CN108585649B - 一种粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆及其制备方法 - Google Patents

一种粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种利用工业副产物粉煤灰、矿粉、尾矿细砂制备的快凝型刚性修补砂浆及其制备方法，该粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆由固体组份材料和液体组份材料组成，固体组份材料是将粉煤灰、矿粉、尾矿细砂、化学外加剂按照一定比例进行组合而成，液体组份材料是将一定浓度的氢氧化钠溶液、水玻璃和水按照一定比例进行混合而成，然后将固体组份材料和液体组份材料按照一定比例进行充分搅拌均匀即可使用。本发明所制备的粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆性能优异，完全满足JC/T 2381‑2016的各项性能指标要求。该粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆中的主要原材料粉煤灰、矿粉、尾矿细砂均为工业副产物，属于绿色环保材料。

Description

一种粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆及其制备 方法
技术领域
本发明涉及利用工业副产物粉煤灰、矿粉、尾矿细砂制备特种砂浆，特别涉及一种粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆及其制备方法。
背景技术
地质聚合物(简称地聚物)是指采用天然矿物或具有水硬活性矿物以硅氧四面体与铝氧四面体聚合而成的，具有非晶态和准晶态特征的三维网络凝胶体，在化学成分上类似于沸石。地聚物的生产能耗低，仅为水泥生产能耗的30％，地聚物具有耐久性好、抗渗性强、早强快硬等优越的性能，在建筑材料、高强材料、密封材料等有广阔的应用前景。
随着人们环保意识的增强，各国对污染物排放的限制越来越严格，对水泥工业生产节能减排的要求越来越高。研制节约水泥或者不用水泥而制备出合格的建筑材料的技术是十分迫切的。粉煤灰、矿粉作为掺和料被广泛应用于水泥及混凝土中，这主要是由于粉煤灰、矿粉的加入能够提高水泥及混凝土的性能，同时粉煤灰、矿粉作为工业副产物，每年产量大，利用率却不高，被大量用于水泥及混凝土后，符合国家低碳、绿色的环保趋势，但是粉煤灰、矿粉仅仅是作为掺和料被应用于建筑材料中，并没有获得高附加值/高掺量的利用。
特种砂浆中细骨料主要选用粒径小于0.5mm的河砂或者石英砂，其占特种砂浆重量比例为50％以上。河砂、石英砂属于有限的自然资源，随着我国基础建设的发展，河砂、石英砂这类自然资源越来越紧缺，从而也造成其价格越来越高。
发明内容
本发明的目的是完全利用工业副产物粉煤灰、矿粉、尾矿细砂来制备性能良好的快凝型刚性修补砂浆。
实现本发明目的的技术方案如下：
一种完全利用工业副产物粉煤灰、矿粉、尾矿细砂制备快凝型刚性修补砂浆，所述砂浆由固体组份材料和液体组份材料组成，其中所述固体组份材料，以重量份计，包括：粒径0.3-0.5mm尾矿细砂25-40份、粒径小于0.3mm尾矿细砂15-30份、粉煤灰10-25份、矿粉20-35份、可再分散性乳胶粉0.5-3.0份、缓凝剂1.0-2.0份、保水剂0.05-0.15份和纤维0.1-0.3份；其中所述液体组份材料，以重量份计，包括：氢氧化钠溶液15-40份、水玻璃溶液45-65份和水0-20份。上述利用工业副产物粉煤灰、矿粉、尾矿细砂制备的快凝型刚性修补砂浆；
优选所述砂浆的固体组份材料，以重量份计，包括：粒径0.3-0.5mm尾矿细砂30-35份、粒径小于0.3mm尾矿细砂20-25份、粉煤灰15-20份、矿粉25-30份、可再分散性乳胶粉1.0-2.0份、缓凝剂1.0-1.5份、保水剂0.1-0.15份和纤维0.15-0.25份；所述液体组份材料，以重量份计，包括：氢氧化钠溶液25-40份、水玻璃溶液50-65份、水0-15份。
或者所述的粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆，更优选，所述砂浆的固体组份材料，以重量份计，包括：粒径0.3-0.5mm尾矿细砂30份、粒径小于0.3mm尾矿细砂24份、粉煤灰15份、矿粉28.35份、可再分散性乳胶粉1.0份、缓凝剂1.4份、保水剂0.1份和纤维0.15份；所述液体组份材料，以重量份计，包括：氢氧化钠溶液37份、水玻璃溶液60份和水3份。
上述利用工业副产物粉煤灰、矿粉、尾矿细砂制备的快凝型刚性修补砂浆，更优选其固体组份材料和液体组份材料以重量份计均为100份。
上述利用工业副产物粉煤灰、矿粉、尾矿细砂制备的快凝型刚性修补砂浆中不含河砂或者石英砂，即用尾矿细砂100％替代河砂或者石英砂。
上述利用工业副产物粉煤灰、矿粉、尾矿细砂制备的快凝型刚性修补砂浆中不含有水泥，且主要原材料粉煤灰、矿粉、尾矿细砂均属于工业固体废弃物。
优选地，所述尾矿细砂中天然放射性核素镭-226、钍-232、钾-40的放射性比活度应同时满足IRa≤1.0和Ir≤1.0，这有助于保证修补砂浆对人体无害。
优选地，所述粉煤灰为Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰；更优选低钙Ⅰ级粉煤灰，有助于保证修补砂浆的工作性能。
优选地，所述矿粉为S75级、S95级或S105级矿粉；更优选S95级，有助于保证修补砂浆的早期强度。
优选地，所述纤维是长度5mm-12mm的聚丙烯纤维，有助于增强修补砂浆的抗裂性。
优选地，所述可再分散性乳胶粉包括醋酸乙烯酯与乙烯的共聚胶粉、乙烯与氯乙烯及月桂酸乙烯酯三元共聚胶粉、醋酸乙烯酯与乙烯及高级脂肪酸乙烯酯三元共聚胶粉中的一种或几种；
优选地，所述缓凝剂包括磷酸氢二钠、磷酸钠、碳酸钠中的一种或几种；
优选地，所述保水剂包括甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素中的一种或几种；
优选地，所述氢氧化钠溶液的质量分数为34％；
优选地，所述水玻璃溶液的固含量为55％，模数为2.3，波美度为51°Bé。
本发明所述尾矿细砂、粉煤灰、矿粉、可再分散性乳胶粉、缓凝剂、保水剂、氢氧化钠、水玻璃溶液均可通过市售获得。
本发明还提供上述粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆的制备方法，先称量好一定重量的液体组份材料放入容器中，然后按照固体组份材料与液体组份材料重量比为4-6：1的比例,优选所述固体组份材料与液体组份材料重量比为5：1，称量固体组份材料加入到容器中，最后混合均匀即可使用。
实验证明，粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆按照固体组份材料与液体组份材料重量比为4-6:1混合均匀后，其各项性能指标均满足行业标准JC/T 2381-2016《修补砂浆》的要求，表1为本发明的粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆的物理力学性能。
表1粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆物理力学性能
Figure BDA0001706445670000041
本发明是基于以下原理：
快凝型刚性修补砂浆要求凝结时间快，早期(6h)抗压强度高，由于地质聚合物具有早强快硬的性能，因此提出了采用粉煤灰和矿粉作为胶凝材料制备粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆。通过氢氧化钠调整水玻璃的模数，改变激发效果，进而改变粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆的各项性能，将尾矿细砂分级为粒径为0.3-0.5mm和粒径小于0.3mm两种，按照一定比例进行组合，使得细骨料及粉料一起满足最紧密堆积理论，从而使得整个粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆的各项性能满足规范要求。
本发明的有益效果：
1)细骨料完全采用尾矿细砂，用尾矿细砂100％替代河砂或者石英砂。
2)胶凝材料采用粉煤灰和矿粉，用粉煤灰和矿粉100％替代水泥，其生产能耗明显降低。
3)粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆性能优异，完全满足JC/T 2381-2016的各项性能指标要求。
4)随着低碳绿色的大力推进，尽可能多地利用工业固体废弃物制备建筑材料成为全世界的关注点，因此选用尾矿细砂、粉煤灰、矿粉作为基本原材料，在满足标准规范要求性能的前提下，实现了固体废弃物的综合利用。
具体实施方式
以下实施例用来说明本发明，但不限制本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
尾矿细砂由承德金隅水泥有限公司提供，该尾矿细砂中天然放射性核素镭-226、钍-232、钾-40的放射性比活度同时满足IRa≤1.0和Ir≤1.0；该尾矿铁尾矿细砂中SiO2质量百分含量为50％-85％。
将尾矿细砂分级为粒径小于0.3mm，粒径0.3-0.5mm二个级配区域，备用。
粉煤灰购自北京瑜峰宏泰贸易有限公司，该粉煤灰为低钙Ⅰ级粉煤灰。
矿粉购自北京瑜峰宏泰贸易有限公司，该矿粉为S95级矿粉。
可再分散性乳胶粉5010购于济南悦凯化工有限公司；缓凝剂碳酸钠购自南京斯泰宝贸易有限公司；保水剂HPMC1.5万购自山东苏诺克化工有限公司；8mm聚丙烯纤维购自淄博锦彤化纤有限公司。
以上可再分散性乳胶粉、缓凝剂、保水剂均为粉体。
以下实施例及对比例粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆的性能检测方法按JC/T 2381-2016《修补砂浆》测试方法进行。
实施例1
一种利用工业副产物粉煤灰、矿粉、尾矿细砂制备的快凝型刚性修补砂浆，其固体组份材料，以重量份计，包括：：
粒径0.3-0.5mm尾矿细砂30份；
粒径小于0.3mm尾矿细砂24份；
Ⅰ级粉煤灰13份；
S95矿粉29.95份；
可再分散性乳胶粉5010 1.5份；
缓凝剂碳酸钠1.3份；
保水剂HPMC1.5万0.1份；
8mm聚丙烯纤维0.15份。
其液体组份材料，以重量份计，包括以下组份：
质量分数为34％的氢氧化钠溶液35份；
固含量为55％的水玻璃溶液60份；
水5份。
将固体组份材料和液体组份材料分别混合均匀，然后按照固体组份材料与液体组份材料重量比为5：1的比例混合均匀。其各项性能如表2所示。
表2粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆物理力学性能
Figure BDA0001706445670000061
Figure BDA0001706445670000071
实施例2
一种利用工业副产物粉煤灰、矿粉、尾矿细砂制备的快凝型刚性修补砂浆，其固体组份材料，以重量份计，包括：：
粒径0.3-0.5mm尾矿细砂35份；
粒径小于0.3mm尾矿细砂25份；
Ⅰ级粉煤灰10份；
S95矿粉29.95份；
可再分散性乳胶粉5010 1.0份；
缓凝剂碳酸钠1.0份；
保水剂HPMC1.5万0.05份；
8mm聚丙烯纤维0.10份。
液体组份材料包括以下重量份的组份：
质量分数为34％的氢氧化钠溶液40份；
固含量为55％的水玻璃溶液56份；
水4份。
将固体组份材料合和液体组份材料分开混合均匀，然后按照固体组份材料与液体组份材料重量比5：1混合均匀，其各项性能如表3所示。
表3粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆物理力学性能
Figure BDA0001706445670000081
实施例3
一种利用利用工业副产物粉煤灰、矿粉、尾矿细砂制备的快凝型刚性修补砂浆，其固体组份材料，以重量份计，包括：
粒径0.3-0.5mm尾矿细砂26份；
粒径小于0.3mm尾矿细砂23份；
Ⅰ级粉煤灰16份；
S95矿粉29.95份；
可再分散性乳胶粉5010 2.0份；
缓凝剂碳酸钠1.5份；
保水剂HPMC1.5万0.1份；
8mm聚丙烯纤维0.2份。
液体组份材料包括以下重量份的组份：
质量分数为34％的氢氧化钠溶液25份；
固含量为55％的水玻璃溶液60份；
水15份。
将固体组份材料合和液体组份材料分开混合均匀，然后按照固体组份材料与液体组份材料重量比5：1混合均匀后其各项性能如表4所示。
表4粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆物理力学性能
Figure BDA0001706445670000101
对比例1
一种利用工业副产物粉煤灰、矿粉、尾矿细砂制备的快凝型刚性修补砂浆，与实施例1的区别在于煤粉灰和矿粉的比例在本发明粉煤灰和矿粉范围之外，其固体组份材料，以重量份计，包括：
粒径0.3-0.5mm尾矿细砂30份；
粒径小于0.3mm尾矿细砂24份；
Ⅰ级粉煤灰30份；
S95矿粉12.95份；
可再分散性乳胶粉5010 2.0份；
缓凝剂碳酸铵1.5份；
保水剂HPMC1.5 0.1份；
8mm聚丙烯纤维0.2份。
液体组份材料包括以下重量份的组份：
质量分数为34％的氢氧化钠溶液25份；
固含量为55％的水玻璃溶液60份；
水15份。
将固体组份材料合和液体组份材料分开混合均匀，然后按照固体组份材料与液体组份材料重量比5：1混合均匀后其各项性能如表5所示。
表5粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆物理力学性能
Figure BDA0001706445670000102
Figure BDA0001706445670000111
对比例2
一种利用工业副产物粉煤灰、矿粉、尾矿细砂制备的快凝型刚性修补砂浆，与实施例1的区别在于氢氧化钠溶液和水玻璃溶液的比例在本发明氢氧化钠和水玻璃溶液范围之外，其固体组份材料，以重量份计，包括：
粒径0.3-0.5mm尾矿细砂30份；
粒径小于0.3mm尾矿细砂24份；
Ⅰ级粉煤灰13份；
S95矿粉29.95份；
可再分散性乳胶粉5010 2.0份；
缓凝剂碳酸钠1.5份；
保水剂HPMC1.5万0.1份；
8mm聚丙烯纤维0.2份。
液体组份材料包括以下重量份的组份：
质量分数为34％的氢氧化钠溶液12份；
固含量为55％的水玻璃溶液43份；
自来水45份。
将固体组份材料合和液体组份材料分开混合均匀，然后按照固体组份材料与液体组份材料重量比5：1混合均匀，其各项性能如表6所示。
表6粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆物理力学性能
Figure BDA0001706445670000121
对比例3
一种利用工业副产物粉煤灰、矿粉、尾矿细砂制备的快凝型刚性修补砂浆，与实施例1的区别在于固体组份材料与液体组份材料未按照重量比5：1混合，其固体组份材料，以重量份计，包括：
粒径0.3-0.5mm尾矿细砂30份；
粒径小于0.3mm尾矿细砂24份；
Ⅰ级粉煤灰13份；
S95矿粉29.95份；
可再分散性乳胶粉5010 2.0份；
缓凝剂碳酸钠1.5份；
保水剂HPMC1.5万0.1份；
8mm聚丙烯纤维0.2份。
液体组份材料包括以下重量份的组份：
质量分数为34％的氢氧化钠溶液35份；
固含量为55％的水玻璃溶液60份；
水5份。
将固体组份材料合和液体组份材料分开混合均匀，然后按照固体组份材料与液体组份材料重量比7：1混合均匀，其各项性能如表7所示。
表7粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆物理力学性能
Figure BDA0001706445670000131
Figure BDA0001706445670000141
上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆，其特征在于，包括固体组份材料和液体组份材料；其中所述固体组份材料，以重量份计，包括：粒径0.3-0.5mm尾矿细砂30-35份、粒径小于0.3mm尾矿细砂20-25份、粉煤灰15-20份、矿粉25-30份、可再分散性乳胶粉1.0-2.0份、缓凝剂1.0-1.5份、保水剂0.1-0.15份和纤维0.15-0.25份；所述液体组份材料，以重量份计，包括：氢氧化钠溶液25-40份、水玻璃溶液50-65份、水0-15份；
所述固体组份材料和所述液体组份材料总重量份均为100份，所述固体组份材料与所述液体组份材料重量比为4-6:1；
所述砂浆中尾矿细砂的含量以重量百分数计为40％-60％；
所述氢氧化钠溶液的质量分数为34％，所述水玻璃溶液的固含量为55％，模数为2.3，波美度为51°Bé。
2.根据权利要求1所述的粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆，其特征在于，所述砂浆的固体组份材料，以重量份计，包括：粒径0.3-0.5mm尾矿细砂30份、粒径小于0.3mm尾矿细砂24份、粉煤灰15份、矿粉28.35份、可再分散性乳胶粉1.0份、缓凝剂1.4份、保水剂0.1份和纤维0.15份；所述液体组份材料，以重量份计，包括：氢氧化钠溶液37份、水玻璃溶液60份和水3份。
3.根据权利要求1所述的粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆，其特征在于，所述快凝型刚性修补砂浆中尾矿细砂的含量以重量百分数计为54％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆，其特征在于，所述尾矿细砂中SiO2的重量百分含量为50％-85％；和/或，
所述粉煤灰为Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰；和/或，
所述矿粉为S75级、S95级或S105级矿粉；和/或，
所述纤维为长度5mm-12mm的聚丙烯纤维。
5.根据权利要求4所述的粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆，其特征在于，所述粉煤灰为低钙Ⅰ级粉煤灰；和/或，所述矿粉为S95级。
6.根据权利要求1或2所述的粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆，其特征在于，所述可再分散性乳胶粉包括醋酸乙烯酯与乙烯的共聚胶粉、乙烯与氯乙烯及月桂酸乙烯酯三元共聚胶粉、醋酸乙烯酯与乙烯及高级脂肪酸乙烯酯三元共聚胶粉中的一种或几种；和/或，
所述缓凝剂包括磷酸氢二钠、磷酸钠、碳酸钠中的一种或几种；和/或，
所述保水剂包括甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素中的一种或几种。
7.根据权利要求1或2所述的粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆，其特征在于，所述可再分散性乳胶粉、缓凝剂、保水剂均为粉体。
8.权利要求1-7任一项所述的粉煤灰和矿粉基地聚物快凝型刚性修补砂浆的制备方法，其特征在于，按重量比向所述的液体组份材料中加入所述固体组份材料，混合均匀即得。
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