CN108751821B - 一种地质聚合物混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种地质聚合物混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于混凝土领域，具体公开一种地质聚合物混凝土，由以下原料制备得到：矿粉：280‑320份、粉煤灰：55‑65份、硅灰：35‑40份、复合激发剂：220‑240份、减水剂：1.5‑2份、缓凝剂：0.8‑1.2份、细骨料：665‑692份、粗骨料：1200‑1250份、纤维：4.5‑5.5份，以重量份数计。本发明提出制备的地质聚合物混凝土，利用高含铝的碱性废液与速溶硅酸钠和氢氧化钠制备复合激发剂，可大大减少地质聚合物混凝土激发剂中氢氧化钠的用量，同时废液中的偏铝酸钠可作为地质聚合物体系的活性铝质校正料或部分活性铝质原料，废液中的水分可作混凝土用水的来源，大大降低目前地质聚合物混凝土的制备成本，同时为铝合金原料加工过程中产生的高含铝碱性废液的高效资源化应用提供一条新途径。

Description

一种地质聚合物混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于混凝土领域，具体公开一种地质聚合物混凝土及其制备方法。
背景技术
地质聚合物是利用低钙的活性硅铝质原材经过碱激发而形成的胶凝材料，在激发剂的作用下，活性硅铝质原料中的Si-O、Al-O键发生断裂，形成[SiO4]4-、[AlO4]5-四面体，再经过缩聚形成O-Si-O-Al-O网络状结构的无机聚合物，具有凝结硬化快、早期强度高、耐高温、耐酸碱腐蚀等优点，在交通抢修材料、高强材料、固化核废料、防火材料等领域具有巨大的应用前景。同时有研究表明，以普通混凝土和地质聚合物混凝土的碳足迹为出发点,具体考察两类混凝土在原材料生产、运输、加工以及最终混凝土的制备与运输等环节中的碳排放量，结果表明1m3地质聚合物混凝土的碳排放总量仅为普通混凝土的9％。这使得地质聚合物混凝土的应用研究受到了各方的关注，开发出了适合制备地质聚合物混凝土的多种胶凝体系，例如“偏高岭土-碱”胶凝体系、“偏高岭土-粉煤灰-碱”胶凝体系、“矿渣-粉煤灰-碱”胶凝体系等。然而，尽管地质聚合物混凝土具有上述优点，其制备技术也较为完善成体系，但地质聚合物混凝土的落地推广却并不理想，究其原因，其高昂的制备成本成为限制其应用的主要因素之一。有关研究表明，地质聚合物混凝土的成本是普通混凝土的8-10倍。因此，降成本是目前地质聚合物混凝土推广应用所面临的主要问题之一。
在以铝合金为加工原料的生产工艺过程中，会产生一定量的高含铝碱性废液，该废液的主要成分是偏铝酸钠和氢氧化钠。该废液一般需要先进行中和处理达标后才能排放，不仅消耗酸性中和药剂，同时废液中含有的铝不回收容易造成资源的浪费，所以对该废液的高效资源化利用也是一个亟待解决的问题。
本发明提出制备一种地质聚合物混凝土，利用高含铝碱性废液部分替代聚合物混凝土胶凝体系中碱激发剂和活性铝质校正料/原料，这有利于降低目前地质聚合物混凝土的制备成本，同时为铝合金原料加工过程中产生的高含铝的碱性废液高效资源化利用提供一条新途径。
发明内容
为缓解目前地质聚合物混凝土的制备成本高的问题，以及铝合金原料加工过程中产生的高含铝的碱性混合废液高效利用问题，本发明提供了一种地质聚合物混凝土及其制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种地质聚合物混凝土，由以下原料制备得到：矿粉：280-320份、粉煤灰：55-65份、硅灰：35-40份、复合激发剂：220-240份、减水剂：1.5-2份、缓凝剂：0.8-1.2份、细骨料：665-692份、粗骨料：1200-1250份、纤维：4.5-5.5份，以重量份数计。
作为优选，一种地质聚合物混凝土，由以下原料制备得到：矿粉：290-310份、粉煤灰：55-60份、硅灰：38-40份、复合激发剂：225-235份、减水剂：1.8-2份、缓凝剂：0.9-1.1份、细骨料：670-692份、粗骨料：1220-1250份、纤维：4.5-5份，以重量份数计。
进一步地，一种地质聚合物混凝土，由以下原料制备得到：矿粉：300份、粉煤灰：60份、硅灰：40份、复合激发剂：230份、减水剂：2份、缓凝剂：1份、细骨料：680份、粗骨料：1230份、纤维：4.8份，以重量份数计。
其中，所述的矿粉为S95级矿渣，其比表面积不低于400m2/kg、化学成分中SiO2与Al2O3的质量比为2.6-2.8。
所述的粉煤灰为Ⅰ级、化学成分中SiO2与Al2O3的质量比为2.2-2.5。
所述的复合激发剂为硅酸钠、氢氧化钠、含高铝碱性废液三者的混合物；
其中，所述复合激发剂由以下原料在60-70℃加热条件下配制得到：硅酸钠：30-35份、氢氧化钠：3.8-4.3份、高含铝碱性废液：60-65份。
本发明选择速溶硅酸钠粉剂，模数为2.8-3.0，因为硅酸钠模数越高，越难溶解；相同模数下，速溶硅酸钠比普通硅酸钠更易溶解，市场上有速溶硅酸钠产品，其中模数是硅酸钠中二氧化硅与氧化钠的摩尔比。
本发明优选使用固体氢氧化钠，因为在混凝土水灰比一定的情况下，如果氢氧化钠为溶液，则势必需要减少高铝碱性废液的用量。
所述的高含铝碱性废液中氢氧化钠浓度大于100g/L，偏铝酸钠的浓度大于80g/L。
所述的减水剂选自木质素磺酸盐类减水剂；
所述的缓凝剂选自磷酸盐缓凝剂；
所述的细骨料选自中砂，石英砂或机制砂中的任意几种。
所述的粗骨料选自5-31mm连续级配石子。
所述的纤维为玄武岩纤维，长度10-30mm，长径比为500-1000。
一种地质聚合物混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照上述重量份数，分别称取矿粉、粉煤灰、硅灰、减水剂、缓凝剂、细骨料、粗骨料及纤维，投入到搅拌机中搅拌3-5min，停止搅拌，得到充分混合干粉；
(2)称取一定量的复合激发剂，启动搅拌机，然后将称取的复合激发剂在60s内均匀的加入上述混合干粉中，复合激发剂加完后继续搅拌3-4分钟即可制得所述地质聚合物混凝土。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种地质聚合物混凝土，由以下原料混合搅拌后制备得到：矿粉：280-320份、粉煤灰：55-65份、硅灰：35-40份、复合激发剂：220-240份、减水剂：1.5-2份、缓凝剂：0.8-1.2份、细骨料：665-692份、粗骨料：1200-1250份、纤维：4.5-5.5份，以重量份数计。其中，复合激发剂由速溶硅酸钠、氢氧化钠、含高铝碱性废液三者加热混合配置得到，利用含高铝碱性废液中的氢氧化钠辅助调节硅酸钠的模数，可大大节约氢氧化钠的用量，同时废液中的偏铝酸钠可作为地质聚合物体系的活性铝质校正料或部分活性铝质原料，废液中的水分可作混凝土用水的来源；考虑到外加剂与地质聚合物混凝土的适应性，选择了木质素磺酸盐类减水剂和磷酸盐缓凝剂，使混凝土获得了良好的工作性能。另外，考虑到上述含高铝碱性废液中常含有一定量的Cl－离子，钢筋增强时存在钢筋被锈蚀的风险，选择了玄武岩纤维作为地质聚合物混凝土增强材料。
本发明制备的地质聚合物混凝土，利用高含铝碱性废液与速溶硅酸钠和氢氧化钠制备复合激发剂，可大大减少地质聚合物混凝土激发剂中氢氧化钠的用量，同时废液中的偏铝酸钠可作为地质聚合物体系的活性铝质校正料或部分活性铝质原料，废液中的水分可作混凝土用水的来源，这有利于降低目前地质聚合物混凝土的制备成本，同时为铝合金原料加工过程中产生的高含铝碱性废液的高效资源化应用提供一条新途径。
具体实施方式：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定于本发明。
实施例1：
一种地质聚合物混凝土，由以下原料混合搅拌后制备得到：矿粉(S95级矿渣，比表面积410m2/kg，SiO2与Al2O3质量比为2.8)：300份、粉煤灰(Ⅰ级粉煤灰，SiO2与Al2O3质量比为2.4)：60份、硅灰(SiO2含量97.6％)：40份、复合激发剂：230份、木质素磺酸钠(减水剂)：2份、焦磷酸钠(缓凝剂)：1份、细骨料(石英砂，中砂，细度模数2.5))：680份、粗骨料(5-31mm连续级配石子)：1230份、纤维(玄武岩纤维，长25mm，长径比600)：4.8份，以重量份数计。
其中，复合激发剂由以下原料在加热条件65℃下配制得到：速溶硅酸钠(粉剂，模数2.9)：32份、氢氧化钠(工业级，片剂)4份、高含铝的碱性废液(氢氧化钠浓度为113.1g/L，偏铝酸钠浓度为81.0g/L)：64份。
一种地质聚合物混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照上述重量份数，分别称取矿粉、粉煤灰、硅灰、减水剂、缓凝剂、细骨料、粗骨料及纤维，投入到搅拌机中搅拌3-5min，停止搅拌，得到充分混合干粉；
(2)称取一定量的复合激发剂，启动搅拌机，然后将称取的复合激发剂在60s内均匀的加入上述混合干粉中，复合激发剂加完后继续搅拌3-4分钟即可制得所述地质聚合物混凝土。
实施例2：
一种地质聚合物混凝土，由以下原料混合搅拌后制备得到：矿粉(S95级矿渣，比表面积410m2/kg，SiO2与Al2O3质量比为2.8)：290份、粉煤灰(Ⅰ级粉煤灰，SiO2与Al2O3质量比为2.4)：60份、硅灰(SiO2含量97.6％)：40份、复合激发剂：230份、木质素磺酸钠(减水剂)：2份、焦磷酸钠(缓凝剂)：1份、细骨料(石英砂，中砂，细度模数2.5))：680份、粗骨料(5-31mm连续级配石子)：1230份、纤维(玄武岩纤维，长25mm，长径比600)：4.8份，以重量份数计。
其中，复合激发剂由以下原料在加热条件(65℃)下配制得到：速溶硅酸钠(粉剂，模数2.9)：32份、氢氧化钠(工业级，片剂)4份、高含铝的碱性废液(氢氧化钠浓度为113.1g/L，偏铝酸钠浓度为81.0g/L)：64份。
一种地质聚合物混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照上述重量份数，分别称取矿粉、粉煤灰、硅灰、减水剂、缓凝剂、细骨料、粗骨料及纤维，投入到搅拌机中搅拌3-5min，停止搅拌，得到充分混合干粉；
(2)称取一定量的复合激发剂，启动搅拌机，然后将称取的复合激发剂在60s内均匀的加入上述混合干粉中，复合激发剂加完后继续搅拌3-4分钟即可制得所述地质聚合物混凝土。
实施例3：
一种地质聚合物混凝土，由以下原料混合搅拌后制备得到：矿粉(S95级矿渣，比表面积410m2/kg，SiO2与Al2O3质量比为2.8)：310份、粉煤灰(Ⅰ级粉煤灰，SiO2与Al2O3质量比为2.4)：55份、硅灰(SiO2含量97.6％)：38份、复合激发剂：230份、木质素磺酸钠(减水剂)：2份、焦磷酸钠(缓凝剂)：1份、细骨料(石英砂，中砂，细度模数2.5))：680份、粗骨料(5-31mm连续级配石子)：1230份、纤维(玄武岩纤维，长25mm，长径比600)：4.8份，以重量份数计。
其中，复合激发剂由以下原料在加热条件(65℃)下配制得到：速溶硅酸钠(粉剂，模数2.9)：32份、氢氧化钠(工业级，片剂)4份、高含铝的碱性废液(氢氧化钠浓度为113.1g/L，偏铝酸钠浓度为81.0g/L)：64份。
一种地质聚合物混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照上述重量份数，分别称取矿粉、粉煤灰、硅灰、减水剂、缓凝剂、细骨料、粗骨料及纤维，投入到搅拌机中搅拌3-5min，停止搅拌，得到充分混合干粉；
(2)称取一定量的复合激发剂，启动搅拌机，然后将称取的复合激发剂在60s内均匀的加入上述混合干粉中，复合激发剂加完后继续搅拌3-4分钟即可制得所述地质聚合物混凝土。
实施例4：
一种地质聚合物混凝土，由以下原料混合搅拌后制备得到：矿粉(S95级矿渣，比表面积410m2/kg，SiO2与Al2O3质量比为2.8)：290份、粉煤灰(Ⅰ级粉煤灰，SiO2与Al2O3质量比为2.4)：55份、硅灰(SiO2含量97.6％)：38份、复合激发剂：235份、木质素磺酸钠(减水剂)：2份、焦磷酸钠(缓凝剂)：1份、细骨料(石英砂，中砂，细度模数2.5))：680份、粗骨料(5-31mm连续级配石子)：1230份、纤维(玄武岩纤维，长25mm，长径比600)：4.8份，以重量份数计。
其中，复合激发剂由以下原料在加热条件(65℃)下配制得到：速溶硅酸钠(粉剂，模数2.9)：32份、氢氧化钠(工业级，片剂)4份、高含铝的碱性废液(氢氧化钠浓度为113.1g/L，偏铝酸钠浓度为81.0g/L)：64份。
一种地质聚合物混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照上述重量份数，分别称取矿粉、粉煤灰、硅灰、减水剂、缓凝剂、细骨料、粗骨料及纤维，投入到搅拌机中搅拌3-5min，停止搅拌，得到充分混合干粉；
(2)称取一定量的复合激发剂，启动搅拌机，然后将称取的复合激发剂在60s内均匀的加入上述混合干粉中，复合激发剂加完后继续搅拌3-4分钟即可制得所述地质聚合物混凝土。
实施例5：
一种地质聚合物混凝土，由以下原料混合搅拌后制备得到：矿粉(S95级矿渣，比表面积410m2/kg，SiO2与Al2O3质量比为2.8)：300份、粉煤灰(Ⅰ级粉煤灰，SiO2与Al2O3质量比为2.4)：60份、硅灰(SiO2含量97.6％)：40份、复合激发剂：230份、木质素磺酸钠(减水剂)：2份、焦磷酸钠(缓凝剂)：1份、细骨料(石英砂，中砂，细度模数2.5)：680份、粗骨料(5-31mm连续级配石子)：1230份、纤维(玄武岩纤维，长25mm，长径比600)：4.8份，以重量份数计。
其中，复合激发剂由以下原料在加热条件(65℃)下配制得到：速溶硅酸钠(粉剂，模数2.9)：35份、氢氧化钠(工业级，片剂)3.8份、高含铝的碱性废液(氢氧化钠浓度为113.1g/L，偏铝酸钠浓度为81.0g/L)：65份。
一种地质聚合物混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照上述重量份数，分别称取矿粉、粉煤灰、硅灰、减水剂、缓凝剂、细骨料、粗骨料及纤维，投入到搅拌机中搅拌3-5min，停止搅拌，得到充分混合干粉；
(2)称取一定量的复合激发剂，启动搅拌机，然后将称取的复合激发剂在60s内均匀的加入上述混合干粉中，复合激发剂加完后继续搅拌3-4分钟即可制得所述地质聚合物混凝土。
将实施例1～5制备的地质聚合物混凝土，与不掺高含铝的碱性废液的地质聚合物混凝土进行性能对比，得到如下结果：
Figure GDA0002623094040000071
其中，不掺高含铝碱性废液的地质聚合物混凝土由以下原料混合拌制得到：S95矿粉(S95级矿渣，比表面积410m2/kg，SiO2与Al2O3质量比为2.8)：300份、粉煤灰(Ⅰ级粉煤灰，SiO2与Al2O3质量比为2.4))：60份、硅灰(SiO2含量97.6％)：40份、速溶硅酸钠(粉剂，模数2.9)：76.3份、氢氧化钠(工业级，片剂)：22.5份、水：131.2份、木质素磺酸钠：2份、焦磷酸钠：1份、细骨料(石英砂，中砂，细度模数2.5)：680份、粗骨料(5-31mm连续级配石子)：1230份、纤维(玄武岩纤维，长25mm，长径比600)：4.8份，以重量份数计。
从上述数据对比可知，利用高含铝碱性废液与速溶硅酸钠和氢氧化钠制备的复合激发剂体系，与利用速溶硅酸钠和氢氧化钠制备的常规性复合激发剂体系相比，两者的激发效果近似，表现为激发后抗压强度相近；另外，由上述数据可知，有高含铝碱性废液的复合激发剂体系，使地质聚合物混凝土具有更长的凝结时间，混凝土施工可操作时间延长，可能与高含铝废液中杂质成分有关。这表明利用高含铝碱性废液与速溶硅酸钠和氢氧化钠制备复合激发剂用于地质聚合物混凝土中是可行的。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的修改，均应含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种地质聚合物混凝土，其特征在于：由以下原料制备得到：矿粉：280-320份、粉煤灰：55-65份、硅灰：35-40份、复合激发剂：220-240份、减水剂：1.5-2份、缓凝剂：0.8-1.2份、细骨料：665-692份、粗骨料：1200-1250份、纤维：4.5-5.5份，以重量份数计；所述复合激发剂由以下原料在60-70℃加热条件下配制得到：硅酸钠：30-35份、氢氧化钠：3.8-4.3份、高含铝碱性废液：60-65份。
2.根据权利要求1所述的一种地质聚合物混凝土，其特征在于：由以下原料制备得到：矿粉：290-310份、粉煤灰：55-60份、硅灰：38-40份、复合激发剂：225-235份、减水剂：1.8-2份、缓凝剂：0.9-1.1份、细骨料：670-692份、粗骨料：1220-1250份、纤维：4.5-5份，以重量份数计。
3.根据权利要求2所述的一种地质聚合物混凝土，其特征在于：由以下原料制备得到：矿粉：300份、粉煤灰：60份、硅灰：40份、复合激发剂：230份、减水剂：2份、缓凝剂：1份、细骨料：680份、粗骨料：1230份、纤维：4.8份，以重量份数计。
4.根据权利要求1所述的一种地质聚合物混凝土，其特征在于：所述的矿粉为S95级、比表面积不低于400m2/kg，化学成分中SiO2与Al2O3的质量比为2.6-2.8。
5.根据权利要求1所述的一种地质聚合物混凝土，其特征在于：所述的粉煤灰为Ⅰ级、化学成分中SiO2与Al2O3的质量比为2.2-2.5。
6.根据权利要求1所述的一种地质聚合物混凝土，其特征在于：所述的高含铝碱性废液中氢氧化钠浓度大于100g/L，偏铝酸钠的浓度大于80g/L。
7.根据权利要求1所述的一种地质聚合物混凝土，其特征在于：所述的减水剂为木质素磺酸盐类减水剂。
8.根据权利要求1所述的一种地质聚合物混凝土，其特征在于：所述的缓凝剂为磷酸盐缓凝剂。
9.根据权利要求1所述的一种地质聚合物混凝土，其特征在于：所述的细骨料选自中砂，石英砂或机制砂中的任意几种，所述的粗骨料选自5-31mm连续级配石子。
10.根据权利要求1所述的一种地质聚合物混凝土，其特征在于：所述的纤维为玄武岩纤维。
11.根据权利要求1至10中任一权利要求所述的一种地质聚合物混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照上述重量份数，分别称取矿粉、粉煤灰、硅灰、减水剂、缓凝剂、细骨料、粗骨料及纤维，投入到搅拌机中搅拌3-5min，停止搅拌，得到充分混合干粉；
(2)称取一定量的复合激发剂，启动搅拌机，然后将称取的复合激发剂在60s内均匀的加入上述混合干粉中，复合激发剂加完后继续搅拌3-4分钟即可制得所述地质聚合物混凝土。
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