CN112408819A - 一种矿渣基碱激发胶凝材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种矿渣基碱激发胶凝材料及其制备方法和应用，所述矿渣基碱激发胶凝材料，含有如下各组分：矿渣70‑99质量份；硅钙渣1‑30质量份；还包含占矿渣和硅钙渣总质量1％～5％的碱激发剂，以其中包含的Na₂O计。与现有的碱激发矿渣胶凝材料及其制备技术相比，本发明提供的矿渣基碱激发胶凝材料具有强度性能优异、凝结时间易调、碱掺量低、激发剂无须预先调整模数等优点，因此成本较低、制备工艺简单，具有广阔的市场应用前景。

Description

一种矿渣基碱激发胶凝材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种矿渣基碱激发胶凝材料及其制备方法和应用，属于建筑材料领域。

背景技术

碱激发胶凝材料是指以碱为激发剂，通过碱的激发作用使固体原料产生胶凝活性的一种新型无机水硬性胶凝材料。固体原料通常指具有潜在胶凝活性的硅铝质原料；碱激发剂通常为苛性碱(MOH，M为碱金属，下同)以及可溶性的碱金属盐(M₂CO₃、M₂SO₄、M₂O·nSiO₂等)。矿渣因其稳定的生产工艺和较高的潜在胶凝活性，是目前碱激发胶凝材料研究过程中使用最为广泛的原材料种类之一。以矿渣为原料制备的碱激发胶凝材料通常被称为碱-激发矿渣水泥/碱激发矿渣胶凝材料/碱矿渣水泥/碱矿渣胶凝材料等。硅酸钠(Na₂O·nSiO₂，n为模数)因其既可以水解释放出OH^-为碱激发反应提供必须的碱性环境，又可提供一定的[SiO₄]^4-从而促进早龄期碱激发反应的进行，因此往往较NaOH等其他种类激发剂具有更好的激发效果。硅酸钠通常以含水溶液形式存在，因此液体硅酸钠往往又称为水玻璃/水玻璃溶液/液体水玻璃。鉴于其较好的激发效果以及来源广泛、价格便宜等优点，水玻璃是目前激发效果最好、研究和使用最为广泛的激发剂种类。

以水玻璃为激发剂、矿渣为原材料制备的碱激发胶凝材料因其较硅酸盐水泥具有更为优异的强度、耐化学腐蚀、耐高温等性能而得到了广大水泥科研工作者的青睐。激发剂溶液的碱度(pH)是决定碱激发反应过程的关键因素。以水玻璃为激发剂时，硅酸钠的浓度以及模数是激发剂溶液碱度的决定性因素-激发剂溶液的pH值随硅酸钠浓度的提高以及模数的降低而呈逐渐增大趋势。通常情况下，为充分激发矿渣的胶凝活性，获得优异的早龄期强度性能，在胶凝材料制备过程中往往须掺入过量(Na₂O>5.0％)、特定的低模数(<2.0)碱激发剂以保证碱激发反应过程的快速进行。然而，由于过量碱激发剂的掺入，胶凝材料的成本偏高。这极大地限制了该类材料的推广和应用。另一方面，通过该方法虽然可获得优异的早龄期强度性能，但同时也会造成胶凝材料凝结时间过短等性能缺陷。此外，由于SiO₂含量为66％～76％(对应模数约为2.1～3.4)时所对应硅酸钠的熔点最低，出于节能目的，工业中生产的水玻璃模数通常只有2.2～2.5、2.6～2.9、3.1～3.4三个范围，因此以水玻璃为激发剂制备胶凝材料时，往往须提前采用NaOH对其模数进行调整。这无疑进一步增加了胶凝材料制备过程的复杂程度。加之模数过低时水玻璃极易因稳定性下降而结晶析出。这又为水玻璃的存储、运输以及所制备胶凝材料的性能造成了极大的不确定性。因此，如何在维持胶凝材料性能的前提下，实现胶凝材料中碱掺量的降低以及制备工艺过程的优化，对于该类材料在实际工业生产过程中的推广和应用具有重要的经济效益和理论意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种矿渣基碱激发胶凝材料及其制备方法和应用，以解决目前以水玻璃为激发剂、矿渣为原材料制备碱激发胶凝材料过程中，该类材料存在的激发剂掺量偏高、激发剂须预先调整模数、凝结硬化时间过短等技术问题。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。本发明提出的一种矿渣基碱激发胶凝材料，含有如下各组分：

矿渣 70-99质量份；

硅钙渣 1-30质量份；

还包含占矿渣和硅钙渣总质量1％～5％的碱激发剂，以其中包含的Na₂O计。

优选的，前述的矿渣基碱激发胶凝材料中，其中所述矿渣基碱激发胶凝材料，含有如下各组分：

矿渣 80-95质量份；

硅钙渣 5-20质量份；

还包含占矿渣和硅钙渣总质量3％～5％的碱激发剂，以其中包含的Na₂O计。

优选的，前述的矿渣基碱激发胶凝材料中，其中所述矿渣基碱激发胶凝材料，含有如下各组分：

矿渣 90-95质量份；

硅钙渣 5-10质量份；

还包含占矿渣和硅钙渣总质量4％～5％的碱激发剂，以其中包含的Na₂O计。

优选的，前述的矿渣基碱激发胶凝材料中，其中所述矿渣基碱激发胶凝材料，含有如下各组分：

矿渣 95质量份；

硅钙渣 5质量份；

还包含占矿渣和硅钙渣总质量5％的碱激发剂，以其中包含的Na₂O计。

优选的，前述的矿渣基碱激发胶凝材料中，其中所述矿渣为市售S95级矿渣粉或S105级矿渣粉。

优选的，前述的矿渣基碱激发胶凝材料中，其中所述硅钙渣的粒度为80μm方孔筛筛余<10.0％，以质量百分数计。

优选的，前述的矿渣基碱激发胶凝材料中，其中所述激发剂为液体硅酸钠(水玻璃)，其模数为2.2～3.4。

优选的，前述的矿渣基碱激发胶凝材料中，其中所述激发剂为液体硅酸钠(水玻璃)，其模数为2.2～2.9。

优选的，前述的矿渣基碱激发胶凝材料中，其中所述激发剂为液体硅酸钠(水玻璃)，其模数为2.2～2.5。

优选的，前述的矿渣基碱激发胶凝材料中，其中所述激发剂为液体硅酸钠(水玻璃)，其模数为2.2～2.5或2.6～2.9或3.1～3.4。

优选的，前述的矿渣基碱激发胶凝材料中，其中所述激发剂为液体硅酸钠(水玻璃)，其模数为2.2～2.5。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。本发明提出的一种矿渣基碱激发胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

a将70-99份的矿渣与1-30份的硅钙渣混合均匀，得到复合粉体；

b按Na₂O含量占复合粉体质量1％～5％的比例以及设定的水灰比将水玻璃与水混合均匀，得到激发剂溶液；

c将步骤a得到的复合粉体加入步骤b得到的激发剂溶液中，搅拌均匀，得到所述矿渣基碱激发胶凝材料。

优选的，前述的矿渣基碱激发胶凝材料的制备方法中，其中所述水灰比为0.5，其是参照GB/T 17671设定的。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

本发明提出的一种建筑材料，所述建筑材料包括上述的矿渣基碱激发胶凝材料。

优选的，前述的建筑材料中，其中所述建筑材料为砂浆或混凝土。

借由上述技术方案，本发明提供的矿渣基碱激发胶凝材料及其制备方法和应用，至少具有下列优点：

本发明提供的矿渣基碱激发胶凝材料以矿渣为主要原料、硅钙渣为次要原料，以工业级液体水玻璃为激发剂，利用硅钙渣-矿渣之间的协同效应，在常温、低激发剂掺量条件下实现胶凝材料强度性能和凝结硬化行为的调控。

与现有的碱激发矿渣胶凝材料及其制备技术相比，本发明提供的矿渣基碱激发胶凝材料具有强度性能优异、凝结时间易调，所用激发剂掺量低(1％～5％)、无须预先调整模数等优点，因此其制备工艺简单、生产成本较低，可用作商品砂浆、混凝土等建材产品的制备原料，具有广阔的市场应用前景。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。

附图说明

图1为硅钙渣的XRD图谱；

图2为硅钙渣的SEM照片；

图3为不同硅钙渣/矿渣配比碱激发胶凝材料的水化放热曲线；

其中，S100—对比例9；C10S90—实施例1；C30S70—实施例2；C50S50—对比例22；C70S30—对比例23；C90S10—对比例24；C100—对比例25。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种矿渣基碱激发胶凝材料及其制备方法和应用，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

以下材料或试剂，如非特别说明，均为市购。

本发明提供了一种矿渣基碱激发胶凝材料，含有如下各组分：

矿渣 70-99质量份；

硅钙渣 1-30质量份；

还包含占矿渣和硅钙渣总质量1％～5％的碱激发剂，以其中包含的Na₂O计。

其中，矿渣、硅钙渣为主要胶凝组分，添加激发剂是为了激发矿渣、硅钙渣的胶凝活性。在激发剂作用条件下，矿渣-硅钙渣之间具有协同作用。

具体实施时，所述矿渣基碱激发胶凝材料，优选为含有如下各组分：

矿渣 80-95质量份；

硅钙渣 5-20质量份；

还包含占矿渣和硅钙渣总质量3％～5％的碱激发剂，以其中包含的Na₂O计。这样优选后使得所制备的矿渣基胶凝材料的初凝时间为75min～400min，终凝时间为150min～500min，28d抗压强度为55.0MPa～80.0MPa。

具体实施时，所述矿渣基碱激发胶凝材料，更优选为含有如下各组分：

矿渣 90-95质量份；

硅钙渣 5-10质量份；

还包含占矿渣和硅钙渣总质量4％～5％的碱激发剂，以其中包含的Na₂O计。这样优选后使得所制备的矿渣基胶凝材料的初凝时间为100min～350min，终凝时间为180min～480min，28d抗压强度为55.0MPa～80.0MPa。

具体实施时，所述矿渣基碱激发胶凝材料，最优选为含有如下各组分：

矿渣 95质量份；

硅钙渣 5质量份；

还包含占矿渣和硅钙渣总质量5％的碱激发剂，以其中包含的Na₂O计。这样优选后使得所制备的矿渣基胶凝材料的初凝时间为150min～300min，终凝时间为200min～450min，28d抗压强度为70.0MPa～80.0MPa。

具体实施时，所述矿渣为市售S95级矿渣粉或S105级矿渣粉，考虑到成本和活性，所述矿渣优选为S95级矿渣粉，这样优选后可以在保证胶凝材料性能的同时可以尽可能地降低材料成本。

具体实施时，所述硅钙渣为现有技术中采用烧结法工艺对高铝粉煤灰提取氧化铝过程中排出的残渣。使用前将硅钙渣于105℃条件下烘干后粉磨成80μm方孔筛筛余<10.0％的微粉，以质量百分数计。

具体实施时，所述激发剂为液体硅酸钠(水玻璃)，其模数为2.2～3.4，优选为2.2～2.9，在此模数范围内所制备的矿渣基胶凝材料的初凝时间为60min～450min，终凝时间为85min～600min，28d抗压强度为28.0MPa～80.0MPa；更优选为2.2～2.5，这样优选后使得所制备的矿渣基胶凝材料的初凝时间为65min～450min，终凝时间为100min～600min，28d抗压强度为29.0MPa～80.0MPa。上述模数是直接从厂家购买、出厂时的模数，并未经过调整。

具体实施时，所述激发剂为液体硅酸钠(水玻璃)，其模数为2.2～3.4，优选为2.2～2.5或2.6～2.9或3.1～3.4，再优选为2.2～2.5，这样优选后使得所制备的矿渣基胶凝材料的初凝时间为65min～450min，终凝时间为100min～600min，28d抗压强度为29.0MPa～80.0MPa。上述模数是直接从厂家购买、出厂时的模数，并未经过调整。

本发明还提供了一种矿渣基碱激发胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

a将70-99份的矿渣与1-30份的硅钙渣混合均匀，得到复合粉体；

b按Na₂O含量占复合粉体质量1％～5％的比例以及参照GB/T 17671设定的0.5水灰比将水玻璃与水混合均匀，得到激发剂溶液；

c将步骤a得到的复合粉体加入步骤b得到的激发剂溶液中，搅拌均匀，得到所述矿渣基碱激发胶凝材料。

本发明还提供了一种建筑材料，所述建筑材料包括上述的矿渣基碱激发胶凝材料。

具体实施时，所述建筑材料可以为砂浆或混凝土等等。

对比例1-6

以出厂模数3.2的工业级液体水玻璃为激发剂，通过NaOH预先将其模数分别调整为1.2、1.6、2.0、2.4、2.8后备用；以市售S95级矿渣粉为原料，在激发剂掺量固定为5wt％、水灰比为0.50、胶砂比为1:3的条件下参照GB/T 17671《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行胶砂试样的制备、养护与各龄期强度性能测试，在相同激发剂掺量、水灰比的条件下参照GB/T 1346《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》分别进行不同配比胶凝材料凝结时间的测定。结果如下表1所示。

表1不同模数的激发剂制备碱激发矿渣胶凝材料的性能

注：“—”表示超过24h浆体仍未凝结硬化；“/”表示试样强度过低，仪器无法读取示数。

由表1可知，以该S95级矿渣粉为原料，在激发剂掺量固定为5wt％的条件下，当激发剂模数≥2.8时，所制备的碱激发胶凝材料经24h后仍未凝结硬化，材料的早龄期强度性能极低，即便28d龄期时，材料的强度性能也未能超过10.0MPa。这说明在固定5wt％的激发剂掺量条件下，高模数的碱激发剂并不能使矿渣的活性得到充分激发。当激发剂模数为2.4时，所制备的胶凝材料经24h后仍未凝结硬化，且3d龄期强度性能极低，但28d龄期时抗压强度可达约50.0MPa。这说明该模数条件下，激发剂虽然可激发矿渣的活性，但其激发速度较慢，不足以满足胶凝材料对早龄期凝结硬化性能的要求。随着激发剂模数的降低，所制备碱激发胶凝材料的强度以及凝结硬化性能得到了显著的改善。尤其当激发剂模数≤2.0时，胶凝材料在1d龄期时的抗压强度即可达到30.0MPa以上，28d抗压强度可达到75.0MPa以上。这说明在固定5wt％的激发剂掺量条件下，只有低模数的激发剂才能使矿渣的活性得到充分激发，从而使碱激发胶凝材料具备优异的强度性能。

需要说明的是，当激发剂模数≤2.0时，虽然碱激发胶凝材料具备优异的强度性能，但材料的凝结时间较短，且随激发剂模数的降低而逐渐缩短。当激发剂模数为1.2时，所制备碱激发矿渣胶凝材料在10min内即发生初凝。这说明虽然低模数的激发剂可有效激发矿渣的胶凝活性，但同时也会造成胶凝材料凝结硬化过快的不足。这显然不利于该碱激发胶凝材料在实际工程中的推广和应用。

对比例7-21

以市售S95级矿渣粉为原料，分别以出厂模数为2.35、2.78、3.23的工业级液体水玻璃为激发剂，在水灰比为0.50、胶砂比为1:3的条件下参照GB/T 17671《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行不同激发剂掺量胶砂试样的制备、养护与各龄期强度性能测试，在相同水灰比的条件下参照GB/T 1346《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》分别进行不同配比胶凝材料凝结时间的测定。结果如下表2所示。

表2工业级水玻璃不同掺量时所制备碱激发矿渣胶凝材料的性能

注：“—”表示超过24h浆体仍未凝结硬化；“/”表示试样强度过低，仪器无法读取示数。

由表2可知，以该S95级矿渣粉为原料、以高模数的水玻璃为激发剂制备碱激发胶凝材料，随着激发剂掺量的逐渐提高，所制备胶凝材料的强度性能也逐渐提高，但对于模数分别为2.35、2.78、3.23的水玻璃，只有当其掺量分别达到7wt％、9wt％、11wt％以上时，所制备的胶凝材料才可在24h内凝结硬化，并表现出较为优异的强度性能。这说明直接以高模数的水玻璃为激发剂制备碱激发矿渣胶凝材料时，只有采取提高激发剂掺量的方法，才能使矿渣的胶凝活性得到充分激发。这既提高了材料的生产成本，又使得材料服役过程中因过量碱溶出而发生性能劣化的机率大为增加，从而使得该类材料的推广和应用进一步受到限制。

对比例9、21-25，实施例1-2

将硅钙渣与市售S95级矿渣粉分别按照0:100、10:90、30:70、50:50、70:30、90:10、100:0的比例混合均匀，得到不同硅钙渣/矿渣比例的复合微粉，分别标记为S100(对比例9)、C10S90(实施例1)、C30S70(实施例2)、C50S50(对比例22)、C70S30(对比例23)、C90S10(对比例24)、C100(对比例25)；以出厂模数为2.35的工业级水玻璃为激发剂，在固定激发剂掺量为5wt％、水灰比0.5的条件下，采用微量热仪对不同配比试样的水化放热过程进行表征。硅钙渣的XRD图谱如图1所示。硅钙渣的SEM照片如图2所示。不同配比试样的水化放热曲线如图3所示。

由图1可知，硅钙渣主要由硅酸二钙(C₂S)以及少量的水化石榴石(C₃ASH₄)、方解石(CaCO₃)组成。其中，具有一定胶凝活性的C₂S是硅钙渣活性的主要来源。

由图2可知，硅钙渣颗粒微观上呈多孔结构，因此其比表面积较大。

由不同硅钙渣/矿渣配比胶凝材料的水化放热曲线(图3)可知，对于对比例9中由100％矿渣制备的碱激发胶凝材料(S100)，其在诱导前期出现一个主初始峰和一个附加峰，经约20h的诱导期后出现一个加速峰。其中主初始峰可归结于矿渣颗粒在激发剂溶液中的润湿；附加峰可归因于矿渣颗粒溶出的Ca²⁺与激发剂溶液中硅酸根离子生成水化硅酸钙(C-S-H)凝胶的反应；加速峰可归结于矿渣颗粒的加速水化。值得一提的是，主初始峰为明显的吸热特征峰，这可能与本发明中所用激发剂的种类、掺量以及矿渣活性等特性有关；主初始峰与附加峰之间相隔长达100h，这说明尽管矿渣颗粒表面的Ca-O键、Al-O键、Si-O键在OH^-的极化作用下会发生断裂，并以Ca²⁺、[H₂SiO₄]^2-等形式进入溶液中，但在水灰比为0.50、激发剂掺量为5wt％(水玻璃，模数2.35)的条件下，激发剂溶液中的OH^-浓度仍不足以使矿渣颗粒在短时间内即发生显著的溶解。

对于对比例25中由100％硅钙渣制备的碱激发胶凝材料(C100)，其仅在诱导前期出现一个主初始峰、一个明显的附加峰和一个微弱的附加峰，并无明显的水化加速峰。其中主初始峰可归结于原料颗粒的润湿和溶解；第一附加峰为可归结于硅钙渣中C₂S溶出的Ca²⁺与激发剂溶液中硅酸根离子的相互反应。考虑到硅钙渣自身含碱、颗粒微观上呈多孔结构、比表面积较大且其中的C₂S等活性矿物溶解速度极快，因此表征硅钙渣颗粒润湿和溶解的主初始峰和第一附加峰在图中表现为合并成为一个峰。微弱的第二附加峰则对应于硅钙渣中C₂S等活性矿物的加速水化。需要说明的是，由于C₂S等活性矿物在激发剂溶液中的溶出、反应速度过快，生成的C-S-H凝胶对原料颗粒的包裹作用导致原料的进一步反应主要由缓慢的扩散过程控制。这可能是导致第二附加峰较为微弱的原因之一。此外，考虑到硅钙渣颗粒比表面积较大，与激发剂溶液接触时需要较多的水润湿，因此在本研究实验条件下，浆体粘度过大不利于离子扩散也可能是导致该附加峰较为微弱的原因之一。

对于以硅钙渣-矿渣复合微粉为原料制备的碱激发胶凝材料(C10S90～C90S10)，当硅钙渣-矿渣复合微粉中硅钙渣所占比例不超过70％时，其水化放热曲线与100％矿渣制备碱激发胶凝材料(S100)较为相似：在诱导前期出现一个主初始峰和两个附加峰，在经历约10h的诱导期后出现一个加速峰。主初始峰可归结于原料颗粒的润湿和溶解，第一和第二附加峰可分别归结于硅钙渣中C₂S以及矿渣溶解出的Ca²⁺与水玻璃溶液中硅酸根离子的相互反应，加速峰则对应于硅钙渣中C₂S与矿渣的加速水化。主初始峰与第一个附加峰出现的时间很接近，在图中近似表现为合并成为一个峰。第一个附加峰与第二个附加峰之间仅相隔数个小时，且随着原料中硅钙渣含量的逐渐提高(相应的矿渣含量的逐渐降低)，附加峰的峰值逐渐增大，峰位也逐渐前移，而加速峰的峰值则呈逐渐降低趋势。这说明在碱激发反应过程中，硅钙渣-矿渣之间具有“协同效应”。一方面，以硅钙渣-矿粉复合粉体为原料制备碱激发胶凝材料，随着硅钙渣含量的逐渐提高，硅钙渣颗粒的润湿、溶解放热也逐渐增大，加之硅钙渣中C₂S等溶出的Ca²⁺与激发剂溶液中硅酸根离子的反应放热也逐渐增大，因此随着原料中硅钙渣含量的逐渐提高，第一个附加峰的峰值逐渐增大。另一方面，由于硅钙渣溶出的Ca²⁺与激发剂溶液中硅酸根离子生成C-S-H凝胶反应过程中对于游离水的消耗，以及由硅钙渣引入的碱含量逐渐增加，体系中的OH^-浓度较之碱激发矿渣胶凝材料体系(S100，即对比例9)有了显著的提高，这对于矿渣颗粒的溶解以及矿渣颗粒溶出Ca²⁺的反应具有极大的促进作用。这是导致第二附加峰峰值提高、峰位前移的主要原因。

需要注意的是，随着硅钙渣含量的逐渐提高，体系中的矿渣含量逐渐降低，因此由矿渣加速水化引起的加速峰峰值也逐渐降低。尤其当硅钙渣-矿渣复合微粉中硅钙渣所占比例超过30％时，由硅钙渣中C₂S以及矿渣加速水化引起的加速峰峰值显著降低。

对比例9、21-25、实施例1-3

将硅钙渣与市售S95级矿渣粉分别按照0:100、10:90、20:80、30:70、50:50、70:30、90:10、100:0的比例混合均匀，得到不同硅钙渣/矿渣比例的复合微粉，分别标记为S100(对比例9)、C10S90(实施例1)、C20S80(实施例3)、C30S70(实施例2)、C50S50(对比例22)、C70S30(对比例23)、C90S10(对比例24)、C100(对比例25)；以出厂模数为2.35的工业级水玻璃为激发剂，在固定激发剂掺量为5wt％、水灰比0.5、胶砂比1:3的条件下参照GB/T 17671《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行胶砂试样的制备、养护与各龄期强度性能测试，在相同激发剂掺量、水灰比的条件下参照GB/T 1346《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行胶凝材料凝结时间的测定。结果如下表3所示。

表3不同硅钙渣/矿渣配比的碱激发胶凝材料的性能

注：“—”表示超过24h浆体仍未凝结硬化；“/”表示试样强度过低，仪器无法读取示数。

由表3可知，相对于100％矿渣制备的碱激发胶凝材料(S100，即对比例9)，当采用硅钙渣与矿渣进行复合时，所制备的矿渣基碱激发胶凝材料的凝结硬化以及强度性能可得到显著的改善。这再一次验证了硅钙渣-矿渣之间的“协同效应”。

然而，从表3中还可以看出，随着硅钙渣-矿渣复合微粉中硅钙渣所占比例的逐渐提高，所制备胶凝材料的凝结时间显著缩短，并且当硅钙渣-矿渣复合微粉中硅钙渣所占比例超过30％时，所制备的矿渣基碱激发胶凝材料的强度性能开始出现显著的降低。这说明硅钙渣-矿渣之间虽然具有协同作用，可显著促进矿渣的水化硬化过程，但硅钙渣所占比例过高时，在改善所制备的矿渣基碱激发胶凝材料凝结硬化性能的同时，还会因体系中矿渣相对含量的降低而导致胶凝材料的强度性能显著降低。因此基于所制备胶凝材料的凝结硬化性能以及强度性能考虑，以硅钙渣、矿渣复合制备矿渣基碱激发胶凝材料时，硅钙渣-矿渣复合微粉中硅钙渣所占的比例应以不超过30％为宜。

实施例4-20

将硅钙渣与市售S95级矿渣粉分别按照5:95、10:90、20:80、30:70的比例混合均匀，得到不同硅钙渣/矿渣比例的复合微粉；分别以出厂模数为2.35、2.78、3.23的工业级水玻璃为激发剂，在激发剂掺量分别为1wt％、3wt％、5wt％，水灰比0.5、胶砂比1:3的条件下参照GB/T 17671《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行矿渣基碱激发胶砂试样的制备、养护与各龄期强度性能测试，在相同激发剂掺量、水灰比的条件下参照GB/T 1346《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行矿渣基碱激发胶凝材料凝结时间的测定。结果如下表4所示。

表4不同配比的矿渣基碱激发胶凝材料的性能

由表4可知，采用硅钙渣与矿渣进行复合，可显著改善所制备的矿渣基碱激发胶凝材料的凝结硬化性能以及强度性能。即便以模数较高的工业级水玻璃为激发剂时，依然可实现所制备胶凝材料的凝结硬化。此外，通过调整硅钙渣-矿渣复合微粉中硅钙渣的所占比例(≤30wt％)、激发剂掺量(1wt％～5wt％)以及选取不同的激发剂模数(2.35、2.78、3.23)，在获得强度性能优异的矿渣基碱激发胶凝材料的同时，还可实现其凝结时间的调控。尤其当激发剂掺量为5wt％、复合微粉中硅钙渣所占比例5wt％～20wt％时，所制备的矿渣基碱激发胶凝材料的28d抗压强度即可达到80.0MPa左右。这与采用传统提高激发剂掺量(对比例10、对比例15、对比例21)、调低激发剂模数方法(对比例1～对比例3)所制备胶凝材料的强度性能相当，但因无须掺加NaOH预调激发剂模数，因而制备工艺大为简化、成本大大降低。

综上所述，基于硅钙渣-矿渣之间具有“协同效应”这一发现，本发明以工业上生产的高模数水玻璃为激发剂，创新地采用硅钙渣与矿渣进行复合，利用在碱激发反应过程中硅钙渣-矿渣之间的“协同效应”，通过调整硅钙渣含量、激发剂掺量等参数，可获得强度性能优异且凝结时间可控的矿渣基碱激发胶凝材料。与现有的碱激发矿渣胶凝材料制备技术相比，本发明提供的矿渣基碱激发胶凝材料因可直接采用模数较高的工业级水玻璃为激发剂，且在激发剂掺量较低条件下即可获得优异的强度及凝结硬化性能，因此具有成本较低、制备工艺简单、凝结硬化可控的优点，可用作商品砂浆、混凝土等建材产品的制备原料，具有广阔的市场应用前景。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

本发明中所述的数值范围包括此范围内所有的数值，并且包括此范围内任意两个数值组成的范围值。本发明所有实施例中出现的同一指标的不同数值，可以任意组合，组成范围值。

本发明权利要求和/或说明书中的技术特征可以进行组合，其组合方式不限于权利要求中通过引用关系得到的组合。通过权利要求和/或说明书中的技术特征进行组合得到的技术方案，也是本发明的保护范围。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种矿渣基碱激发胶凝材料，其特征在于，含有如下各组分：

矿渣 70-99质量份；

硅钙渣 1-30质量份；

还包含占矿渣和硅钙渣总质量1％～5％的碱激发剂，以其中包含的Na₂O计。

2.如权利要求1所述的矿渣基碱激发胶凝材料，其特征在于，所述矿渣基碱激发胶凝材料，含有如下各组分：

矿渣 80-95质量份；

硅钙渣 5-20质量份；

还包含占矿渣和硅钙渣总质量3％～5％的碱激发剂，以其中包含的Na₂O计。

3.如权利要求2所述的矿渣基碱激发胶凝材料，其特征在于，所述矿渣基碱激发胶凝材料，含有如下各组分：

矿渣 90-95质量份；

硅钙渣 5-10质量份；

还包含占矿渣和硅钙渣总质量4％～5％的碱激发剂，以其中包含的Na₂O计。

4.如权利要求3所述的矿渣基碱激发胶凝材料，其特征在于，所述矿渣基碱激发胶凝材料，含有如下各组分：

矿渣 95质量份；

硅钙渣 5质量份；

还包含占矿渣和硅钙渣总质量5％的碱激发剂，以其中包含的Na₂O计。

5.如权利要求1-4任一项所述的矿渣基碱激发胶凝材料，其特征在于，所述矿渣为市售S95级矿渣粉或S105级矿渣粉。

6.如权利要求1-4任一项所述的矿渣基碱激发胶凝材料，其特征在于，所述硅钙渣的粒度为80μm方孔筛筛余<10.0％，以质量百分数计。

7.如权利要求1-4任一项所述的矿渣基碱激发胶凝材料，其特征在于，所述激发剂为液体硅酸钠，其模数为2.2～3.4。

8.一种矿渣基碱激发胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a将70-99份的矿渣与1-30份的硅钙渣混合均匀，得到复合粉体；

b按Na₂O含量占复合粉体质量1％～5％的比例以及设定的水灰比将水玻璃与水混合均匀，得到激发剂溶液；

c将步骤a得到的复合粉体加入步骤b得到的激发剂溶液中，搅拌均匀，得到所述矿渣基碱激发胶凝材料。

9.一种建筑材料，其特征在于，所述建筑材料包括权利要求1-4任一项所述的矿渣基碱激发胶凝材料。

10.如权利要求9所述的建筑材料，其特征在于，所述建筑材料为砂浆或混凝土。

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