CN112551930B - 一种用于碱矿渣水泥的包裹型激发剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种用于碱矿渣水泥的包裹型激发剂及其制备方法。该包裹型激发剂由芯材和壁材组成，形成包裹体，所述芯材由碱激发剂形成，所述壁材由憎水性聚合物粉末形成。本发明采用包裹的方式制备出包裹型激发剂，并将该包裹型激发剂与矿渣混合，可以有效改变碱矿渣水泥的凝结时间，聚合物薄膜前期起到包裹作用来达到延迟释放激发剂的目的，后期随着水化反应，聚合物薄膜分散在碱矿渣水泥中，其较好的粘结作用可以有效降低压折比，改善碱矿渣水泥的力学性能和耐久性。

Description

一种用于碱矿渣水泥的包裹型激发剂及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种用于碱矿渣水泥的包裹型激发剂及其制备方法。
背景技术
碱激发胶凝材料的概念由法国人Davidovits提出，是一种由碱激发硅铝质材料而形成的新型绿色胶凝材料，其制备是以高硅高铝质的天然矿物或固体废弃物为原料。碱激发胶凝材料具有快凝早强、强度高及耐久性好等多方面优良性能，是低成本、高性能的环保型材料。
根据碱激发胶凝材料自身的特点，碱激发胶凝材料多用于修补材料，但是由于其凝结迅速，实际施工过程中常常还未完工就提前凝结，给施工造成极大的不便，且其压折比过大，导致碱激发胶凝材料在工程应用时易损耗，且使用寿命较短。
目前对于其凝结速度的控制多采取加入缓凝剂的方式，缓凝剂的加入推迟碱激发胶凝材料的水化反应，延长其凝结时间，使其满足工程需要。但缓凝剂存在用量不宜控制、实际作用效果受温度影响较大、可能会产生泌水现象、影响早期强度等一系列的问题，以上种种问题严重限制了碱激发胶凝材料在实际工程中的应用。因此，探索一种可以延缓碱激发水泥初凝时间的同时不显著改变碱激发水泥早期强度的方法成为碱激发水泥在工程上大范围应用的重点问题。
经过许多研究人员的不懈努力，我国在提高碱激发胶凝材料产品性能领域取得了一定的进展。申请公布号为CN111574166A的中国发明专利申请公开了一种碱激发胶凝材料及其制备方法，该方法加入甲基硅酸钠作为碱激发剂，通过调整甲基硅酸钠和硅酸钠的比例调控凝结时间；申请公布号为CN110790553A的中国发明专利申请通过加入葡萄糖酸钠作为缓凝剂公开了一种可调控碱激发矿渣固井水泥体系及稠化时间的调控方法。以上方法均是通过加入不同的试剂对碱激发胶凝材料的凝结时间进行粗略调控，并且胶凝材料的力学性能有待进一步提升。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够准确调节凝结时间，同时能够降低碱矿渣水泥压折比的用于碱矿渣水泥的包裹型激发剂及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于碱矿渣水泥的包裹型激发剂，所述包裹型激发剂由芯材和壁材组成，形成包裹体，所述芯材由碱激发剂形成，所述壁材由憎水性聚合物粉末形成。
优选地，芯材与壁材的质量比为(1～10):1；进一步优选地，芯材与壁材的质量比为(7～10):1。
优选地，所述憎水性聚合物粉末的粒径为500～1000目。
优选地，所述憎水性聚合物粉末为环氧树脂、聚氯乙烯、聚乙烯中的一种或两种及以上组成的混合物。
优选地，所述碱激发剂的粒径为10～30目。
优选地，所述碱激发剂为硅酸钠；进一步优选地，所述硅酸钠的模数为1～1.35。
上述用于碱矿渣水泥的包裹型激发剂的制备方法，采用分两批加入所述憎水性聚合物粉末的方式，包括以下步骤：
(1)将第一批憎水性聚合物粉末与水混合，制成均匀分散液；
(2)在环境温度下，向步骤(1)所得的均匀分散液中加入碱激发剂，混合均匀，得混合液；
(3)向步骤(2)所得的混合液中加入第二批憎水性聚合物粉末，混合均匀后干燥，即得所述用于碱矿渣水泥的包裹型激发剂。
优选地，用于包裹体的第一批憎水性聚合物粉末与第二批憎水性聚合物粉末的质量比为(60～40)：(40～60)。
优选地，步骤(1)中，所述水的用量为用于包裹体的憎水性聚合物总质量的40～60％。
优选地，步骤(2)中，环境温度为25℃。
优选地，步骤(2)中，所述混合均匀采用数显电动搅拌器，搅拌时间为20～60s。
优选地，步骤(3)中，所述混合均匀采用数显电动搅拌器，搅拌时间为1～3min。
优选地，步骤(3)中，所述干燥采用真空干燥，干燥温度为40℃，真空度为0.2×105Pa～0.4×105Pa，干燥时间为12～24h。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：
本发明是以一种聚合物薄膜包裹碱激发剂来调节碱激发水泥的凝结时间，同时降低压折比，使其具有更好的力学性能和工作性能。其中聚合物薄膜的主要成分为憎水且具有粘性的粉状物质，碱激发剂的主要成分为模数为1～1.35的碱性颗粒。采用包裹的方式制备出包裹型激发剂，并将该包裹型激发剂与矿渣混合，可以有效改变碱矿渣水泥的凝结时间，聚合物薄膜前期起到包裹作用来达到延迟释放激发剂的目的，后期随着水化反应，聚合物薄膜分散在碱矿渣水泥中，其较好的粘结作用可以有效降低压折比，改善碱矿渣水泥的力学性能和耐久性。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1是本发明实施例1中的包裹型激发剂的25倍超景深显微镜图；
图2是本发明实施例1中的包裹型激发剂的100倍超景深显微镜图；
图3是本发明实施例2中的包裹型激发剂的25倍超景深显微镜图；
图4是本发明实施例2中的包裹型激发剂的100倍超景深显微镜图；
图5是本发明实施例3中的包裹型激发剂的25倍超景深显微镜图；
图6是本发明实施例3中的包裹型激发剂的100倍超景深显微镜图；
图7是本发明实施例4中的包裹型激发剂的25倍超景深显微镜图；
图8是本发明实施例4中的包裹型激发剂的100倍超景深显微镜图；
图9是本发明实施例5中的包裹型激发剂的25倍超景深显微镜图；
图10是本发明实施例5中的包裹型激发剂的100倍超景深显微镜图；
图11是本发明实施例6中的包裹型激发剂的25倍超景深显微镜图；
图12是本发明实施例6中的包裹型激发剂的100倍超景深显微镜图；
图13是本发明实施例7中的包裹型激发剂的25倍超景深显微镜图；
图14是本发明实施例7中的包裹型激发剂的100倍超景深显微镜图；
图15是本发明对比例1中的普通激发剂的25倍超景深显微镜图；
图16是本发明对比例1中的普通激发剂的100倍超景深显微镜图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
碱激发水泥初凝时间过短的主要原因在于碱激发水泥是利用碱激发剂的催化原理，而碱激发剂对矿渣的水化起到较强的催化作用，使矿渣的水化反应大大加快，20min内即能达到初凝。因此，本发明考虑控制碱激发剂对矿渣水化过程的催化作用，采取使用聚合物薄膜部分包裹碱激发剂的方式来控制碱激发砂浆的凝结时间。
本发明的用于碱矿渣水泥的包裹型激发剂，由芯材和壁材组成，形成包裹体，芯材由碱激发剂形成，壁材由憎水性聚合物粉末形成。其中，壁材的厚度为10～16μm(例如10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm)，芯材与壁材的质量比为(1～10):1(例如1:1、2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1、10:1)，优选的质量比为(7～10):1；憎水性聚合物粉末的粒径为500～1000目(例如500目、600目、700目、800目、900目、1000目)；憎水性聚合物粉末为环氧树脂、聚氯乙烯、聚乙烯中的一种或两种及以上组成的混合物；碱激发剂的粒径为10～30目(例如10目、15目、20目、25目、30目)；碱激发剂为硅酸钠，硅酸钠的模数为1～1.35(例如1、1.05、1.15、1.25、1.35)；碱矿渣水泥的碱度(Na2O的含量)为5～7％(例如5.0％、5.5％、6.0％、6.5％、7.0％)。
本发明的用于碱矿渣水泥的包裹型激发剂的制备方法，采用分两批加入所述憎水性聚合物粉末的方式，包括以下步骤：
(1)取第一批憎水性聚合物粉末与水混合，并进行超声分散处理，制成均匀分散液，其中，水的用量为用于包裹体的憎水性聚合物总质量的40～60％(例如40％、45％、50％、55％、60％)；
(2)在环境温度为25℃的条件下，向步骤(1)所得的均匀分散液中加入碱激发剂，采用数显电动搅拌器搅拌20～60s(例如20s、30s、40s、50s、60s)后得到混合均匀的混合液；
(3)向步骤(2)所得的混合液中加第二批憎水性聚合物粉末，采用数显电动搅拌器搅拌1～3min(例如1min、2min、3min)后置于40℃、真空度为0.2×105Pa～0.4×105Pa(例如0.2×105Pa、0.25×105Pa、0.3×105Pa、0.35×105Pa、0.4×105Pa)的真空干燥箱中干燥12～24h(例如12h、16h、18h、20h、24h)，即得用于碱矿渣水泥的包裹型激发剂；
其中，第一批憎水性聚合物粉末与第二批憎水性聚合物粉末的质量比为(60～40)：(40～60)，例如第一批憎水性聚合物粉末与第二批憎水性聚合物粉末的质量比为60：40、55：45、50：40、40：60。
由上述包裹型激发剂制备的碱矿渣水泥，具体制备方法包括以下步骤：
(1)取占用于包裹体的憎水性聚合物粉末总质量40～60％(例如40％、55％、60％)的憎水性聚合物粉末，加入质量为用于包裹体的环氧树脂总质量40～60％的水制备分散液，并进行超声分散处理，得到均匀分散液；
(2)在环境温度为25℃的情况下，向步骤(1)所得的均匀分散液中加入硅酸钠，采用数显电动搅拌器迅速机械搅拌20～60s混合均匀，得混合液；
(3)向步骤(2)所得的混合液中加入占憎水性聚合物粉末总质量40～60％的憎水性聚合物粉末，即剩余的憎水性聚合物粉末，采用数显电动搅拌器机械搅拌1～3min后置于干燥箱中，在40℃真空、真空度为0.2×105Pa～0.4×105Pa的环境条件下干燥12～24h，即得包裹型激发剂；
(4)将矿渣、上述用于碱矿渣水泥的包裹型激发剂混合均匀，即得碱矿渣水泥，其中矿渣占碱矿渣水泥总质量的80～88％(例如80％、82％、84％、86％、88％)。
本发明的用于碱矿渣水泥的包裹型激发剂的制备方法采用两段法进行包裹，所得包裹型激发剂的壁材均匀，能精准控制包覆厚度，且能完全包覆芯材。
以下结合具体实施例对本发明进行进一步的描述。
实施例1
本实施例的包裹型激发剂由芯材和壁材组成，形成包裹体，芯材由碱激发剂形成，壁材由憎水性聚合物粉末形成，其中，碱激发剂具体为硅酸钠，憎水性聚合物为环氧树脂，硅酸钠、环氧树脂的重量份分别为12份、1.7份。
本实施例的包裹型激发剂的制备过程如下：
(1)取占环氧树脂总质量40％、目数为500目的环氧树脂粉末(即0.68份)加入质量为用于包裹体的环氧树脂总质量40％的水(即0.68份)制备分散液，并进行超声分散处理，得到均匀分散液；
(2)在环境温度为25℃的情况下，向步骤(1)所得的均匀分散液中加入硅酸钠(12份)，采用数显电动搅拌器迅速机械搅拌40s混合均匀，得混合液；
(3)向步骤(2)所得的混合液中加入剩余的环氧树脂(即1.02份)，采用数显电动搅拌器机械搅拌2min后置于40℃真空干燥箱中干燥18h，即得包裹型激发剂。本实施例的包裹型激发剂的超景深显微镜图见图1和图2。
将本实施例中所制备的包裹型激发剂与矿渣按配比混合均匀，即得本实施例的碱矿渣水泥，其中，矿渣质量占碱矿渣水泥总质量的86.3％，碱矿渣水泥的碱度为5％。
实施例2
本实施例的包裹型激发剂由芯材和壁材组成，形成包裹体，芯材由碱激发剂形成，壁材由憎水性聚合物粉末形成，其中，碱激发剂具体为硅酸钠，憎水性聚合物为环氧树脂，硅酸钠、环氧树脂的重量份分别为12份、1.3份。
本实施例的包裹型激发剂的制备过程如下：
(1)取占环氧树脂总质量40％、目数为500目的环氧树脂粉末(即0.52份)加入质量为用于包裹体的环氧树脂总质量45％的水(即0.58份)制备分散液，并进行超声分散处理，得到均匀分散液；
(2)在环境温度为25℃的情况下，向步骤(1)所得的均匀分散液中加入硅酸钠(12份)，采用数显电动搅拌器迅速机械搅拌30s混合均匀，得混合液；
(3)向步骤(2)所得的混合液中加入剩余的环氧树脂(即0.78份)，采用数显电动搅拌器机械搅拌1min后置于40℃真空干燥箱中干燥12h，即得包裹型激发剂。本实施例的包裹型激发剂的超景深显微镜图见图3和图4。
将本实施例中所制备的包裹型激发剂与矿渣按配比混合均匀，即得本实施例的碱矿渣水泥，其中，矿渣质量占碱矿渣水泥总质量的86.7％，碱矿渣水泥的碱度为5％。
实施例3
本实施例的包裹型激发剂由芯材和壁材组成，形成包裹体，芯材由碱激发剂形成，壁材由憎水性聚合物粉末形成，其中，碱激发剂具体为硅酸钠，憎水性聚合物为聚氯乙烯，硅酸钠、聚氯乙烯的重量份分别为16份、1.6份。
本实施例的包裹型激发剂的制备过程如下：
(1)取占聚氯乙烯总质量40％、目数为1000目的聚氯乙烯粉末(即0.64份)加入质量为用于包裹体的聚氯乙烯总质量50％的水(即0.8份)制备分散液，并进行超声分散处理，得到均匀分散液；
(2)在环境温度为25℃的情况下，向步骤(1)所得的均匀分散液中加入硅酸钠(16份)，采用数显电动搅拌器迅速机械搅拌60s混合均匀，得混合液；
(3)向步骤(2)所得的混合液中加入剩余的聚氯乙烯(即0.96份)，采用数显电动搅拌器机械搅拌3min后置于40℃真空干燥箱中干燥18h，即得包裹型激发剂。本实施例的包裹型激发剂的超景深显微镜图见图5和图6。
将本实施例中所制备的包裹型激发剂与矿渣按配比混合均匀，即得本实施例的碱矿渣水泥，其中，矿渣质量占碱矿渣水泥总质量的82.4％，碱矿渣水泥碱度为6％。
实施例4
本实施例的包裹型激发剂由芯材和壁材组成，形成包裹体，芯材由碱激发剂形成，壁材由憎水性聚合物粉末形成，其中，碱激发剂具体为硅酸钠，憎水性聚合物为聚乙烯，硅酸钠、聚乙烯的重量份分别为12份、1.7份。
本实施例的包裹型激发剂的制备过程如下：
(1)取用于包裹体的聚乙烯总质量40％、目数为500目的聚乙烯粉末(即0.68份)加入质量为用于包裹体的聚乙烯总质量55％的水(即0.935份)制备分散液，并进行超声分散处理，得到均匀分散液；
(2)在环境温度为25℃的情况下，向步骤(1)所得的均匀分散液中加入硅酸钠(12份)，采用数显电动搅拌器迅速机械搅拌20s混合均匀，得混合液；
(3)向步骤(2)所得的混合液中加入剩余用于包裹体的聚乙烯粉末，采用数显电动搅拌器机械搅拌1min后置于40℃真空干燥箱中干燥18h，即得包裹型激发剂。本实施例的包裹型激发剂的超景深显微镜图见图7和图8。
将本实施例中所制备的包裹型激发剂、矿渣按配比混合均匀，即得本实施例的碱矿渣水泥，其中，矿渣质量占碱矿渣水泥总质量的86.3％，碱矿渣水泥碱度为5％。
实施例5
本实施例的包裹型激发剂由芯材和壁材组成，形成包裹体，芯材由碱激发剂形成，壁材由憎水性聚合物粉末形成，其中，碱激发剂具体为硅酸钠，憎水性聚合物为环氧树脂，硅酸钠、环氧树脂的重量份分别为16份、1.6份。
本实施例的包裹型激发剂的制备过程如下：
(1)取占环氧树脂总质量40％、目数为500目的环氧树脂粉末(即0.64份)加入质量为用于包裹体的环氧树脂总质量60％的水(即0.96份)制备分散液，并进行超声分散处理，得到均匀分散液；
(2)在环境温度为25℃的情况下，向步骤(1)所得的均匀分散液中加入硅酸钠(16份)，采用数显电动搅拌器迅速机械搅拌50s混合均匀，得混合液；
(3)向步骤(2)所得的混合液中加入剩余的环氧树脂(即0.96份)，采用数显电动搅拌器机械搅拌3min后置于40℃真空干燥箱中干燥24h，即得包裹型激发剂。本实施例的包裹型激发剂的超景深显微镜图见图9和图10。
将本实施例中所制备的包裹型激发剂与矿渣按配比混合均匀，即得本实施例的碱矿渣水泥，其中，矿渣质量占碱矿渣水泥总质量的82.4％，碱矿渣水泥碱度为7％。
实施例6
本实施例的包裹型激发剂，与实施例1的不同之处在于，憎水性聚合物为聚乙烯与聚氯乙烯按质量比1:1组成的混合物，本实施例的包裹型激发剂的超景深显微镜图见图11和图12。具体制备方法与实施例1中的相同，不再赘述。
实施例7
本实施例的包裹型激发剂，与实施例1的不同之处在于，步骤(1)与步骤(3)中环氧树脂粉末的质量比为60：40，本实施例的包裹型激发剂的超景深显微镜图见图13和图14。具体制备方法与实施例1中的相同，不再赘述。
对比例1
本对比例的碱矿渣水泥，由矿渣和未经处理的硅酸钠制成，具体的，本对比例的矿渣水泥由以下重量份数的原料制成：矿渣88份，未进行处理的硅酸钠12份，碱度为5％。未进行处理的硅酸钠的超景深显微镜图片见图15和图16。
实验例
对实施例1～7中制备的碱激发剂随机取样，使用超景深显微镜表示包裹体粒径，对比例1中的激发剂随机取样，使用超景深显微镜表示未包裹体的统计平均径，将实施例1～7与对比例1中的统计平均径差的1/2定义为包裹厚度。将实施例1～7中的碱矿渣水泥与对比例1中的碱矿渣水泥在水灰比为0.26的条件下制成水泥浆，测试水泥浆的凝结时间、抗压强度。
经检测，实施例1～7中的碱矿渣水泥与对比例1中的矿渣水泥的凝结时间以及在不同龄期的抗压强度、抗折强度及压折比见表1。
表1实施例1～7中的碱矿渣水泥与对比例1中的矿渣水泥性能对比
Figure BDA0002831308000000101
由以上数据可以看出，本发明通过将碱激发剂和聚合物的质量比控制在一定范围内，所得包裹型碱激发剂的包裹壁厚可根据具体施工需求进行调控。
本发明是以一种聚合物薄膜包裹碱激发剂来调节碱激发水泥的凝结时间，同时降低压折比，使其具有更好的力学性能和工作性能。其中聚合物薄膜的主要成分为憎水且具有粘性的粉状物质，碱激发剂的主要成分为模数为1～1.35的碱性颗粒。采用包裹的方式，制备出包裹型激发剂，并将该包裹型激发剂与矿渣混合，可以有效改变碱矿渣水泥的凝结时间，聚合物薄膜前期起到包裹作用来达到延迟释放激发剂的目的，后期随着水化反应，聚合物薄膜分散在碱矿渣水泥中，其较好的粘结作用可以有效降低压折比，改善碱矿渣水泥的力学性能和耐久性。
本发明首次提出使用聚合物薄膜按施工需求包裹碱激发剂，精准调节凝结时间的同时提高碱激发胶凝材料的力学性能与耐久性、有效减小其压折比的处理手段，有效改善碱激发胶凝材料的力学性能与工作性能，使应用范围更广泛。
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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种用于碱矿渣水泥的包裹型激发剂，其特征在于，所述包裹型激发剂由芯材和壁材组成，形成包裹体，所述芯材由碱激发剂形成，所述壁材由憎水性聚合物粉末形成；
芯材与壁材的质量比为(1～10):1；
壁材的厚度为10～16μm；
所述憎水性聚合物粉末的粒径为500～1000目；
所述憎水性聚合物粉末为环氧树脂、聚氯乙烯、聚乙烯中的一种或两种及以上组成的混合物；
所述碱激发剂为硅酸钠。
2.根据权利要求1所述的用于碱矿渣水泥的包裹型激发剂，其特征在于，芯材与壁材的质量比为(7～10):1。
3.根据权利要求1所述的用于碱矿渣水泥的包裹型激发剂，其特征在于，所述碱激发剂的粒径为10～30目。
4.根据权利要求1所述的用于碱矿渣水泥的包裹型激发剂，其特征在于，所述硅酸钠的模数为1～1.35。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的用于碱矿渣水泥的包裹型激发剂的制备方法，其特征在于，采用分两批加入所述憎水性聚合物粉末的方式，包括以下步骤：
(1)将第一批憎水性聚合物粉末与水混合，制成均匀分散液；
(2)在环境温度下，向步骤(1)所得的均匀分散液中加入碱激发剂，混合均匀，得混合液；
(3)向步骤(2)所得的混合液中加入第二批憎水性聚合物粉末，混合均匀后干燥，即得所述用于碱矿渣水泥的包裹型激发剂。
6.根据权利要求5所述的用于碱矿渣水泥的包裹型激发剂的制备方法，其特征在于，用于包裹体的第一批憎水性聚合物粉末与第二批憎水性聚合物粉末的质量比为(60～40)：(40～60)。
7.根据权利要求5所述的用于碱矿渣水泥的包裹型激发剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述水的用量为用于包裹体的憎水性聚合物总质量的40～60％。
8.根据权利要求7所述的用于碱矿渣水泥的包裹型激发剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，环境温度为25℃。
9.根据权利要求7所述的用于碱矿渣水泥的包裹型激发剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述混合均匀采用数显电动搅拌器，搅拌时间为20～60s。
10.根据权利要求7所述的用于碱矿渣水泥的包裹型激发剂的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述混合均匀采用数显电动搅拌器，搅拌时间为1～3min。
11.根据权利要求5所述的用于碱矿渣水泥的包裹型激发剂的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述干燥采用真空干燥，干燥温度为40℃，真空度为0.2×105Pa～0.4×105Pa，干燥时间为12～24h。
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