CN111574166A - 一种碱激发胶凝材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碱激发胶凝材料及其制备方法，属于建筑材料领域，以“甲基硅酸钠和硅酸钠”为固体碱激发剂，被激发对象为工业废料粒化高炉矿渣磨细粉，其中固体碱激发剂按照不同Na2O质量计，所述Na2O质量为高炉矿渣磨细粉的3‑11％，将其干拌混合制得。该胶凝材料的最优配合比28天抗压强度为PO 42.5R水泥1.8倍，且其可直接加水拌合使用，凝结时间适中且可以通过甲基硅酸钠和硅酸钠不同比例进行调节，低碳绿色环保具有良好的工程应用前景。

Description

一种碱激发胶凝材料及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种碱激发胶凝材料及其制备方法。
背景技术
随着全球经济的发展，建筑行业需求量迅猛增长，水泥成为世界上最大宗的商品之一。然而，硅酸盐水泥的生产主要原料为石灰石，生产水泥需要对自然矿产进行大量开采且水泥生产工艺“两磨一烧”排放大量的二氧化碳等有害气体污染环境，所以生产水泥消耗了大量的资源和严重污染环境。随着社会对全球气候变暖和温室气体减排问题的日益关注，研究发展低能耗和低碳技术成为水泥工业的主要所需。
碱激发胶凝材料是一种低碳绿色的建筑材料，其原料主要采用粒化高炉矿渣磨细粉，矿渣磨细粉中含有大量的玻璃相聚合体，具有潜在的水硬活性，可以通过碱激发的方式将其转化为绿色胶凝材料，其具有良好的力学性能、抗冻性和耐高温性能等。然而，目前碱激发胶凝材料常采用的碱激发剂为水玻璃和氢氧化钠混合使用，存在需要单独配制碱溶液工序复杂且稳定性不高、凝结时间过快等问题，制约了其在工程实际中应用推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碱激发胶凝材料及其制备方法，该胶凝材料具有制备操作便捷、凝结时间适宜且可调，力学性能优良及绿色环保等显著特征。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种碱激发胶凝材料，包括有高炉矿渣磨细粉、甲基硅酸钠、硅酸钠和水，以“甲基硅酸钠和硅酸钠”为固体碱激发剂，被激发对象为工业废料粒化高炉矿渣磨细粉，优选由作为碱激发剂的甲基硅酸钠、硅酸钠和作为原材料的粒化高炉矿渣磨细粉和水组成，其中，所述的甲基硅酸钠和硅酸钠混合使用作为碱激发剂，按Na2O质量为矿渣磨细粉质量的3-11％，所述的甲基硅酸钠和硅酸钠分别按Na2O质量比例计为1:4～4:1，所述的水的用量为所述的高炉矿渣磨细粉质量的30-40％。本发明所述碱激发胶凝材料的凝结时间适中且可以通过甲基硅酸钠和硅酸钠不同比例进行调节。
根据上述的技术方案，优选的情况下，所述高炉矿渣磨细粉的比表面积为400m2/kg-450m2/kg，是将粒化高炉矿渣磨至表面积为400m2/kg-450m2/kg的细粉而成。
根据上述的技术方案，优选的情况下，所述的高炉矿渣磨细粉不同批次的主要化学成分质量百分比为：39-41％CaO、31-33％SiO2、14.5-15.5％Al2O3、7.5-8.5％MgO，0.8-1.0％TiO2、0.5-1.0％FeO、0.5％MnO、0.85-1.0％S、0.02-0.3％的吸附水，且上述化学成分的质量百分含量之和为100％；优选的，所述的高炉矿渣磨细粉由营口五矿中板集团提供，S95级。
根据上述的技术方案，优选的情况下，所述的甲基硅酸钠为纯度不小于98％。
根据上述的技术方案，优选的情况下，所述的硅酸钠为Na2O·nSiO2，SiO2与Na2O含量之比为1.0～3.5；更为优选的情况下，所述的硅酸钠为九水合硅酸钠，Na2O与SiO2含量之比为1.03±0.03。
上述的碱激发胶凝材料通过将高炉矿渣磨细粉、甲基硅酸钠、硅酸钠干拌混合制得，其制备方法，包括如下步骤：按照上述比例，将原料高炉矿渣磨细粉、甲基硅酸钠和硅酸钠经干拌混合，之后缓慢向复合粉体内倒入水(其中水的质量占原料质量的30-40％)，搅拌均匀制得碱激发胶凝材料浆体，再将浆体注入模具中采用人工振捣和机械振动成型并覆膜在温度18-22℃、相对湿度不低于50％下养护3天后脱模，得到碱激发胶凝材料净浆试件，随后继续在该条件下(在温度18-22℃、相对湿度不低于50％)养护至28天。
根据上述的技术方案，优选的情况下，所述碱激发胶凝材料浆体具体的制备方法为：将高炉矿渣磨细粉、甲基硅酸钠和硅酸钠经慢速干拌混合2-10min，之后向复合粉体内倒入水，将混合粉体慢速搅拌2-10min，再快速搅拌2-5min，搅拌均匀制得碱激发胶凝材料浆体；所述慢速干拌的速率为150-250rpm，所述慢速搅拌的速率为150-250rpm，所述快速搅拌的速率为350-500rpm。
以“甲基硅酸钠和硅酸钠”为碱激发剂与矿渣磨细粉搅拌均匀并加水搅拌后，甲基硅酸钠和硅酸钠作为碱激发剂可以形成大量的高度均匀致密的Ca-Si-O-H和Ca-Al-Si-O-H凝胶，其中甲基硅酸钠中活性物质促进了进一步水化，从而形成了更多的水化硅酸钙凝胶结构，填充结构孔隙内部，进而密实了微观结构使得宏观性能提高。
本发明的有益效果如下：
第一，该碱激发胶凝材料具有低碳、绿色、环保的特点，采用的原料仅为工业固体废弃物粒化高炉矿渣磨细粉。
第二，通过采用“甲基硅酸钠和硅酸钠”为碱激发剂，操作便捷施工方便，可以先将矿渣磨细粉、甲基硅酸钠和硅酸钠进行混合，待使用时直接加水搅拌即可。
第三，通过采用“甲基硅酸钠和硅酸钠”为碱激发剂，通过调整二者比例，凝结时间适宜且可调整，凝结时间可以控制在初凝时间和终凝时间分别在60-120min和100-360min的适宜范围内，满足施工要求。
第四，通过采用“甲基硅酸钠和硅酸钠”为碱激发剂，通过调整二者比例，可以获得不同力学性能的碱激发胶凝材料，力学性能优异，最优配合比28天抗压强度为PO 42.5R水泥1.8倍，低碳绿色环保具有良好的工程应用前景。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步说明，但实施不对本发明构成限制。
下述实施例中所述的高炉矿渣磨细粉是将粒化高炉矿渣磨至比表面积435m2/kg，高炉矿渣磨细粉主要化学成分占比为：40.72％CaO、32.93％SiO2、14.88％Al2O3、8.01％MgO、0.93％TiO2、0.79％FeO、0.55％MnO、0.89％S、0.3％的吸附水，由营口五矿中板集团提供，S95级。
下述实施例中所述的甲基硅酸钠的纯度为99％。
下述实施例中所述的硅酸钠为九水合硅酸钠，Na2O与SiO2含量之比为1.03±0.03。
实施例1～3
实施例1～3中甲基硅酸钠、硅酸钠的配合比参照表1，胶凝材料的制备方法，具体步骤为：
将原料高炉矿渣磨细粉、甲基硅酸钠和硅酸钠经干拌混合慢速(200±5rpm)干拌3min，缓慢向复合粉体内倒入水，其中水的质量占原料高炉矿渣磨细粉质量的35％，将混合粉体慢速(200±5rpm)搅拌5min，然后再快速(400±10rpm)搅拌2min，搅拌均匀制得碱激发胶凝材料浆体，再将浆体分两次注入40×40×160mm模具中采用人工振捣和机械振动成型并覆膜在温度18-22℃、相对湿度不低于50％下养护3天后脱模，得到碱激发胶凝材料净浆试件，随后继续在该条件下养护至28天。
对比例
对比例的配合比参照表1，胶凝材料的制备方法，具体步骤为：
将实施例1-3中原料高炉矿渣磨细粉替换为PO 42.5R水泥，水的质量占原料PO42.5R水泥质量的50％，其余同实施例1～3。
表1实施例与对比例配合比和性能对比情况
Figure BDA0002505174100000031
注：初凝和终凝时间测试依据GB/T1346-2011《水泥标准稠度用水、凝结时间、安定性检测方法》标准执行；抗压强度测试依据GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO)》标准执行。
由上述可见，采用“甲基硅酸钠和硅酸钠”为碱激发剂，所得抗压强度明显高于PO42.5R水泥材料。这是由于甲基硅酸钠和硅酸钠作为碱激发剂激发矿渣粉，可以形成大量的高度均匀致密的Ca-Si-O-H和Ca-Al-Si-O-H凝胶，其中甲基硅酸钠中活性物质促进了进一步水化，从而形成了更多的水化硅酸钙凝胶结构，填充结构孔隙内部，进而密实了微观结构使得力学性能提高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。同时，相似的矿渣细粉，通过相似的工艺，通过调整甲基硅酸钠和硅酸钠二者的比例和含量也会得到相似的结果。

Claims (7)

1.一种碱激发胶凝材料，其特征在于：包括有高炉矿渣磨细粉、甲基硅酸钠、硅酸钠和水，其中，所述的甲基硅酸钠和硅酸钠作为碱激发剂，所述碱激发剂以Na2O质量计为所述的高炉矿渣磨细粉质量的3-11％，所述的甲基硅酸钠和硅酸钠按Na2O质量比计为1:4～4:1，所述的水的用量为所述的高炉矿渣磨细粉质量的30-40％。
2.根据权利要求1所述的碱激发胶凝材料，其特征在于：所述的高炉矿渣磨细粉的表面积为400m2/kg-450m2/kg。
3.根据权利要求1所述的碱激发胶凝材料，其特征在于：所述的高炉矿渣磨细粉化学成分质量百分比为：39-41％CaO、31-33％SiO2、14.5-15.5％Al2O3、7.5-8.5％MgO、0.8-1.0％TiO2、0.5-1.0％FeO、0.5％MnO、0.85-1.0％S、0.02-0.3％吸附水，且上述化学成分的质量百分含量之和为100％。
4.根据权利要求1所述的碱激发胶凝材料，其特征在于：所述的甲基硅酸钠的纯度不小于98％。
5.根据权利要求1所述的碱激发胶凝材料，其特征在于：所述的硅酸钠为Na2O·nSiO2，SiO2与Na2O含量之比为1.0-3.5。
6.权利要求1-5中任意一项所述的碱激发胶凝材料的制备方法，其特征在于：包括有以下步骤：将高炉矿渣磨细粉、甲基硅酸钠和硅酸钠干拌混合之后向复合粉体内倒入水，搅拌均匀制得碱激发胶凝材料浆体，再将浆体注入模具中采用人工振捣和机械振动成型并覆膜在温度18-22℃、相对湿度不低于50％下养护1-3天后脱模，得到碱激发胶凝材料净浆试件，随后继续在该条件下养护至28-56天。
7.根据权利要求6所述的碱激发胶凝材料的制备方法，其特征在于：所述碱激发胶凝材料浆体具体的制备方法为：将高炉矿渣磨细粉、甲基硅酸钠和硅酸钠经慢速干拌混合2-10min，之后向复合粉体内倒入水，将混合粉体慢速搅拌2-10min，再快速搅拌2-5min，搅拌均匀制得碱激发胶凝材料浆体；
其中，所述慢速干拌的速率为150-250rpm，所述慢速搅拌的速率为150-250rpm，所述快速搅拌的速率为350-500rpm。
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