CN108467224A - 一种制粉煤灰基发泡地质聚合物的组合物和粉煤灰基发泡地质聚合物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及粉煤灰利用得到粉煤灰基发泡地质聚合物领域，公开了一种制粉煤灰基发泡地质聚合物的组合物和粉煤灰基发泡地质聚合物及其制备方法。该组合物包含粉煤灰、化学发泡剂、碱激发剂、稳泡剂和抗裂剂；其中，所述粉煤灰的最大粒径D90为80μm以下。可以得到满足GB 11968‑2006中B05或B06级别的粉煤灰基发泡地质聚合物。
Description
技术领域
本发明涉及粉煤灰利用得到粉煤灰基发泡地质聚合物制备领域，具体地，涉及一种制粉煤灰基发泡地质聚合物的组合物和粉煤灰基发泡地质聚合物及其制备方法。
背景技术
随着世界能源的不断消耗各国日益重视节能环保，建筑节能也日趋成为各国政府关注的焦点之一。建筑节能是减轻环境污染、解决能源危机的重要途径之一，建筑能耗占社会总能耗30％左右。到2020年，全社会的新增建筑全部达到节能65％的目标，而像北京这种特大城市，从2012年就率先执行节能75％的设计标准。与此同时，国家标准对新建建筑的节能水平要求是要达到或接近于同等气候条件下的发达国家的节能水平。因此，大力推进墙体材料的改性与革新，开发并推广新型生态环保节能墙体和屋面材料体系势在必行。
目前国内外使用的墙体保温材料主要分为传统的无机保温材料(如岩棉、玻璃棉等)，和有机合成保温材料(如聚氨酯、聚苯乙烯等)两大类。然而，对于传统的无机保温材料，无论从其生产加工的复杂程度、能源消耗、还是价格、长期稳定性方面都使得传统无机保温材料的广泛使用受到限制。有机合成保温材料相比无机保温材料，虽然保温效果优异，如聚苯板和聚氨酯泡沫等材料占据了中国的墙体保温材料体系的占有较大份额，但其火灾隐患和接连的重大事故(如央视新址火灾、上海静安火灾等)，造成了重大的人身伤亡和巨大的经济损失。因此现代建筑要求科研人员研发更加安全节能、绿色环保、施工方便、经济可行的新型墙体自保温材料。
粉煤灰是我国的主要工业固废之一。随着电力行业的迅速发展燃煤热电厂每年所排放的粉煤灰总量逐年增加。粉煤灰基地质聚合物(也称为粉煤灰基矿物聚合物，geopolymer)的研究随着粉煤灰利用的加强，越来越受到各国研究人员的重视。进一步经受发泡的粉煤灰基发泡地质聚合物具有节能、环保、利废、降低建筑成本等优点。
CN105541374A公开了一种粉煤灰基地聚合物泡沫混凝土组合物，含有粉煤灰、发泡剂、水玻璃、铝粉和水，其中，相对于100g的所述粉煤灰，所述发泡剂的用量为0.46-2.34g，所述水玻璃的用量为30-70g，所述铝粉的用量为0.1-0.9g，所述水的用量为18.8-93.7g。其中发泡剂为动物蛋白发泡剂、松香发泡剂、植物蛋白发泡剂和复合型发泡剂中的至少一种。该申请认为，化学法发泡过程不容易控制，特别是铝粉发泡容易造成塌模现象，影响泡沫混凝土的产品合格率。而物理法发泡是通过机械方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，再将泡沫加入到含硅质材料、钙质材料、水及各种外加剂组成的料浆中，再成型为多孔材料，但是很难获得低干密度、低导热系数的材料。该申请结合物理发泡和化学发泡的方法，以得到干密度为286kg/m3～325kg/m3，按照GB/T17671-1999测定的抗压强度为0.45～1.27MPa，按照GB/T10295-2008测定的导热系数为0.053～0.086W/m·K。
CN104119096A公开了一种无机组合物、无机泡沫材料及其制备方法。该无机组合物包括200-350重量份的活性硅铝质物料、0.5-22重量份的早强组分、100-300重量份的水玻璃和0.5-20重量份的发泡剂。活性硅铝质物料包括粉煤灰、偏高岭土、粘土、炉灰和赤泥中的至少一种，其中粉煤灰占比为25-85重量％。发泡剂为化学发泡剂，双氧水或铝粉。早强组分选自等级42.5级或52.5级的普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥、矿渣中的至少一种，与粉煤灰结合，有助于在泡沫形成初期提供框架支撑强度，可以解决大量粉煤灰使用过程中出现的易塌模、泡孔不均一、密闭性较差的问题，获得的无机材料按照GB/T5486-2008测定的干密度为180kg/m3～345kg/m3，测定的抗压强度为0.23～2.49MPa，按照GB/T10294-2008测定的导热系数为0.049～0.115W/m·K。
但是，现有技术仅能提供满足GB 11968-2006中B03级别的粉煤灰基发泡地质聚合物，不能获得其他级别如B05级别或B06级别的产品。
发明内容
本发明的目的是为了能够利用粉煤灰提供满足GB 11968-2006中的B05级别或B06级别的粉煤灰基发泡地质聚合物，提供了一种制粉煤灰基发泡地质聚合物的组合物和粉煤灰基发泡地质聚合物及其制备方法，可以提供满足GB 11968-2006中的B05级别或B06级别的产品。
本发明的发明人经过了深入的研究发现，控制粉煤灰的最大粒径，可以实现与化学发泡剂的结合，制备出满足GB 11968-2006中的B05级别或B06级别的粉煤灰基发泡地质聚合物，从而完成本发明。
为了实现上述发明目的，本发明提供一种制粉煤灰基发泡地质聚合物的组合物，其中，该组合物包含粉煤灰、化学发泡剂、碱激发剂、稳泡剂和抗裂剂；其中，所述粉煤灰的最大粒径D90为80μm以下。
本发明还提供了一种由本发明的制粉煤灰基发泡地质聚合物的组合物制备粉煤灰基发泡地质聚合物的方法，该方法包括：
(1)将100重量份的粉煤灰、0.1～0.3重量份的稳泡剂和0.4～0.6重量份的抗裂剂进行混合为混合料；
(2)将所述混合料与51～60重量份的碱激发剂进行搅拌制成浆料，所述浆料的粘度为10000～14000cP；
(3)将所述浆料与0.4～3重量份的化学发泡剂进行混合为发泡浆料；
(4)将所述发泡浆料依次进行静停发泡、养护和烘干，得到粉煤灰基发泡地质聚合物；
其中，所述粉煤灰的最大粒径D90为80μm以下。
本发明还提供一种本发明的方法制得的粉煤灰基发泡地质聚合物，其中，所述粉煤灰基发泡地质聚合物满足GB11968-2006标准的B05级别或B06级别。
本发明提供的制粉煤灰基发泡地质聚合物的组合物，其组成中加入粉煤灰，通过限定粉煤灰的最大粒径，可以实现采用化学发泡剂的方法制备出满足GB 11968-2006中的B05级别或B06级别的合格的粉煤灰基发泡地质聚合物，从而实现可以将限定最大粒径的粉煤灰进行利用，获得的粉煤灰基发泡地质聚合物的合格品。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明的第一目的，提供一种制粉煤灰基发泡地质聚合物的组合物，其中，该组合物包含粉煤灰、化学发泡剂、碱激发剂、稳泡剂和抗裂剂；其中，所述粉煤灰的最大粒径D90为80μm以下。
本发明中，通过选择限定所述粉煤灰的最大粒径，可以配合使用所述化学发泡剂得到满足GB 11968-2006中的B05级别或B06级别的粉煤灰基发泡地质聚合物。该最大粒径即可以通过直接筛选满足此限定的单一分级粉煤灰，也可以将多种不同粒径D90的粉煤灰混合得到满足最大粒径D90为80μm以下的复配粉煤灰。
根据本发明，优选情况下，所述组合物中，相对于100重量份的所述粉煤灰，所述化学发泡剂为0.4～3重量份，所述碱激发剂为51～60重量份，，所述稳泡剂为0.1～0.3重量份，所述抗裂剂为0.4～0.6重量份。优选稳泡剂为0.18～0.22重量份。
根据本发明，可以选取化学发泡剂与选择粉煤灰的最大粒径限定相配合使用。所述化合发泡剂可以是在碱性环境下能够发生化学反应后释放出气体，并在最终的粉煤灰基发泡地质聚合物中形成细孔的化合物。优选情况下，所述化学发泡剂可以为在碱性条件下发生化学反应产生气体的物质；优选地，所述化学发泡剂选自双氧水和/或铝粉。
根据本发明，所述碱激发剂可以具有在碱性条件下激发胶凝材料的作用，优选情况下，所述碱激发剂可以选自碱性无机化合物。可以是碱金属或碱土金属的氢氧化物、硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硫酸盐或碳酸盐。所述碱激发剂可以更有利于得到满足GB 11968-2006中的B05级别或B06级别的粉煤灰基发泡地质聚合物。
优选地，所述碱激发剂选自水玻璃、氢氧化钠、碳酸钠和碳酸氢钠中的至少一种，更优选为水玻璃。
本发明中，优选地，所述水玻璃的固含量为34～46重量％，更优选为35-40重量％。优选所述水玻璃的模数为1～2，更优选为1.2～1.8，最优选为1.3～1.5。作为这样的水玻璃可以通过商购获得，或者通过将商购的模数高度水玻璃调制而成。作为调制的方法，例如可以通过将模数高水玻璃用水和NaOH配置成所设定的模数和浓度。例如所述水玻璃可以通过将工业液体硅酸钠(模数为2.4，固含量为46重量％)与碱液、水一起进行调制而成。另外，优选将配置得到的水玻璃在使用前陈化12～24小时。
在本发明中，所述粉煤灰可以为火电厂产生的一级和/或二级粉煤灰，其主要含有30-65重量％的SiO2和14.6-41重量％的Al2O3。优选地，所述粉煤灰的烧失量为1-5重量％，更优选为1-4重量％。
本发明中，所述稳泡剂加入所述组合物中可以起到提高气泡的稳定性，延长泡沫破灭半衰期的作用，可以优选为硬酯酸钙。
本发明中，所述抗裂剂加入所述组合物中可以起到有效控制裂纹扩展，改善基体的抗裂性能的作用，可以优选为聚丙烯纤维。可以商购获得，如北京融耐尔工程材料有限公司的聚丙烯纤维(6～12mm)。
本发明的第二目的，提供一种由本发明的制粉煤灰基发泡地质聚合物的组合物制备粉煤灰基发泡地质聚合物的方法，该方法包括：
(1)将100重量份的粉煤灰、0.1～0.3重量份的稳泡剂和0.4～0.6重量份的抗裂剂进行混合为混合料；
(2)将所述混合料与51～60重量份的碱激发剂进行搅拌制成浆料，所述浆料的粘度为10000～14000cP；
(3)将所述浆料与0.4～3重量份的化学发泡剂进行混合为发泡浆料；
(4)将所述发泡浆料依次进行静停发泡、养护和烘干，得到粉煤灰基发泡地质聚合物；
其中，所述粉煤灰的最大粒径D90为80μm以下。
所述粉煤灰、化学发泡剂、碱激发剂、稳泡剂和抗裂剂可以如上所述，在此不再赘述。
本发明提供制备方法的步骤(1)用于预备所述混合料，只要混合均匀即可，可以采用一般的搅拌混合即可
根据本发明，步骤(2)制成得到的所述浆料具有所限定的粘度，可以有利于发泡过程中控制泡体的强度，该粘度可以通过旋转粘度计方法测定。具体进行步骤(2)中的所述搅拌过程可以通过不同的转速控制实现，优选情况下，在步骤(2)中，所述搅拌的过程包括：在水泥胶砂搅拌机中先以自转135～145rpm、公转55～70rpm进行低速搅拌，并加入所述碱激发剂；再以自转275～295rpm、公转115～135rpm进行高速搅拌。使用的搅拌机可以为无锡建仪仪器机械有限公司提供的JJ-5型水泥胶砂搅拌机。可以先进行低速搅拌，在此搅拌过程中完成所述碱激发剂的投料。可以控制加料完所述碱激发剂后约20～30s后，开始高速搅拌。低速或高速搅拌的时间可以根据投料量适应设定。
根据本发明，步骤(3)实现所述发泡剂的投料。可以采用先低速再高速的混合方法。优选情况下，所述混合的过程包括：先以自转135～145rpm、公转55～70rpm进行低速混合，并加入所述化学发泡剂；再以自转275～295rpm、公转115～135rpm进行高速混合。同样可以在上述水泥胶砂搅拌机中完成步骤(3)。可以完成所述化学发泡剂的投料后10～20s后再进行所述高速混合。
本发明中，步骤(4)可以将所述发泡浆料倒入模具，静停发泡约15min左右发泡完成，一切保持静止状态不动放置实验室中24h后脱模，得到样品。静停发泡为将盛有所述发泡浆料的模具静置，所述发泡浆料进行发泡。
本发明中，所述养护可以是将脱模的样品用保鲜膜包裹放入烘箱中，设置烘箱从室温升到50℃进行高温养护5天；然后直接从50℃烘箱中取出包有保鲜膜的样品，放入常温养护箱中进行常温养护，到相应的龄期后，进行烘干。
本发明中，所述烘干是将样品养护到相应龄期后，去掉保鲜膜放入35℃烘箱中烘干2天，然后升高烘箱温度至50℃，烘干24h后可以达到恒重。
本发明中，完成所述烘干的样品可以进行需要的性能测试。
本发明的第三目的，提供一种本发明的制粉煤灰基发泡地质聚合物的组合物制得的粉煤灰基发泡地质聚合物，其中，所述粉煤灰基发泡地质聚合物满足GB11968-2006标准的B05级别或B06级别。
GB11968-2006标准中B05级别要求干密度≤500kg/m3(优等品)或≤525kg/m3(合格品)，且同时抗压强度平均值不低于2.5MPa。
GB11968-2006标准中B06级别要求干密度≤600kg/m3(优等品)或≤625kg/m3(合格品)，且同时抗压强度平均值不低于3.5MPa。
下面通过实施例对本发明进行详细的说明，但本发明并不仅限于下述实施例。
以下的实施例、对比例和测定方法中：
所用搅拌器为JJ-5型水泥胶砂搅拌机，符合JC-T729-2005标准，购自无锡建仪仪器机械有限公司；
抗压强度测试仪型号为IMQD2000，天津英贝尔科技发展有限公司；
导热系数测定仪型号为EKO-HC-074-200，购自天津英贝尔科技发展有限公司；
干密度测试：取试件一组3块，尺寸为40mm×40mm×40mm，应逐块量取长、宽、厚三个方向的轴线尺寸，并应精确至1mm，计算试件的体积V。应将标准养护室养护28d的三块试件放在温度为80℃±2℃干燥箱内烘干至恒质量(M0)。当试件冷却至室温后，应称取试件烘干质量M0，精确至1g。
干密度应按下式计算：
式中：r0：干密度(kg/m3)
M0：试件烘干质量(g)
V：试件的体积(mm3)。
该组试件的干密度值应为3块试件干密度的平均值，精确至1kg/m3。
根据GB/T 11968-2008方法进行抗压强度测试。
水玻璃模数为1.6，固含量为37重量％，由工业液体硅酸钠(模数2.4，固含量46％)与分析纯NaOH试剂和水调制而成，北京红星广夏化工有限公司；
双氧水：分析纯30wt％，国药集团化学试剂有限公司；
氢氧化钠：分析纯>96％，国药集团化学试剂有限公司；
稳泡剂：硬脂酸钙，国药化学试剂有限公司；
抗裂剂：聚丙烯纤维(6～12mm)，北京融耐尔工程材料有限公司；
粉煤灰为火电厂产生的一级粉煤灰，其主要成分为44.85重量％的SiO2、31.91重量％的Al2O3，其烧失量为1重量％，具体组成和粒径分析见表1和表2；来自神华集团下属三河电厂。
表1
表2
| 粉煤灰 | D10(μm) | D50(μm) | D90(μm) | 分布范围(μm) |
| 三河热电原灰 | 2.180 | 31.609 | 140.545 | 0.209～630.957 |
| 三河中间段 | 6.468 | 29.034 | 83.611 | 0.209～158.489 |
| 三河超细灰 | 0.701 | 2.849 | 5.972 | 0.209～13.183 |
实施例1-4
说明制备满足GB 11968-2006中B06级别的粉煤灰基发泡地质聚合物。
1)将粉煤灰与稳泡剂硬酯酸钙、抗裂剂PP纤维(单丝直径0.02～0.05mm，长度为6～12mm)进行混合为混合料；
2)将混合料加入JJ-5型水泥胶砂搅拌机中进行低速(自转135～145rpm、公转55～70rpm)搅拌30s，同时加入水玻璃；完成加料20s后，进行高速(自转275～295rpm、公转115～135rpm)搅拌3min，得到浆料；
3)将浆料在低速进行混合，同时加入双氧水；完成加料10s后，进行高速搅拌30s，得到发泡料浆；
4)将发泡料浆加入模具中进行静制发泡，约15min完成发泡；再保持静止状态放置24h，脱模得到样品；
将样品用保鲜膜包裹放入烘箱中，设置烘箱从室温升到50℃进行高温养护5天；然后直接从50℃烘箱中取出包有保鲜膜的样品，放入常温养护箱中进行常温养护，到相应的龄期后，去掉保鲜膜放入35℃烘箱中烘干2天，然后升高烘箱温度至50℃，烘干24h后可以达到恒重。得到粉煤灰基发泡地质聚合物。
其中，上述步骤1)-步骤4)中的各条件请见表3。
实施例5-8
说明制备满足GB 11968-2006中B05级别的粉煤灰基发泡地质聚合物。
1)将粉煤灰与稳泡剂硬脂酸钙、PP纤维进行混合为混合料；
2)将混合料加入JJ-5型水泥胶砂搅拌机中进行低速(自转135～145rpm、公转55～70rpm)搅拌30s，同时加入水玻璃；完成加料20s后，进行高速(自转275～295rpm、公转115～135rpm)搅拌3min，得到浆料；
3)将浆料在低速进行混合，同时加入双氧水；完成加料10s后，进行高速搅拌30s，得到发泡料浆；
4)将发泡料浆加入模具中进行静制发泡，约15min完成发泡；再保持静止状态放置24h，脱模得到样品；
将样品用保鲜膜包裹放入烘箱中，设置烘箱从室温升到50℃进行高温养护5天；然后直接从50℃烘箱中取出包有保鲜膜的样品，放入常温养护箱中进行常温养护，到相应的龄期后，去掉保鲜膜放入35℃烘箱中烘干2天，然后升高烘箱温度至50℃，烘干24h后可以达到恒重。得到粉煤灰基发泡地质聚合物。
其中，上述步骤1)-步骤4)中的各条件请见表4。
对比例1-4
1)将粉煤灰与稳泡剂硬酯酸钙、PP纤维进行混合为混合料；
2)将混合料加入JJ-5型水泥胶砂搅拌机中进行低速(自转135～145rpm、公转55～70rpm)搅拌30s，同时加入水玻璃；完成加料20s后，进行高速(自转275～295rpm、公转115～135rpm)搅拌3min，得到浆料；
3)将浆料在低速进行混合，同时加入双氧水；完成加料10s后，进行高速搅拌30s，得到发泡料浆；
4)将发泡料浆加入模具中进行静制发泡，约15min完成发泡；再保持静止状态放置24h，脱模得到样品；
将样品用保鲜膜包裹放入烘箱中，设置烘箱从室温升到50℃进行高温养护5天；然后直接从50℃烘箱中取出包有保鲜膜的样品，放入常温养护箱中进行常温养护，到相应的龄期后，去掉保鲜膜放入35℃烘箱中烘干2天，然后升高烘箱温度至50℃，烘干24h后可以达到恒重。得到粉煤灰基发泡地质聚合物。
其中，上述步骤1)～步骤4)中的各条件请见表3、4，与实施例1-8不同的是粉煤灰的最大粒径D90大于80μm。
表3
表4
由实施例1-8、对比例1-4和表3、4中的数据结果可以看出，本发明提供的组合物中使用限定最大粒径D90为80μm以下的粉煤灰，制备得到的粉煤灰基发泡地质聚合物，其干密度和抗压强度均同时满足GB 11968-2006标准中B05级别或B06级别的要求，成为合格品。可以实现利用粉煤灰生产粉煤灰基发泡地质聚合物产品。
对比例中粉煤灰的最大粒径没有在发明的限定范围内，得到的粉煤灰基发泡地质聚合物的抗压强度均小于GB 11968-2006标准的要求，不能成为合格的产品。
Claims (10)
1.一种制粉煤灰基发泡地质聚合物的组合物，其特征在于，该组合物包含粉煤灰、化学发泡剂、碱激发剂、稳泡剂和抗裂剂；其中，所述粉煤灰的最大粒径D90为80μm以下。
2.根据权利要求1所述的组合物，其中，所述组合物中，相对于100重量份的所述粉煤灰，所述化学发泡剂为0.4～3重量份，所述碱激发剂为51～60重量份，所述稳泡剂为0.1～0.3重量份，所述抗裂剂为0.4～0.6重量份。
3.根据权利要求1所述的组合物，其中，所述化学发泡剂为在碱性条件下发生化学反应产生气体的物质；优选地，所述化学发泡剂选自双氧水和/或铝粉。
4.根据权利要求1所述的组合物，其中，所述碱激发剂选自碱性无机化合物；优选所述碱激发剂选自水玻璃、氢氧化钠、碳酸钠和碳酸氢钠中的至少一种，更优选为水玻璃；
优选地，所述水玻璃的固含量为34～46重量％，模数为1～2。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的组合物，其中，所述粉煤灰含有30～65重量％的SiO2和14.6～41重量％的Al2O3。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述粉煤灰为火电厂产生的一级和/或二级粉煤灰。
7.一种由权利要求1-6中任意一项所述的制粉煤灰基发泡地质聚合物的组合物制备粉煤灰基发泡地质聚合物的方法，该方法包括：
(1)将100重量份的粉煤灰、0.1～0.3重量份的稳泡剂和0.4～0.6重量份的抗裂剂进行混合为混合料；
(2)将所述混合料与51～60重量份的碱激发剂进行搅拌制成浆料，所述浆料的粘度为10000～14000cP；
(3)将所述浆料与0.4～3重量份的化学发泡剂进行混合为发泡浆料；
(4)将所述发泡浆料依次进行静停发泡、养护和烘干，得到粉煤灰基发泡地质聚合物；
其中，所述粉煤灰的最大粒径D90为80μm以下。
8.根据权利要求7述的方法，其中，在步骤(2)中，所述搅拌的过程包括：在水泥胶砂搅拌机中先以自转135～145rpm、公转55～70rpm进行低速搅拌，并加入所述碱激发剂；再以自转275～295rpm、公转115～135rpm进行高速搅拌。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，在步骤(3)中，所述混合的过程包括：先以自转135～145rpm、公转55～70rpm进行低速混合，并加入所述化学发泡剂；再以自转275～295rpm、公转115～135rpm进行高速混合。
10.一种权利要求7-9中任意一项所述的方法制得的粉煤灰基发泡地质聚合物，其中，所述粉煤灰基发泡地质聚合物满足GB11968-2006标准的B05级别或B06级别。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180831 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |