％，CaO含量为61.28％，MgO含量为2.04％，Na2O含量为0.6％，SO3含量为2.83％，K2O含量为0.75％，水泥的烧失量为2.01％。
所述的碱激发剂为氢氧化钠和水玻璃，其中氢氧化钠为分析纯，水玻璃模数为1.4。
所述的减水剂为聚羧酸高效减水剂。
一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：按粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料成分配比，分别称量粉煤灰、矿渣和水泥加入搅拌机搅拌均匀，搅拌时间为30s，得到混合物A；
步骤二：将NaOH分析纯溶于水，配成NaOH溶液，再与水玻璃混合，制备成碱含量为8％、水玻璃模数为1.4的碱激发剂；
步骤三：按粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料成分配比，称量减水剂加入碱激发剂中，得到混合物B；
步骤四：将混合物B倒入混合物A中，搅拌4min，得到拌合物；
步骤五：将涂有脱模剂的试模放于振实台上，将拌制均匀的拌合物分两层倒入试模中，每装入一层振实60次，用金属直尺一次将超过试模部分的拌合物刮去，并将试体表面抹平；
步骤六：在常温常压下，放置24h脱模，分别养护至3天和28天，即可制得粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料。
本实施例制得的粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料，砂浆性能检测结果见表4。
表4：实施例四砂浆性能检测结果
实施例5：
一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料，由粉煤灰、矿渣、水泥、水、碱激发剂和减水剂制备而成，按质量比，粉煤灰：矿渣：水泥＝60：10：30，碱激发剂：粉煤灰＝7％，减水剂：(粉煤灰+矿渣+水泥)＝0.7％，水：(粉煤灰+矿渣+水泥)＝35％。
所述粉煤灰为I级低钙粉煤灰，其CaO含量为3.68％，密度为2.12g/cm3，细度为10.8％，需水量比为91％，烧失量为3.58％。
所述的矿渣的的比表面积≥400m2/kg。
所述的水泥为P·O42.5硅酸盐水泥，其化学成分为：SiO2含量为22.56％，Al2O3含量为4.64％，Fe2O3含量为2.35％，CaO含量为61.28％，MgO含量为2.04％，Na2O含量为0.6％，SO3含量为2.83％，K2O含量为0.75％，水泥的烧失量为2.01％。
所述的碱激发剂为氢氧化钠和水玻璃，其中氢氧化钠为分析纯，水玻璃模数为1.6。
所述的减水剂为聚羧酸高效减水剂。
一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：按粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料成分配比，分别称量粉煤灰、矿渣和水泥加入搅拌机搅拌均匀，搅拌时间为30s，得到混合物A；
步骤二：将NaOH分析纯溶于水，配成NaOH溶液，再与水玻璃混合，制备成碱含量为7％、水玻璃模数为1.6的碱激发剂；
步骤三：按粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料成分配比，称量减水剂加入碱激发剂中，得到混合物B；
步骤四：将混合物B倒入混合物A中，搅拌4min，得到拌合物；
步骤五：将涂有脱模剂的试模放于振实台上，将拌制均匀的拌合物分两层倒入试模中，每装入一层振实60次，用金属直尺一次将超过试模部分的拌合物刮去，并将试体表面抹平；
步骤六：在常温常压下，放置24h脱模，分别养护至3天和28天，即可制得粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料。
本实施例制得的粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料，砂浆性能检测结果见表5。
表5：实施例五砂浆性能检测结果
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料，其特征在于，所述胶凝材料由粉煤灰、矿渣、水泥、水、碱激发剂和减水剂制备而成，按质量比，粉煤灰：矿渣：水泥＝(60)：(10～30)：(10～30)，粉煤灰：(粉煤灰+矿渣+水泥)+矿渣：(粉煤灰+矿渣+水泥)+水泥：(粉煤灰+矿渣+水泥)＝1，碱激发剂：粉煤灰＝7％～8％，减水剂：(粉煤灰+矿渣+水泥)＝0.7％，水：(粉煤灰+矿渣+水泥)＝35％。
2.根据权利要求1所述的一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料，其特征在于，所述粉煤灰为I级低钙粉煤灰，其CaO含量低于10％，密度≤2.6g/cm3，细度≤12.0％，需水量比≤95％，烧失量≤5.0％。
3.根据权利要求1所述的一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料，其特征在于，所述的矿渣的比表面积≥400m2/kg。
4.根据权利要求1所述的一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料，其特征在于，所述的水泥为普通硅酸盐水泥。
5.根据权利要求1所述的一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料，其特征在于，所述的碱激发剂为氢氧化钠和水玻璃，其中氢氧化钠为分析纯，水玻璃模数为1.4～1.6。
6.根据权利要求1所述的一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料，其特征在于，所述的减水剂为聚羧酸高效减水剂。
7.权利要求1所述的一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：按粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料的成分配比，分别称量粉煤灰、矿渣和水泥，并搅拌均匀，得到混合物A；
步骤二：将NaOH分析纯溶于水，配成NaOH溶液，再与水玻璃混合，制备成碱激发剂；
步骤三：按粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料的成分配比，称量减水剂加入制备的碱激发剂中，得到混合物B；
步骤四：将混合物B倒入混合物A中，搅拌4min，得到拌合物；
步骤五：将拌制均匀的拌合物分两层倒入试模，每装入一层振实60次，将超过试模部分的拌合物刮去，并将试体表面抹平；
步骤六：在常温常压下，放置24h脱模，养护至设计龄期，即可制得粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料。
8.根据权利要求7所述的一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，碱激发剂的碱含量为7～8％。
9.根据权利要求7所述的一种粉煤灰地质聚合物复合胶凝材料的制备方法，其特征在于，所述步骤六中，设计龄期为3天和28天。
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