CN108751766A

CN108751766A - 一种纳米氧化铝改性碱激发水泥泛碱抑制剂及其制备方法

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Publication number: CN108751766A
Application number: CN201810856629.4A
Authority: CN
Inventors: 周宗辉; 王金邦; 程新; 杜鹏; 周同同
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2018-07-31
Filing date: 2018-07-31
Publication date: 2018-11-06

Abstract

本发明公开了一种纳米氧化铝改性碱激发水泥泛碱抑制剂及其制备方法，属于建筑材料技术领域。本发明按照重量份数计，由以下组分组成：25‑60份纳米氧化铝、0.5‑5份纳米分散剂、20‑60份超细粉煤灰和3‑25份钙基膨润土；所述纳米分散剂为丙二醇甲醚和/或二丙二醇甲醚。本发明可有效解决目前碱激发材料泛碱的难题，有利于碱激发水泥及混凝土的推广与广泛应用，从而为开发新型节能建筑材料打下坚实基础，具有很好的经济、社会及环境效益。

Description

一种纳米氧化铝改性碱激发水泥泛碱抑制剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，特别涉及一种纳米氧化铝改性碱激发水泥泛碱抑制剂。本发明还涉及纳米材料的应用技术以及工业废渣回收利用技术领域。

背景技术

碱激发水泥是是以富含氧化硅、氧化铝成分的硅铝质材料（如工业废渣：钢渣、矿渣、粉煤灰、赤泥等）为主要原料，经碱溶液激发产生化学反应获得的一种新型的无机非金属建筑胶凝材料。与目前广泛应用的硅酸盐水泥相比，碱激发水泥混凝土具有高强、耐久、节能、充分利用工业废渣的特点，是一种具有发展前景的新型胶凝材料。

纳米技术的发展对材料、制造等领域的影响具有革命性意义。纳米技术与信息技术、生物技术一起被认为是 21 世纪的三大关键技术，而纳米材料则被誉为“21 世纪最有发展前景的材料”。当材料粒径达到纳米级时，其诸多性质特点较宏观材料发生较大改变。纳米材料因其特性已在水泥混凝土中得到广泛应用，其作用可归纳为三方面：晶核效应、微细颗粒填充效应和高火山灰活性（具有火山灰活性的纳米材料），这三方面的作用显著改变了水泥混凝土的性能特点。

由于碱激发水泥优异的性能，近年来受到了国内外研究学者的广泛关注。碱激发水泥及混凝土已在前苏联等国家得到了广泛的应用。如乌克兰在1958年就已经利用碱激发水泥制备了水泥混凝土构件，且进行了大范围的推广应用。前苏联曾颁布了一整套有关碱激发水泥、混凝土及其结构的相应标准。波兰也成功研制“F一水泥”(即碱激发水泥)，并己投入实际工程应用。尽管碱激发水泥已被证明为可完全取代硅酸盐水泥用于建筑，但是，碱激发水泥依然存在碱溶液使用安全隐患、可溶性碱离子容易随水分蒸发造成泛碱等缺陷。如何有效抑制碱激发水泥及混凝土的泛碱成为碱激发水泥推广应用的瓶颈。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种纳米氧化铝改性碱激发水泥泛碱抑制剂。

本发明的技术方案为：

一种纳米氧化铝改性碱激发水泥泛碱抑制剂，按照重量份数计，由以下组分组成：25-60份纳米氧化铝、0.5-5份纳米分散剂、20-60份超细粉煤灰和3-25份钙基膨润土；所述纳米分散剂为丙二醇甲醚和/或二丙二醇甲醚。

作为优选方案，所述纳米氧化铝改性碱激发水泥泛碱抑制剂，按照重量份数计，由以下组分组成：35-50份纳米氧化铝、1.0-2.5份纳米分散剂、35-45份超细粉煤灰和5-20份钙基膨润土。

作为优选方案，所述钙基膨润土为钙钠基膨润土。

作为优选方案，所述纳米氧化铝采用溶胶-凝胶法制得。采用该方法获得的纳米氧化铝粒径小、粒径分布窄，且颗粒为球形。

进一步地，所述纳米氧化铝为γ相或α相，纯度为95-99.9%，其粒径为10nm-50nm。

作为优选方案，所述钙基膨润土的比表面积为350-500m²/kg；所述超细粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，所述超细粉煤灰的比表面积为450-700 m²/kg。

所述纳米氧化铝改性碱激发水泥泛碱抑制剂的制备方法，包括以下步骤：

1）将粉煤灰磨至比表面积为450-700 m²/kg，将钙基膨润土粉磨至比表面积350-500m²/kg；

2）按比例称取超细粉煤灰和钙基膨润土，混匀得混合粉末；

3）将称量好的纳米氧化铝加入水中，然后加入纳米分散剂，搅拌使纳米氧化铝分散均匀，得到均匀稳定的纳米氧化铝溶液；

4）步骤2）所得的混合粉末与步骤3）所得的纳米氧化铝溶液湿混，制得浆体；

5）将浆体烘干，然后粉磨得到纳米氧化铝改性碱激发泛碱抑制剂。

作为优选方案，步骤2）中超细粉煤灰和钙基膨润土之前，先烘干。

作为优选方案，步骤3）中，纳米氧化铝与水的混合比例不低于1:15。

作为优选方案，步骤5）中，浆体在95-110℃下烘干，烘干后粉磨1-3小时。浆体烘干后再粉磨，保证本发明所得的泛碱抑制剂粒径与碱激发水泥差不多，便于与碱激发水泥混合。

使用本发明的泛碱抑制剂时，称取占碱激发水泥质量6-9%的纳米氧化铝改性碱激发水泥泛碱抑制剂，溶解到水中，采用超声分散方式分散5-15分钟，加入到碱激发水泥浆体或者混凝土中即可，该种泛碱抑制剂使用方法简单方便、安全，效果稳定。

本发明的泛碱抑制剂以纳米氧化铝、纳米材料分散剂、超细粉煤灰及钙基膨润土为主要原料，利用纳米氧化铝的晶核效应和微集料填充效应，超细粉煤灰颗粒具有优化碱激发材料粒径分布、后期水化产物填充有害孔；以及钙基膨润土优异的钙钠离子交换属性，通过优化碱激发材料基体孔结构，促进碱激发材料水化硬化，置换基体表面的钠离子等综合作用，达到抑制碱激发材料泛碱的功能化。

本发明可有效抑制碱激发材料泛碱程度，其生产工艺简单方便及安全，现有水泥生产设备即可实现现代化生产，无需新型机械设备投资。且生产出的泛碱抑制剂用于配制碱激发水泥和混凝土具有早强作用，显著提高碱激发水泥混凝土的早期强度，有利于缩短施工工期等

本发明的有益效果为：

1、本发明采用纳米分散剂和二次分散制备方式，对纳米材料进行有效分散，充分发挥纳米材料的晶核作用。

2、超细粉煤灰是一种微球颗粒，具有良好的滚珠效应，可有效调节碱激发水泥工作性能，其粒径尺寸与碱激发水泥相当，不具有强的夺水效应，保证了碱激发水泥的流动度。且超细粉煤灰在后期水化，生成水化硅酸钙凝胶有益于填充硬化浆体的孔洞，前期起到微集料填充效应和浆体润滑效应，后期被化学激发，产物填充有害孔和连通孔，增加硬化浆体的密实度，具有良好的泛碱抑制作用。

3、钙基膨润土具有优异的钙钠离子交换属性，通过优化碱激发材料基体孔结构，促进碱激发材料水化硬化，置换基体表面的钠离子等综合作用，达到抑制碱激发材料泛碱的功能化。

4、本发明的泛碱抑制剂可有效抑制碱激发材料泛碱程度，其生产工艺简单方便及安全，现有水泥生产设备即可实现现代化生产，无需新型机械设备投资，便于推广应用。

5、本发明的泛碱抑制剂用于配制碱激发水泥和混凝土具有早强作用，显著提高碱激发水泥混凝土的早期强度，有利于缩短施工工期；同时可以增加碱激发水泥的抗压强度和密实度。

6、本发明的泛碱抑制剂使用方法与普通硅酸盐水泥制剂相同，仅需先加入水中制成均匀稳定的悬浮液，无需额外补充可溶性碱溶液，避免了可溶性碱溶液制备与使用过程的安全隐患。

7、本发明可有效解决目前碱激发材料泛碱的难题，有利于碱激发水泥及混凝土的推广与广泛应用，从而为开发新型节能建筑材料打下坚实基础，具有很好的经济、社会及环境效益。

8、本发明泛碱抑制剂可大幅降低碱激发水泥混凝土泛碱率，降低幅度高达80%。

具体实施方式

实施例1

一种纳米氧化铝改性碱激发水泥泛碱抑制剂，由以下组分组成：3.5kg纳米氧化铝、0.14kg纳米分散剂、4.5kg超细粉煤灰和2.0kg钙钠基膨润土；纳米分散剂为丙二醇甲醚。

纳米氧化铝改性碱激发水泥泛碱抑制剂的制备方法，包括以下步骤：

1）将粉煤灰磨至比表面积为500 m²/kg，将钙钠基膨润土粉磨至比表面积400m²/kg；将粉磨后的粉煤灰和钙钠基膨润土置于烘箱中，100℃烘箱中烘干2小时；

2）按比例称取烘干的超细粉煤灰和钙钠基膨润土，在混料机中充分混合6小时，得混合粉末；

3）将称量好的纳米氧化铝加入水中（纳米氧化铝与水的质量比为1:15.5），然后加入纳米分散剂（丙二醇甲醚），搅拌使纳米氧化铝分散均匀，得到均匀稳定的纳米氧化铝乳液；

4）步骤2）所得的混合粉末与步骤3）所得的纳米氧化铝溶液湿混，混合时间为2.5小时，制得浆体；

5）将浆体在100℃下烘干6小时，粉磨1.5小时，得到纳米氧化铝改性碱激发泛碱抑制剂。

对比例1

与实施例1不同之处在于，将实施例1中的超细粉煤灰替换为超细矿渣粉。

分别将实施例1以及对比例1制得的泛碱抑制剂按照碱激发水泥质量的8%称量，预先加入水中进行超声分散8分钟，分别与碱激发水泥混合。

按照GB17671-1999水泥胶砂强度试验标准，测定其抗压强度及泛碱程度，以试件养护28天后浸入水中1天，测定浸出液中碳酸根与碳酸氢根离子浓度之和作为评价泛碱程度，测试结果如表1所示。

表1 实施例1与对比例1碱激发水泥物理性能结果对比

由表1可知，实施例1的泛碱抑制剂与空白对照以及对比例1相比，显著提高了碱激发水泥的早期强度；并显著降低了试件浸出液碳酸根与碳酸氢根离子总浓度，本实施例所得泛碱抑制剂可有效抑制碱激发材料泛碱程度。另外，对比例1中试件浸出液碳酸根与碳酸氢根离子总浓度显著高于实施例1，说明本发明的泛碱抑制剂中超细粉煤灰替换为其他物质如超细矿渣粉，其抑制碱激发材料泛碱程度大大降低；主要原因是超细矿渣粉加入使得碱激发水泥中水分被吸附，降低了水化效果，而超细粉煤灰不吸附水分，早期不水化且起到滚珠效应，有利于碱激发水泥的流动性及工作性能。

实施例2

一种纳米氧化铝改性碱激发水泥泛碱抑制剂，由以下组分组成：4.5kg纳米氧化铝、0.16kg纳米分散剂、4.0kg超细粉煤灰和1.5kg钙钠基膨润土；纳米分散剂为二丙二醇甲醚。

1）将粉煤灰磨至比表面积为550 m²/kg，将钙钠基膨润土粉磨至比表面积430m²/kg；将粉磨后的粉煤灰和钙钠基膨润土置于烘箱中，105℃烘箱中烘干2.1小时；

2）按比例称取烘干的超细粉煤灰和钙钠基膨润土，在混料机中充分混合6.5小时，得混合粉末；

3）将称量好的纳米氧化铝加入水中（纳米氧化铝与水的质量比为1:16.5），然后加入纳米分散剂（二丙二醇甲醚），搅拌使纳米氧化铝分散均匀，得到均匀稳定的纳米氧化铝乳液；

4）步骤2）所得的混合粉末与步骤3）所得的纳米氧化铝溶液湿混，混合时间为2.2小时，制得浆体；

5）将浆体在105℃下烘干6.5小时，粉磨2小时，得到纳米氧化铝改性碱激发泛碱抑制剂。

对比例2

与实施例2不同之处在于，采用硅灰代替超细粉煤灰。

分别将实施例2以及对比例2制得的泛碱抑制剂按照碱激发水泥质量的9%称量，预先加入水中进行超声分散8分钟，分别与碱激发水泥混合。

按照GB17671-1999水泥胶砂强度试验标准，测定其抗压强度及泛碱程度，以试件养护28天后浸入水中1天，测定浸出液中碳酸根与碳酸氢根离子浓度之和作为评价泛碱程度，测试结果如表2所示。

表2 实施例2与对比例2碱激发水泥物理性能结果对比

由表2可知，尽管加入对比例2的泛碱抑制剂后，碱激发水泥的强度有所提升、泛碱受到一定程度的抑制，但其效果不如加入实施例2明显。主要原因是硅灰加入使得碱激发水泥中水分被吸附，降低了水化效果，且会造成急凝现象。而超细粉煤灰不吸附水分，早期不水化且起到滚珠效应，有利于碱激发水泥的流动性及工作性能。

实施例3

一种纳米氧化铝改性碱激发水泥泛碱抑制剂，由以下组分组成：5.0kg纳米氧化铝、0.2kg纳米分散剂（0.1kg的丙二醇甲醚和0.1kg二丙二醇甲醚）、3.5kg超细粉煤灰和1.5kg钙钠基膨润土；纳米分散剂为聚乙二醇。

1）将粉煤灰磨至比表面积为570 m²/kg，将钙钠基膨润土粉磨至比表面积460m²/kg；将粉磨后的粉煤灰和钙钠基膨润土置于烘箱中，102℃烘箱中烘干2.5小时；

3）将称量好的纳米氧化铝加入水中（纳米氧化铝与水的质量比为1:18.5），然后加入纳米分散剂（0.15kg聚乙烯醇与0.2kg聚乙二醇），搅拌使纳米氧化铝分散均匀，得到均匀稳定的纳米氧化铝乳液；

4）步骤2）所得的混合粉末与步骤3）所得的纳米氧化铝溶液湿混，混合时间为3小时，制得浆体；

5）将浆体在105℃下烘干7小时，粉磨1.6小时，得到纳米氧化铝改性碱激发泛碱抑制剂。

对比例3

与实施例3不同之处在于，不加纳米分散剂。

分别将实施例3以及对比例3制得的泛碱抑制剂按照碱激发水泥质量的6.0%称量，预先加入水中进行超声分散8分钟，分别与碱激发水泥混合。

按照GB17671-1999水泥胶砂强度试验标准，测定其抗压强度及泛碱程度，以试件养护28天后浸入水中1天，测定浸出液中碳酸根与碳酸氢根离子浓度之和作为评价泛碱程度，测试结果如表3所示。

表3 实施例3与对比例3碱激发水泥物理性能结果对比

由表3可知，尽管加入对比例3的泛碱抑制剂后，碱激发水泥的强度有所提升、泛碱受到一定程度的抑制，但其效果不如加入实施例3明显。主要原因是对比例3未加入纳米分散剂，纳米氧化铝的晶核效应以及微集料填充效应未能充分发挥作用。

Claims

1.一种纳米氧化铝改性碱激发水泥泛碱抑制剂，其特征在于，按照重量份数计，由以下组分组成：25-60份纳米氧化铝、0.5-5份纳米分散剂、20-60份超细粉煤灰和3-25份钙基膨润土；所述纳米分散剂为丙二醇甲醚和/或二丙二醇甲醚。

2.如权利要求1所述纳米氧化铝改性碱激发水泥泛碱抑制剂，其特征在于，按照重量份数计，由以下组分组成：35-50份纳米氧化铝、1.0-2.5份纳米分散剂、35-45份超细粉煤灰和5-20份钙基膨润土。

3.如权利要求1或2所述纳米氧化铝改性碱激发水泥泛碱抑制剂，其特征在于：所述钙基膨润土为钙钠基膨润土。

4.如权利要求1所述纳米氧化铝改性碱激发水泥泛碱抑制剂，其特征在于：所述纳米氧化铝采用溶胶-凝胶法制得。

5.如权利要求4所述纳米氧化铝改性碱激发水泥泛碱抑制剂，其特征在于：所述纳米氧化铝为γ相或α相，纯度为95-99.9%，其粒径为10nm-50nm。

6.如权利要求1所述纳米氧化铝改性碱激发水泥泛碱抑制剂，其特征在于：所述钙基膨润土的比表面积为350-500m²/kg；所述超细粉煤灰为Ⅰ 级粉煤灰，所述超细粉煤灰的比表面积为450-700 m²/kg。

7.如权利要求1所述纳米氧化铝改性碱激发水泥泛碱抑制剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）将粉煤灰磨至比表面积为450-700 m²/kg，将钙基膨润土粉磨至比表面积350-500m²/kg；2）按比例称取超细粉煤灰和钙基膨润土，混匀得混合粉末；3）将称量好的纳米氧化铝加入水中，然后加入纳米分散剂，搅拌使纳米氧化铝分散均匀，得到均匀稳定的纳米氧化铝溶液；4）步骤2）所得的混合粉末与步骤3）所得的纳米氧化铝溶液湿混，制得浆体；5）将浆体烘干，然后粉磨得到纳米氧化铝改性碱激发泛碱抑制剂。

8.如权利要求7所述纳米氧化铝改性碱激发水泥泛碱抑制剂的制备方法，其特征在于：步骤2）中超细粉煤灰和钙基膨润土之前，先烘干。

9.如权利要求7所述纳米氧化铝改性碱激发水泥泛碱抑制剂的制备方法，其特征在于：步骤3）中，纳米氧化铝与水的混合比例不低于1:15。

10.如权利要求7所述纳米氧化铝改性碱激发水泥泛碱抑制剂的制备方法，其特征在于：步骤5）中，浆体在95-110℃下烘干，烘干后粉磨1-3小时。