CN112159130A

CN112159130A - 用于临时性喷锚支护工程的地聚物胶凝材料及其制备方法

Info

Publication number: CN112159130A
Application number: CN202010922498.2A
Authority: CN
Inventors: 陈伟全; 欧阳舜添; 罗能; 朱文峰
Original assignee: Hunan No6 Engineering Co Ltd
Current assignee: Hunan No6 Engineering Co Ltd
Priority date: 2020-09-04
Filing date: 2020-09-04
Publication date: 2021-01-01

Abstract

一种用于临时性喷锚支护工程的地聚物胶凝材料及其制备方法，该地聚物胶凝材料主要由原料低钙粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、碱活化剂混配制成，所述碱活化剂由水玻璃与氢氧化钠或氢氧化钾和水调制而成，所述碱活化剂中，M₂O与SiO₂的摩尔比为0.50~0.78，M代表Na或K。本发明还包括所述地聚物胶凝材料的制备方法。在常温下，本发明地聚物胶凝材料可以快速凝结固化并产生强度。本发明材料特别适用于临时性边坡支护工程等类似需要快速取得强度的胶凝材料，具有早强快硬、配置简单、绿色环保的优点。

Description

用于临时性喷锚支护工程的地聚物胶凝材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种建筑材料，尤其是涉及一种用于临时性喷锚支护工程的地聚物胶凝材料及其制备方法。

背景技术

水泥是一种传统的胶凝材料，为人类经济发展与社会进步做出巨大贡献的同时，由于其高资源、高能源消耗、高碳排放以及其他严重环境污染，越来越不符合当前可持续发展战略的要求。根据计算分析，生产一吨水泥需要排放0.58吨CO₂，而每年生产水泥所排放的二氧化碳占到了建筑行业总碳排放量的21.8%，严重加剧了温室效应与全球变暖的趋势。

地聚合物是一种新型胶凝材料，也可以认为，是广义上的铝硅酸盐高性能材料，但并非特指以粉煤灰和矿渣为主要原材料合成的这类物质。一般是将低钙粉煤灰与矿渣粉通过一定比例混合，用碱活化剂作激活剂，使分子间发生脱水缩聚反应，形成以铝硅酸盐为框架的胶凝材料。由于该胶凝材料中，硅氧四面体与铝氧四面体独有的四面体网络结构，使该种材料具有良好的机械性能。

由于其制备过程中的能耗非常低，且仅排放少量二氧化碳，因此，其对环境友好并且可以很好地被回收再利用，是一种可持续发展的“绿色环保材料”。

但现有地聚物胶凝材料也存在一些缺陷。

CN201610141817.X公开了一种增强型的地聚物胶凝材料，其反应机理依靠磷酸盐与多聚磷酸盐水解促进地聚反应，同时生成包裹碱金属阳离子的含磷复盐作为第二相，增强了地聚物的力学性能。但由于该方法生成的含磷复盐中包裹的碱金属阳离子仍具有较高的化学活性，因此，在侵蚀环境中的化学安定性欠佳。

CN107746212A于2018年3月2日公开了一种改性增强型地聚物胶凝材料，包括以下组分：复配硅铝质粉料40-60份、复配碱激发剂70-90份、改性剂5-15份，缩合磷酸盐促进剂2-6份，所述复配硅铝质粉料包括偏高岭土20-30份、粉煤灰10-20份、矿渣5-10份、钢渣5-10份，硅灰4-6份及纳米二氧化硅1-2份。其抗压强度高，化学稳定性好，但配方复杂，制造成本高，不适合用于临时性喷锚支护工程。

目前，应用于临时性喷锚支护工程的水泥，一般为普通硅酸盐水泥。不仅在制备过程中，存在高资源消耗、高能源消耗及高碳排放等环境污染问题，而且，如果雨水侵蚀时间较长，喷射混凝土的机械性能会明显下降，导致混凝土面出现开裂甚至脱落的现象。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述问题，提供一种用于临时性喷锚支护工程的地聚物胶凝材料及其制备方法。该材料可在室温下快速凝结并产生足够的强度，28天强度可达40~70Mpa，并且生产该材料所需耗费的能量低得多，二氧化碳排放量少得多，同时，生产成本低。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种地聚物胶凝材料，主要由原料低钙粉煤灰及粒化高炉矿渣粉、碱活化剂混配而成，其中碱活化剂由氢氧化钠或氢氧化钾与粘稠液体状的钠水玻璃或钾水玻璃调制而成，所述碱活化剂中，M₂O与SiO₂的摩尔比为0.50~0.78，M代表Na或K。

进一步，所述原料中还包括有减水剂。

进一步，各原料配比，按重量百分比为：低钙粉煤灰50~70%，粒化高炉矿渣粉10~20%，碱活化剂3~30%，减水剂0~2%。

进一步，所述低钙粉煤灰的CaO含量，按重量百分比小于8%。

进一步，所述粒化高炉矿渣粉的比表面积为300~400m²/kg。

进一步，所述减水剂为三聚氰胺系减水剂或氨基磺酸系减水剂。

本发明地聚物胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将碱金属的氢氧化物与粘稠液体状的钠水玻璃或钾水玻璃混合，使其摩尔比M₂O∶SiO₂控制在0.50~0.78之间，制成碱活化剂；M代表Na或K；

（2）将低钙粉煤灰与粒化高炉矿渣粉混合，并搅拌均匀，得低钙粉煤灰与粒化高炉矿渣粉的混合物；

（3）将碱活化剂掺入低钙粉煤灰与粒化高炉矿渣粉的混合物中，并搅拌均匀，得低钙粉煤灰、粒化高炉矿渣粉与碱活化剂的混合料；

（4）将所述混合料在室温下养护3d~28d，即得到本发明地聚物胶凝材料。

进一步，步骤（1）中，所得的碱活化剂静置24小时后，备用。

进一步，步骤（1）中，所述碱金属的氢氧化物为氢氧化钠或氢氧化钾，优选氢氧化钾。选用氢氧化钾，有利于提高胶凝材料的机械性能、抗压强度。

将碱活化剂的摩尔比M₂O∶SiO₂控制在0.50~0.78之间，可使其具有较高的活性，配制后静置24小时后再使用，有利于金属离子的混合，以进一步提高活性。

本发明地聚物胶凝材料，调整其新拌混合物凝结时间的方法是，通过碱活化剂与减水剂掺合使用实现，具体方法为：

1、减水剂和碱活化剂在本发明地聚物胶凝材料中掺量范围分别控制为胶凝材料总质量的0~2%和3~30%，凝结时间控制在0.5~12小时范围内；

2、减水剂掺量为0时，调整碱活化剂掺量时期凝结固化，随着掺入量增大，凝结时间缩短，凝结时间宜控制在0.5~2小时范围内；

3、掺入减水剂，凝结时间将延长，增大减水剂掺入量能使凝结时间增加，同时应增加一定量的活化剂防止凝结时间过长或强度降低。

本发明地聚物胶凝材料主要的分子结构为无定形的铝硅酸盐聚合物，其具有硅氧四面体与铝氧四面体独有的四面体网络结构，有着良好的机械性能；抗压强度指标满足《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）中42.5R等级普通硅酸盐水泥的要求；并且，新拌混合物在不添加减水剂时，其凝结时间大大小于普通硅酸盐水泥。所以，本发明地聚物胶凝材料在一定领域内能取代甚至优于普通硅酸盐水泥；本发明主要使用工业废弃物低钙粉煤灰和粒化高炉矿渣粉作原料，配制过程能耗低，而且配方简单，制造成本较普通硅酸盐水泥低得多；无二氧化碳排放；特别适用于对于临时边坡支护等早期强度有较高要求的工程。本发明材料特别适用于临时性边坡支护工程等类似需要快速取得强度的胶凝材料。具有早强快硬、配制简单、绿色环保的优点。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐述本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

在配制地聚物胶凝材料前，基于pH值对原材粉煤灰进行测试，以防止配制出的胶凝材料出现急速硬化的现象。方法为：将5g粉煤灰溶于50ml的去离子水中，在1至5分钟内测试其pH值，根据pH值可将粉煤灰分为以下三类：

l pH<8，该类为低钙粉煤灰，没有急速硬化的风险；

l 8<pH<10, 该类为低游离石灰含量的高钙粉煤灰，将较快的硬化；

l pH>10，该类为高游离石灰含量的高钙粉煤灰，有可能急速硬化。

下述实施例中采用的粒化高炉矿粉等级为S95级，比表面积为385m²/kg，其主要成分见表1。

下述实施例中采用的低钙粉煤灰均取自淮南某电厂，比表面积为400m²/kg，其主要成分见表2。

市售的液体状钠水玻璃固含量38.4%，含有9.3%Na₂O，29.1%SiO₂和61.6%的水；市售的液体状钾水玻璃含有33.5%Na₂O和62.5%SiO₂；氢氧化钠为含量为99%的固体片状或颗粒状晶体；氢氧化钾为含量82%的白色粉末或片状固体。

表 1 本发明用S95级粒化高炉矿渣粉的主要化学成分及含量（wt%）

表2 本发明用低钙粉煤灰的主要化学成分及含量（wt%）

实施例1

本实施例制备方法包括以下步骤：

（1）将氢氧化钠与钠水玻璃混合，控制其摩尔比Na₂O∶SiO₂为0.65，制成碱活化剂静置24小时后，备用；

（2）将低钙粉煤灰与粒化高炉矿渣粉按比例混合并搅拌均匀，使低钙粉煤灰与粒化高炉矿渣粉的质量比为4∶1；

（3）将碱活化剂掺入低钙粉煤灰与粒化高炉矿渣粉的混合物中，并搅拌均匀，碱活化剂占胶凝材料总质量百分比为15%，控制体系水灰比为0.425，得碱活化剂、低钙粉煤灰与粒化高炉矿渣粉的混合料；

实施例2

本实施例与实施例1的区别仅在于：步骤（1）中，将氢氧化钾和钾水玻璃混合，控制其摩尔比K₂O∶SiO₂为0.65，制成碱活化剂。余同实施例1。

实施例3

本实施例与实施例1的区别仅在于：步骤（2）中，将低钙粉煤灰与粒化高炉矿渣粉按质量比为3∶1的比例混合，搅拌均匀。其余同实施例1。

实施例4

本实施例包括以下步骤：

（1）将氢氧化钠和钠水玻璃混合，控制其摩尔比Na₂O∶SiO₂为0.5，制成碱活化剂静置24小时后备用；

（2）将低钙粉煤灰与粒化高炉矿渣粉按4∶1的比例混合，并搅拌均匀；

（3）将碱活化剂掺入低钙粉煤灰与粒化高炉矿渣粉的混合物中，并搅拌均匀，碱活化剂占胶凝材料总质量的15%；控制体系水灰比为0.425；得碱活化剂、低钙粉煤灰与粒化高炉矿渣粉的混合料；

实施例5

本实施例与实施例4的区别仅在于：步骤（1）中，将氢氧化钾和钾水玻璃混合，控制其摩尔比K₂O∶SiO₂为0.5。其余同实施例4。

实施例6

本实施例与实施例4的区别仅在于：步骤（2）中，将低钙粉煤灰与粒化高炉矿渣粉按质量比为3∶1的比例混合，并搅拌均匀。其余同实施例4。

由以上六个实施例制备的地聚物胶凝材料的基本性能见表3.

表3 适用于临时性喷锚支护工程的地聚物胶凝材料的基本性能

由上述实施例可知，在室温养护下的用于临时性喷锚支护工程的地聚物胶凝材料的抗压强度指标满足《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）中42.5R等级普通硅酸盐水泥的要求。并且在不添加减水剂时，其凝结时间大大小于普通硅酸盐水泥。所以，本发明地聚物胶凝材料在一定领域内能取代甚至优于普通硅酸盐水泥，特别是对于临时性边坡支护等早期强度有较高要求的工程。

以上对于六个实施例的描述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，本发明不限于上述实施例，本领域的技术人员在不脱离本发明所做出的修改与改进都在本申请的权利要求请求保护的范围之内。

Claims

1.一种用于临时性喷锚支护工程的地聚物胶凝材料，其特征在于，主要由原料低钙粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、碱活化剂混配制成；所述碱活化剂中，M₂O与SiO₂的摩尔比为0.50~0.78，M代表Na或K。

2.根据权利要求1所述的用于临时性喷锚支护工程的地聚物胶凝材料，其特征在于，所述原料中还包括有减水剂。

3.根据权利要求1或2所述的用于临时性喷锚支护工程的地聚物胶凝材料，其特征在于，各原料配比，按重量百分比为：低钙粉煤灰50~70%，粒化高炉矿渣粉10~20%，碱活化剂3~30%，减水剂0~2%。

4.根据权利要求1或2所述的用于临时性喷锚支护工程的地聚物胶凝材料，其特征在于，所述低钙粉煤灰的CaO含量，按重量百分比小于8%。

5.根据权利要求1或2所述的适用于临时性喷锚支护工程的地聚物胶凝材料，其特征在于：所述粒化高炉矿渣粉的比表面积为300~400m²/kg。

6.根据权利要求3所述的适用于临时性喷锚支护工程的地聚物胶凝材料，其特征在于：所述粒化高炉矿渣粉的比表面积为300~400m²/kg。

7.根据权利要求1或2所述的适用于临时性喷锚支护工程的地聚物胶凝材料，其特征在于：所述减水剂为三聚氰胺系减水剂或氨基磺酸系减水剂。

8.一种如权利要求1-7之一所述的用于临时性喷锚支护工程的地聚物胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将碱金属的氢氧化物氢氧化钠或氢氧化钾与粘稠液体状的钠水玻璃或钾水玻璃混合，使其摩尔比M₂O∶SiO₂控制在0.50~0.78之间，制成碱活化剂；M代表Na或K；

（3）将碱活化剂掺入低钙粉煤灰与粒化高炉矿渣粉的混合物中，必要时，还掺入减水剂，并搅拌均匀，得混合料；

9.根据权利要求8所述的用于临时性喷锚支护工程的地聚物胶凝材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所得的碱活化剂配制完成，静置24小时后，备用。