CN111253094A - 一种地质聚合物凝胶材料及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种地质聚合物凝胶材料及其应用,制备所述地质聚合物凝胶材料以红砖土、粉煤灰和矿渣作为前驱体,利用硅酸钠和/或氢氧化钠作为激发剂,制备得到的凝胶材料工作性良好,可用于制备砂浆或混凝土。本发明所述的前驱体均属于工业废弃物和建筑垃圾,其中,红砖土露天堆放引起粉尘逸散,会带来严重的环境问题,二次消纳还增加处置成本;粉煤灰和矿渣的价格低廉。经本发明制备得到的地质聚合物砂浆中粉煤灰和矿渣中的硅铝成分的键合重新活化、断裂并重组,产生良好的胶凝性,其强度和耐久性等方面均优于普通硅酸盐水泥制备的混凝土,是一种绿色建筑材料。

Description

一种地质聚合物凝胶材料及其应用
技术领域
本发明属于无机非金属材料领域,特别涉及一种地质聚合物凝胶材料及其应用。
背景技术
随着中国城镇化建设的持续进行,大规模的拆迁改造工程产生大量的废弃建筑垃圾,如砖瓦结构中红砖土、混凝土粉尘以及各种大小不一,形状不规则的粗细骨料等。根据中华研普行业调研报告对国内建筑垃圾产生量的预测,到2020年我国的建筑垃圾产量将达到接近40亿吨。而当前我国对于建筑垃圾的回收利用率仅有5%,主要处理方式是堆放和填埋或焚烧。这种粗放型的处理方式与发达国家的高回收利用率相比差距很大。若继续采取简单的堆放方式,每年新产生超过3亿吨的建筑垃圾就要占用超过200平方公里的土地。同时,由于露天或者填埋所带来的的环境问题比如粉尘的逸散(扬尘)等也非常严峻。因此如何有效并大量处理和利用这些建筑垃圾便成为了当务之急。同时,近些年来,由于水泥制造成本的增加和节能减排、可持续发展的要求,地质聚合物技术再一次被工业界和科研人员所重视。
目前已公开的技术主要侧重地聚物胶凝材料的制备,尝试以不同的工业废弃物作为碱激发的原材料。如2014年刘铮等公开了一种使用赤泥制备地聚物胶凝材料的思路和制备方法。中科盛联在2018年推出了通过就地回收利用处理城市废弃建筑垃圾的方法。项目中把废弃物中的水泥、钢筋、木材和砂石等利用不同成分和物理性能进行重新分类整理。如水泥块和砂石等进行破碎机破碎,然后筛分,不同规格的骨料颗粒用于铁路路基道渣、预制地砖或者路基找平层等。但并未提出对粉尘如何进行有效利用,对于粉尘的处理几乎为空白。同时,近些年来,水泥制造成本不断增加,对节能减排和可持续发展的要求也越来越高。
发明内容
针对上述存在的问题,本发明的目的是消纳建筑垃圾中的粉尘,结合地聚物的制备,提供一种地质聚合物凝胶材料及其应用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种地质聚合物凝胶材料,原料包括前驱体和激发剂,激发剂含量为前驱体质量分数的5%-10%:
所述前驱体包括红砖土、粉煤灰和矿渣,重量份数比为:
红砖土 1
粉煤灰 0.5-2
矿渣 0.5-2;
所述激发剂为硅酸钠、氢氧化钠或两者的混合物。
本发明的另一方面:
上述的地质聚合物凝胶材料的应用,所述凝胶材料可应用于制备砂浆和混凝土。
一种地质聚合物砂浆的制备方法,包括以下步骤:
1)将红砖土、粉煤灰和矿渣以及细骨料按照比例混合均匀,得到砂浆;
所述红砖土、粉煤灰和矿渣,重量份数比为:
红砖土 1
粉煤灰 0.5-2
矿渣 0.5-2;
所述细骨料为粒径小于4.75mm的细砂;
2)用自来水溶解固体粉末状激发剂,激发剂的摩尔浓度为1-3mol/L,得到激发剂溶液;
3)将激发剂溶液加入到步骤1)得到的砂浆中,用搅拌机搅拌使其混合均匀,得到地质聚合物砂浆,再采用高温水热养护12-36小时,聚合反应足够充分后,即制备得到不同养护龄期下的地质聚合物砂浆试块。
进一步的,步骤3)中养护时的水温为50℃-65℃。
一种地质聚合物混凝土的制备方法,包括以下步骤:
1)将红砖土、粉煤灰、矿渣及骨料按照比例混合均匀,得到砂浆;
所述红砖土、粉煤灰和矿渣,重量份数比为:
红砖土 1
粉煤灰 0.5-2
矿渣 0.5-2;
所述骨料为细骨料和粗骨料的混合物,细骨料为粒径小于4.75mm的细砂,粗骨料为粒径大小为14-20mm的花岗岩;
2)用自来水溶解固体粉末状激发剂,激发剂的摩尔浓度为1-3mol/L,得到激发剂溶液;
3)将激发剂溶液加入到步骤1)得到的砂浆中,用搅拌机搅拌使其混合均匀,得到地质聚合物砂浆,加入模具中再经过两分钟振捣,再采用高温水热养护12-36小时,聚合反应足够充分后,即制备得到不同养护龄期下的地质聚合物混凝土试块。
本发明相比现有技术的有益效果为:
1、本发明将地聚物的优势和对粉尘处理的业界空白结合起来,首次尝试使用废弃建筑中产生的惰性红砖土粉尘来部分替代具有火山灰活性和潜在水硬性的粉煤灰和矿渣制备地质聚合物材料,处理了对大气环境等有害的固体粉尘颗粒,同时大大减轻工业废弃物运输填埋等处理方式对环境造成的潜在威胁和对耕地的大量占用,对废弃建筑垃圾资源化利用具有重要意义;
2、本发明所述的地质聚合物砂浆的制备方法,非常简单,同时,制备过程中所产生的二氧化碳远低于普通硅酸盐水泥,加之其原材料如粉煤灰、矿渣等也都比水泥价格低廉,并且,其强度和耐久性等方面均不逊于甚至优于普通硅酸盐水泥制备的混凝土,完全可替代传统硅酸盐水泥,是一种典型的绿色建筑材料;
3、本发明所述的地质聚合物砂浆中,通过采用少量适当浓度碱液作为激发剂和一定温度处理,使粉煤灰和矿渣中的硅铝成分的键合重新活化、断裂并重组,产生良好的胶凝性。在此过程中将粉尘也一并粘合起来,其替代比例可达到50%。经实验发现,若原料中红砖土比例多于60%,制备得到的地质聚合物砂浆强度会明显降低,水热养护后,3天强度超不过30MPa,并且后期强度也会减小;如果红砖土多于80%,基本无法成型,因此本发明中选定红砖土的比例不高于50%,以保地质聚合物砂浆的强度;
4、本发明所述的地质聚合物砂浆,可直接用于现场路基的铺设以及其他建筑设施建设,如人行道和地坪等;
5、本发明所述的地质聚合物砂浆,降低了原有建筑垃圾处理中运输红砖土的运输成本,并且有效利用了粉煤灰和矿渣,既节能又环保。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种地质聚合物凝胶材料,所述凝胶材料的原料包括前驱体和激发剂,激发剂含量为前驱体质量分数的8%;
所述前驱体由红砖土、粉煤灰和矿渣组成,所述各原料的重量份数比为:
红砖土 2
粉煤灰 1
矿渣 1;
所述激发剂为硅酸钠。
所述红砖土是处置线上布袋除尘器收集的细微粉尘,由于建筑垃圾处置线上有红砖因此粉尘显红色,故此称之为红砖土。红砖土如果无法得到有效利用,一方面堆放影响粉尘逸散,另一方面是没有很好的用处,二次消纳增加了处置成本。
对比例
本对比例提供了一种地质聚合物凝胶材料,所述凝胶材料的原料包括前驱体和激发剂,激发剂含量为前驱体质量分数的8%;
所述前驱体为红砖土,激发剂为硅酸钠。
使用本对比例所述凝胶材料制备砂浆,方法为:
所述硅酸钠固体粉末用自来水溶解,得到激发剂溶液,其中,硅酸钠的摩尔浓度约为1.79 mol/L;将激发剂溶液加入到前驱体以及细骨料的固体混合物中,充分混合均匀,得到地质聚合物砂浆,所述前驱体与细骨料(粒径小于4.75mm的细沙)的重量份数比为1:1.8。采用60℃高温水热养护24小时。
但由于所述前驱体选用红砖土,直接添加激发剂,几乎没有凝胶性,造成砂浆无法成型,无法作为凝胶材料使用。
经过多次反复试验,若原料中红砖土比例多于60%,制备得到的地质聚合物砂浆强度会明显降低,水热养护后,3天强度超不过30MPa,并且后期强度也会减小;如果红砖土多于80%,基本无法成型。所述前驱体中红砖土的比例不高于50%,才可保地质聚合物砂浆的强度。
实施例2
本实施例提供了一种地质聚合物砂浆,制备所述地质聚合物砂浆的原料包括凝胶材料和细骨料;所述凝胶材料的原料包括前驱体和激发剂:所述前驱体由红砖土、粉煤灰和矿渣组成,重量份数比为:
红砖土 2
粉煤灰 1
矿渣 1;
所述激发剂为硅酸钠固体粉末;
所述细骨料为粒径小于4.75mm的细沙;
所述硅酸钠固体粉末用自来水溶解,得到激发剂溶液,其中,硅酸钠的摩尔浓度约为1.79 mol/L(硅酸钠粉末作为固体激发剂含量占所述前驱体质量分数的8%);将激发剂溶液加入到所述前驱体以及细骨料的固体混合物中,充分混合均匀,得到地质聚合物砂浆,所述凝胶材料与细骨料的重量份数比为1:1.8。采用60℃高温水热养护24小时,聚合反应足够充分后,即制备得到地质聚合物砂浆试块。
经检测,3天、7天、14天和28天后,地质聚合物砂浆试块的抗压强度分别达到35.8MPa、36.3 MPa、39.8 MPa和39.8MPa。此抗压强度可使其广泛应用于建筑工程中。
实施例3
本实施例提供了一种地质聚合物砂浆,其制备方法和原料基本与实施例2相同,不同之处在于,本实施例使用的激发剂为硅酸钠和氢氧化钠的混合物,两者比例为1:1。
经检测,3天、7天、14天和28天后,本实施例得到的地质聚合物砂浆试块的抗压强度分别达到36.3 MPa、37.1 MPa、40.9 MPa和40.9MPa。此抗压强度可使其广泛应用于建筑工程中。
实施例4
本实施例提供了一种地质聚合物混凝土,制备所述地质聚合物混凝土的原料包括以红砖土、粉煤灰和矿渣(前驱体)、碱激发剂以及粗细骨料。
所述地质聚合物混凝土的制备方法,包括以下步骤:
1)将红砖土、粉煤灰、矿渣及骨料按照比例混合均匀,得到砂浆;
所述红砖土、粉煤灰和矿渣,重量份数比为:
红砖土 2
粉煤灰 1
矿渣 1;
所述骨料为细骨料和粗骨料的混合物,细骨料为粒径小于4.75mm的细砂,粗骨料为粒径大小为14-20mm的花岗岩;细骨料质量为胶凝材料的1-2倍,细骨料和粗骨料总质量为胶凝材料的2-2.5倍;
2)用自来水溶解固体粉末状激发剂,激发剂的摩尔浓度为1-3mol/L,得到激发剂溶液;
3)将激发剂溶液加入到步骤1)得到的砂浆中,用搅拌机搅拌使其混合均匀,得到地质聚合物砂浆,加入模具中再经过两分钟振捣,再60℃以及相对湿度50%以上的条件下养护12-36小时,聚合反应足够充分后,即制备得到不同养护龄期下的地质聚合物混凝土试块。

Claims (7)

1.一种地质聚合物凝胶材料,其特征在于,所述凝胶材料的原料包括前驱体和激发剂,激发剂含量为前驱体质量分数的5%-10%:
所述前驱体包括红砖土、粉煤灰和矿渣,重量份数比为:
红砖土 1
粉煤灰 0.5-2
矿渣 0.5-2;
所述激发剂为硅酸钠、氢氧化钠或两者的混合物。
2.根据权利要求1所述的地质聚合物凝胶材料,其特征在于,所述前驱体的重量份数比为:
红砖土 2
粉煤灰 1
矿渣 1。
3.根据权利要求1所述的地质聚合物凝胶材料,其特征在于,所述激发剂含量为凝胶材料质量分数的8%。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的地质聚合物凝胶材料的应用,其特征在于,所述凝胶材料可应用于制备砂浆和混凝土。
5.一种地质聚合物砂浆的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:
1)将红砖土、粉煤灰和矿渣以及细骨料按照比例混合均匀,得到砂浆;
所述红砖土、粉煤灰和矿渣,重量份数比为:
红砖土 1
粉煤灰 0.5-2
矿渣 0.5-2;
所述细骨料为粒径小于4.75mm的细砂;
2)用自来水溶解固体粉末状激发剂,激发剂的摩尔浓度为1-3mol/L,得到激发剂溶液;
3)将激发剂溶液加入到步骤1)得到的砂浆中,用搅拌机搅拌使其混合均匀,得到地质聚合物砂浆,再采用高温水热养护12-36小时,聚合反应足够充分后,即制备得到不同养护龄期下的地质聚合物砂浆试块。
6.根据权利要求5所述的地质聚合物砂浆的制备方法,其特征在于,步骤3)中养护时的水温为50℃-65℃。
7.一种地质聚合物混凝土的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:
1)将红砖土、粉煤灰、矿渣及骨料按照比例混合均匀,得到砂浆;
所述红砖土、粉煤灰和矿渣,重量份数比为:
红砖土 1
粉煤灰 0.5-2
矿渣 0.5-2;
所述骨料为细骨料和粗骨料的混合物,细骨料为粒径小于4.75mm的细砂,粗骨料为粒径大小为14-20mm的花岗岩;
2)用自来水溶解固体粉末状激发剂,激发剂的摩尔浓度为1-3mol/L,得到激发剂溶液;
3)将激发剂溶液加入到步骤1)得到的砂浆中,用搅拌机搅拌使其混合均匀,得到地质聚合物砂浆,加入模具中再经过两分钟振捣,再采用高温水热养护12-36小时,聚合反应足够充分后,即制备得到不同养护龄期下的地质聚合物混凝土试块。
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