CN112876149B - 一种地质聚合物包裹骨料及其制备方法 - Google Patents

一种地质聚合物包裹骨料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种地质聚合物包裹骨料以及地质聚合物包裹骨料的制备方法，所述地质聚合物包裹骨料包括骨料以及包裹所述骨料的地质聚合物层，其中所述地质聚合物层的平均厚度为0.1‑1.5mm。本发明的地质聚合物包裹骨料与水泥基包裹材料相比，地聚物的硬化时间短，可缩短包裹过程所需时间，提高生产效率。同时包裹层最外层为部分反应或未反应的地聚物前驱体，能够继续与水泥基胶凝材料或碱激发剂反应，达到强化界面过渡区的作用。

Description

一种地质聚合物包裹骨料及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种地质聚合物包裹骨料及其制备方法。
背景技术
由于优质砂石骨料资源日益紧张，骨料来源扩大导致质量下降。为满足混凝土生产的需求，需要提高低质量骨料的性能。其中主要的人造骨料包括尾矿、废石生产的机制骨料、建筑垃圾生产的再生骨料等，由于原料和生产工艺的原因，部分骨料存在吸水率高、有害元素和重金属超标等问题。为解决上述问题，常采用裹浆工艺对骨料进行处理，所得裹浆骨料能够显著减少吸水率，固化有害元素和重金属，提高混凝土流动度等有益效果。
当前主要的裹浆工艺中的材料主体为硅酸盐水泥，少量复掺部分混合材，如石灰石、粉煤灰、硅灰、煅烧高岭土等，煅烧水泥熟料需要向大气排放大量的碳，与当前的社会生活和生态环境需求不一致。地聚物水泥具有快凝快硬、早期强度高、固化效果明显、耐久性良好等优点。但地聚合反应本身极快，采用常规的包裹技术，裹浆料过快硬化将导致无法规模化连续生产。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种地质聚合物包裹骨料及所述地质聚合物包裹骨料的制备方法，本发明通过采用分步包裹法进行生产可以使包裹层更加均匀和稳定，所得的包裹骨料能够在不过度影响骨料级配的前提下，发挥地质聚合物包裹、固化重金属等的优异的性能。
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种地质聚合物包裹骨料，其包括骨料以及包裹所述骨料的地质聚合物层，其中所述地质聚合物层的平均厚度为0.1-1.5mm，例如0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.3mm、1.4mm以及它们之间的任意值。
根据本发明的一些实施方式，所述地质聚合物层的平均厚度为0.3-1.5mm。根据本发明的一些实施方式，所述地质聚合物层的平均厚度为0.5-1.2mm。
本发明中通过控制所述地质聚合物层的平均厚度在上述范围内，能够在不过度影响骨料级配的前提下，充分发挥地质聚合物包裹、固化重金属等的性能，厚度过高将影响骨料级配，导致骨料堆密度减小，孔隙率增大，过低可能存在未有效包裹的现象。
本发明中所述骨料并无特定限制，可以为本领域常规采用的骨料，例如包括砂石骨料、尾矿或废石生产的机制骨料以及建筑垃圾生产的再生骨料等。在本发明的一些优选实施方式中，所述骨料选自非活性骨料中的一种或多种。
本发明中所述“非活性骨料”主要指非碱活性骨料，优选为满足标准《建筑用卵石、碎石GB14685-2011》中碱集料反应规定的骨料。
根据本发明的一些实施方式，对所述骨料的粒径无特殊限制，采用本领域常规采用的骨料粒径即可，优选所述骨料的粒径为5-30mm。
根据本发明的第二方面，本发明提供了一种地质聚合物包裹骨料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S1，将骨料与激发剂溶液混合、沥干，得到第一湿润骨料；
S2，将S1得到的第一湿润骨料与地质聚合物前驱体混合，得到所述包裹地质聚合物层的骨料。
本发明在具体的包裹工艺中首先将骨料放入激发剂溶液中在骨料表面浸润所述激发剂，再与地聚物前驱体的粉体进行混合，可以使得包裹层最外层为部分反应或未反应的地聚物前驱体，所述地聚物前驱体能够继续与水泥基胶凝材料或碱激发剂反应，达到强化界面过渡区的作用。
根据本发明的一些实施方式，所述方法还包括S3，将所述包裹地质聚合物层的骨料与激发剂溶液混合、沥干，得到第二湿润骨料，将第二湿润骨料与地质聚合物前驱体混合。
根据本发明的一些实施方式，地质聚合物包裹骨料的平均厚度为0.1-1.5mm。
根据本发明的一些实施方式，还包括将所述包裹地质聚合物层的骨料与激发剂溶液混合。地聚物的碱激发剂黏度相对较大，加入粉体后黏度更大，此时若要使其充分包裹骨料，操作时间过长，且包裹层厚度过大，将影响骨料的级配，因此采用分步包裹法进行生产，同时通过采用控制激发剂溶液黏度的方式控制每一步包裹中包裹层的厚度，一方面可以使包裹层更加均匀和稳定，另一方面操作简便，利于规模化连续生产。
根据本发明的一些实施方式，S1中，所述激发剂溶液的黏度为0.1-100mPa·s，优选为0.5-50mPa·s。
根据本发明的一些实施方式，S1中，对所述骨料与激发剂溶液的量并未限制，只要保证能够使得所述骨料表面湿润饱和即可。在本发明的一些优选实施方式中，所述激发剂溶液与地聚物前驱体的质量比为(0.2-0.6):1，优选为(0.3-0.5):1。
根据本发明的一些实施方式，S2中，所述混合的时间为1-30min，优选2-15min。
根据本发明的一些实施方式，S1中，所述激发剂溶液包括碱性物质、水和任选的外加剂。
根据本发明的一些实施方式，S1中，以所述激发剂溶液的总重计，所述碱性物质和外加剂之和的质量分数为1-20％，例如2％、4％、6％、8％、10％、12％、14％、16％、18％以及它们之间的任意值。本发明中通过调整激发剂溶液的上述组成来控制所述激发剂溶液的黏度。
根据本发明的一些实施方式，所述激发剂溶液包括：
碱性物质1-20质量份；
外加剂0-5质量份；
水80-99质量份。
根据本发明的一些实施方式，所述碱性物质为可激发地聚物前驱体活性的碱性物质，选自氢氧化钠、硅酸钠、硫酸钠、碳酸钠、氢氧化钾、硅酸钾、硫酸钾、碳酸钾、氢氧化钙和硫酸钙中的一种或多种。
根据本发明的一些实施方式，所述外加剂选自减水剂、缓凝剂、早强剂和减缩剂中的一种或多种。
根据本发明的一些实施方式，所述地质聚合物前驱体的平均粒径小于30μm。
根据本发明的一些实施方式，所述地质聚合物前驱体的勃氏比表面积不小于350cm2/g。
根据本发明的一些实施方式，所述地质聚合物前驱体为在碱性物质作用下能够发生地聚合反应，生成地聚物的物质，所述地质聚合物前驱体选自矿渣、粉煤灰、磨细钢渣、煅烧黏土和硅灰中的一种或多种。
本发明中所述骨料并无特定限制，可以为本领域常规采用的骨料，例如包括砂石骨料、尾矿或废石生产的机制骨料以及建筑垃圾生产的再生骨料等。在本发明的一些优选实施方式中，所述骨料选自非活性骨料中的一种或多种。
本发明中所述“非活性骨料”主要指非碱活性骨料，优选为满足标准《建筑用卵石、碎石GB14685-2011》中碱集料反应规定的骨料。
根据本发明的一些实施方式，对所述骨料的粒径无特殊限制，采用本领域常规采用的骨料粒径即可，优选所述骨料的粒径为5-30mm。
根据本发明的一些实施方式，所述地质聚合物包括骨料以及包裹所述骨料的地质聚合物层，其中所述地质聚合物层的平均厚度为0.1-1.5mm，例如0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.3mm、1.4mm以及它们之间的任意值。根据本发明的一些优选实施方式，所述地质聚合物层的平均厚度为0.3-1.5mm。在本发明的一些实施方式中，所述地质聚合物层的平均厚度为0.5-1.2mm。
根据本发明的一些实施方式，所述地质聚合物骨料的制备方法包括以下具体步骤：
1将地聚物前驱体粉磨至平均粒径小于30μm，或勃氏比表面积不小于350cm2/g
2将骨料放入激发剂溶液，适当机械搅拌或超声振动，保证充分浸泡，无气泡残留，随后沥干，骨料表面湿润饱和即可。
3将2中湿润骨料和1中磨细地聚物前驱体粉体加入搅拌锅中充分搅拌2min-15min，随后取出。
4按需重复上述步骤2-3，至地聚物壳层厚度为0.1mm-1.5mm即可获得产品。
本申请的发明人发现，由于地聚合反应极快，无法采用常规包裹技术，即先制备裹浆材料，后与骨料混合，该工艺下裹浆料过快硬化将导致无法规模化连续生产。同时地聚物的碱激发剂黏度相对较大，加入粉体后黏度更大，此时若要使其充分包裹骨料，操作时间过长，且包裹层厚度过大，将影响骨料的级配，因此采用分步包裹法进行生产，同时通过采用控制激发剂溶液黏度的方式控制每一步包裹中包裹层的厚度，一方面可以使包裹层更加均匀和稳定，另一方面操作简便，利于规模化连续生产。此外，本发明在具体的包裹工艺中首先将骨料放入激发剂溶液中在骨料表面浸润所述激发剂，再与地聚物前驱体的粉体进行混合，可以使得包裹层最外层为部分反应或未反应的地聚物前驱体，所述地聚物前驱体能够继续与水泥基胶凝材料或碱激发剂反应，达到强化界面过渡区的作用。
根据本发明的第三方面，本发明提供了第一方面所述的地质聚合物包裹骨料或第二方面所述的方法制备的地质聚合物包裹骨料在建筑材料中的应用，尤其是在混凝土中的应用。
与现有技术相比，本发明的优点：
1与水泥基包裹材料相比，地聚物的硬化时间短，可缩短包裹过程所需时间，提高生产效率
2地聚物早期强度高，可使包裹层更加稳定坚固
3包裹层最外层为部分反应或未反应的地聚物前驱体，能够继续与水泥基胶凝材料或碱激发剂反应，达到强化界面过渡区的作用。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但是需要指出的是，本发明的保护范围并不受这此限制，而是由权利要求书来确定。
需要特别说明的是，在本说明书的上下文中公开的两个或多个方面(或实施方式)可以彼此任意组合，由此而形成的技术方案属于本说明书原始公开内容的一部分，同时也落入本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例及对比例中吸水率及抗压强度的测试方法及标准参见《GB/T14685-2011建筑用卵石和碎石》。
实施例及对比例中Cr(VI)浸出浓度的测试方法：参见标准《HJ/T299-2007固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》，测试样品筛选过9.5mm的部分，筛余部分不测定。
实施例及对比例中地聚物壳层厚度的测试方法：剖面测量，具体的步骤：利用切割机将包裹完成的骨料沿中心剖开，测量剖面处多个位置的厚度取平均值即为壳层厚度。
实施例1
所用碱激发剂组成比为氢氧化钠10、木质素磺酸钙1、水89，质量分数为11％，黏度为1.5mPa·s。
所用地聚物前驱体组成为S90矿粉70wt％、F级粉煤灰30wt％。
骨料为本溪非活性剥离岩石机制骨料，粒径为5-30mm的连续级配骨料，吸水率为1.1％。
裹浆工艺：
1将地聚物前驱体粉磨至平均粒径小于30μm，或勃氏比表面积不小于350cm2/g。
2将骨料放入激发剂溶液，机械搅拌，保证充分浸泡，无气泡残留，随后沥干。
3将2中湿润骨料和1中磨细地聚物前驱体粉体加入搅拌锅中充分搅拌5min，使得骨料表面包覆有0.1-0.2mm的地聚物层，随后取出。
4重复2次上述步骤2-3，地聚物壳层厚度为0.5mm。
各性能指标见表1。
实施例2
所用碱激发剂组成比为氢氧化钾5、水玻璃(模数＝1.3)7、聚羧酸减水剂(唐山市龙亿科技开发有限公司，固含量50％)1、水86.8，质量分数为13.2％，黏度为21.1mPa·s。
所用地聚物前驱体组成为S90矿粉40wt％、F级粉煤灰60wt％。
骨料为本溪非活性铁尾矿机制骨料，粒径为5-30mm的连续级配骨料，Cr(VI)浸出浓度为35.2mg/L。
裹浆工艺：
1将地聚物前驱体粉磨至平均粒径小于30μm，或勃氏比表面积不小于350cm2/g。
2将骨料放入激发剂溶液，超声振动，保证充分浸泡，无气泡残留，随后沥干。
3将2中湿润骨料和1中磨细地聚物前驱体粉体加入搅拌锅中充分搅拌4min，使得骨料表面包覆有0.1-0.2mm的地聚物层，随后取出。
4重复1次上述步骤2-3，地聚物壳层厚度为0.4mm。
各性能指标见表1。
实施例3
所用碱激发剂组成比为氢氧化钾10、脂肪族减水剂1(唐山市龙亿科技开发有限公司，固含量50％)、水89，质量分数为11％，黏度为1.0mPa·s。
所用地聚物前驱体组成为S90矿粉50wt％、F级粉煤灰50wt％。
骨料为本溪非活性剥离岩石机制骨料，粒径为5-30mm的连续级配骨料，吸水率为1.1％。
裹浆工艺：
1将地聚物前驱体粉磨至平均粒径小于30μm，或勃氏比表面积不小于350cm2/g。
2将骨料放入激发剂溶液，机械搅拌，保证充分浸泡，无气泡残留，随后沥干。
3将2中湿润骨料和1中磨细地聚物前驱体粉体加入搅拌锅中充分搅拌3min，使得骨料表面包覆有0.1-0.2mm的地聚物层，随后取出。
4重复1次上述步骤2-3，地聚物壳层厚度为0.3mm。
各性能指标见表1。
实施例4
(1)C30混凝土配合比：
42.5普通硅酸盐水泥225g
S90矿粉96g
F级粉煤灰46g
铁尾矿机制砂960g
铁尾矿石子838g
减水剂5.14g
水184g
粗细骨料均为本溪非活性铁尾矿机制骨料，C30混凝土试块28天抗压强度为38.2MPa。
其中粗骨料为5-30mm连续级配骨料，细骨料为细度模数2.4-2.8的连续级配机制砂，均为铁尾矿砂石。
(2)裹浆材料：
所用碱激发剂组成比为氢氧化钠3、水玻璃(模数＝1.4)8、聚羧酸减水剂1.1(唐山市龙亿科技开发有限公司，固含量50％)、水87.9，质量分数为12.1％，黏度为25.5mPa·s。
所用地聚物前驱体组成为S90矿粉40wt％、F级粉煤灰55wt％、硅灰5wt％。
(3)裹浆工艺：
1将地聚物前驱体粉磨至平均粒径小于30μm，或勃氏比表面积不小于350cm2/g。
2将骨料放入激发剂溶液，超声振动，保证充分浸泡，无气泡残留，随后沥干。
3将2中湿润骨料和1中磨细地聚物前驱体粉体加入搅拌锅中充分搅拌4min，使得骨料表面包覆有0.1-0.2mm的地聚物层，随后取出。
4重复1次上述步骤2-3，地聚物壳层厚度为0.4mm。
各性能指标见表1。
实施例5
(1)C40混凝土配合比：
42.5普通硅酸盐水泥300g
S90矿粉128g
F级粉煤灰40g
铁尾矿机制砂960g
铁尾矿石子720g
减水剂6.68g
水190g
粗细骨料均本溪非活性铁尾矿机制骨料，C40混凝土试块28天抗压强度为42.1MPa。
(2)裹浆材料：
所用碱激发剂组成比为氢氧化钠4、水玻璃(模数＝1.4)7、聚羧酸减水剂1.0(唐山市龙亿科技开发有限公司，固含量50％)、水87.9，质量分数为12.1％，黏度为19.6mPa·s。
所用地聚物前驱体组成为S90矿粉45wt％、F级粉煤灰50wt％、硅灰5wt％。
(3)裹浆工艺：
1将地聚物前驱体粉磨至平均粒径小于30μm，或勃氏比表面积不小于350cm2/g。
2将骨料放入激发剂溶液，超声振动，保证充分浸泡，无气泡残留，随后沥干。
3将2中湿润骨料和1中磨细地聚物前驱体粉体加入搅拌锅中充分搅拌5min，使得骨料表面包覆有0.1-0.2mm的地聚物层，随后取出。
4重复1次上述步骤2-3，地聚物壳层厚度为0.5mm。
各性能指标见表1。
实施例6
(1)C30混凝土配合比：与实施例4相同。
(2)裹浆骨料配方为：同实施例1。
(3)裹浆工艺：与实施例1的不同之处仅在于，地聚物壳层厚度为0.3mm，各性能指标见表1。
实施例7
(1)C30混凝土配合比：与实施例4相同。
(2)裹浆骨料配方为：同实施例1。
(3)裹浆工艺：与实施例1的不同之处仅在于，地聚物壳层厚度为1.0mm，各性能指标见表1。
实施例8
(1)C30混凝土配合比：与实施例4相同。
(2)裹浆骨料配方为：同实施例1。
(3)裹浆工艺：与实施例1的不同之处仅在于，地聚物壳层厚度为1.5mm，各性能指标见表1。
对比例1
(1)C30混凝土配合比：与实施例4相同。
(2)裹浆骨料配方为：同实施例1。
(3)裹浆工艺：与实施例1的不同之处仅在于，地聚物壳层厚度为0.05mm，各性能指标见表1。
对比例2
(1)C30混凝土配合比：与实施例4相同。
(2)裹浆骨料配方为：同实施例1。
(3)裹浆工艺：与实施例1的不同之处仅在于，地聚物壳层厚度为2.0mm，各性能指标见表1。
对比例3
与实施例1的不同之处仅在于，裹浆工艺：
1将地聚物前驱体粉磨至平均粒径小于30μm，或勃氏比表面积不小于350cm2/g。
2将骨料与1中磨细地聚物前驱体粉体混合均匀，得到固体混合物。
3将2中固体混合物与激发剂溶液混合，搅拌锅中充分搅拌5min，随后取出。
4重复2次上述步骤2-3，地聚物壳层厚度为0.5mm。
表1
Figure BDA0002951085400000111
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不对本发明构成任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性的词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可以扩展至其它所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (7)

1.一种地质聚合物包裹骨料的制备方法，包括以下步骤：
S1，将地质聚合物前驱 体磨至平均粒径小于30 μm，或勃氏比表面积不小于350cm2/g；
S2，将骨料放入激发剂溶液，适当机械搅拌或超声振动，保证充分浸泡，无气泡残留，随后沥干，骨料表面湿润饱和即可；
S3，将S2中湿润骨料和S1中磨细的地质聚合物前驱 体加入搅拌锅中充分搅拌2min-15min，随后取出，
S4，重复上述步骤S2-S3，至地质聚合物层厚度为0.3mm-1.5mm，
S2中，所述激发剂溶液的黏度为0.5-50mPa·s；所述激发剂溶液由碱性物质、水和任选的外加剂组成，其中，所述碱性物质选自氢氧化钠、硅酸钠、硫酸钠、碳酸钠、氢氧化钾、硅酸钾、硫酸钾、碳酸钾、氢氧化钙和硫酸钙中的一种或多种；和/或所述外加剂选自减水剂、缓凝剂、早强剂和减缩剂中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以所述激发剂溶液的总重计，所述碱性物质和外加剂之和的质量分数为1-20%。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述地质聚合物前驱体选自矿渣、粉煤灰、磨细钢渣、煅烧黏土和硅灰中的一种或多种。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述骨料选自非活性骨料中的一种或多种。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述地质聚合物层的平均厚度为0.5-1.2mm。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法制备的地质聚合物包裹骨料在建筑材料中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，是在混凝土中的应用。
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