CN113666656A - 基于碱当量表示的地聚物凝胶材料配合比设计计算方法 - Google Patents

基于碱当量表示的地聚物凝胶材料配合比设计计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明为解决现有亟需大量综合利用工业废物的迫切需求，制备地聚物碱激发胶凝材料，提供了一种基于碱当量表示的地聚物胶凝材料配合比设计计算方法。属于地聚物胶凝材料配合比设计技术领域，该配合比计算方法为在已知胶凝材料重量m，碱当量a，改性后水玻璃模数x，水胶比w；原水玻璃模数y，原水玻璃中SiO2和Na2O的质量分数cSiO2、cNa2O等参数的情况下确定配合比中原水玻璃溶液重量m 1、附加水重量m w、固体氢氧化钠重量m NaOH三个参数的过程。本发明提出的地聚物配合比计算方法，物理意义明确，计算公式简单，且具有较高精度，可用于降低水玻璃模数计算氢氧化钠固体和附加水掺量计算。

Description

基于碱当量表示的地聚物凝胶材料配合比设计计算方法
技术领域
本发明属于地聚物胶凝材料配合比设计技术领域，具体涉及一种基于碱当量表示的地聚物凝胶材料配合比设计计算方法。
背景技术
地聚合物是由粉煤灰、矿渣、赤泥等工业废渣和碱激发剂组成的胶凝材料。与传统硅酸钠水泥材料相比，地聚合物具有抗压强度高、耐久性好等优点，在建筑行业逐渐得到广泛应用。
制备地聚物的原材料一般包括胶凝材料、碱激发剂和水三部分，若要配置地聚物砂浆或混凝土，还需加入粗、细骨料。配合比设计即确定原材料间比例关系的过程，不同的地聚物配合比设计方法区别在于水玻璃掺量表示方法的差异，现有大量资料显示，由水玻璃掺量的2种表示方法可衍生出相应配合比设计方法。
水玻璃掺量有2种表示方法：(1) 水玻璃的浓度；(2) 碱当量，即水玻璃中Na2O占胶凝材料原料总重量的百分比。
设计方法（1）需先通过计算确定掺入水玻璃中水的量，以配置一定浓度的水玻璃溶液，以浓度作为水玻璃掺量参与地聚物配合比设计。其缺点是：相同浓度不同重量的水玻璃溶液中硅酸钠含量不一样，若以水玻璃浓度作掺量制备地聚物，需同时说明掺入的水玻璃溶液重量。另外，在地聚物配合比设计中，水玻璃中的水作为液体需参与水胶比的计算，若以浓度表示掺量，一定浓度水玻璃的配置以及水胶比计算中都涉及到水重量的计算，导致计算量增大。
而采用以碱当量表示的设计方法（2）进行配合比设计，一方面，可确切的知道地聚物配合比中掺加的硅酸钠总重量；另一方面，将水玻璃掺量和水胶比分开考虑，避免了重复计算，更加直观且计算简便。并以此方法为依据，在获得改性水玻璃溶液的基础上，提出的改性水玻璃及附加水掺量的计算方法，能较为准确地指导地聚物的配合比设计。
地聚物胶凝配比中最为复杂的为碱激发剂配比，其中硅酸钠(Na2O•n SiO2)的水溶液俗称水玻璃。在水玻璃中，SiO2/Na2O的摩尔比n称为水玻璃的模数。通过向高模数水玻璃溶液中加入氢氧化钠和水可将其配置成不同浓度的低模数水玻璃溶液。相关学者给出了多种降低硅酸钠水玻璃模数的计算方法：学者1根据试验提出了水玻璃模数降低的经验公式，该公式计算简单，但精度有待提高；学者2进一步考虑了硅酸钠含量的影响，给出了计算降低水玻璃模数所需加入的氢氧化钠重量的公式；学者4认为氢氧化钠掺量与原水玻璃模数、摩尔质量、硅酸钠含量以及改性水玻璃模数有关，建立了氢氧化钠掺量与以上四个参数间的关系式。准确计算加入氢氧化钠固体和附加水的重量，达到控制水玻璃模数和确定水玻璃掺量的目的是科研工作者关心的问题。但目前不同学者采用的改性水玻璃溶液配置方法不统一，计算出的结果也存在较大差异。
此外，水玻璃掺量表示方法不一，且多数文献未给出水玻璃掺量的确定方法，给地聚物配合比的设计带来了困难。因此，进一步选择一种相对较好的地聚物胶凝材料配合比设计方法进行统一是目前亟需解决的问题。
发明内容
本发明为解决现有亟需大量综合利用工业废物的迫切需求，制备地聚物碱激发胶凝材料，提供了一种基于碱当量表示的地聚物胶凝材料配合比设计计算方法。本发明提出的地聚物配合比计算方法，物理意义明确，计算公式简单，且具有较高精度，可用于降低水玻璃模数过程中氢氧化钠固体和附加水掺量计算。
本发明采用如下技术方案：
地聚物胶凝材料主要包含胶凝材料（粉煤灰、矿渣或赤泥）、原水玻璃溶液、附加水、固体氢氧化钠四种。其中胶凝材料重量容易控制，而碱激发剂主要为原水玻璃溶液、附加水和固体氢氧化钠的混合物。由一定量的原水玻璃溶液、附加水和固体氢氧化钠可配置一定模数和硅酸钠含量的改性水玻璃溶液。以碱当量、水胶比为控制参数，通过加入氢氧化钠固体和附加水的情况降低原水玻璃溶液模数的方式进行。
市售水玻璃一般已给出模数和硅酸钠含量两个参数，硅酸钠含量可以含水率或SiO2、Na2O质量分数给出，由原水玻璃模数和硅酸钠含量两个参数及改性水玻璃目标模数可对氢氧化钠固体掺加量进行计算。
该配合比方法的已知参数为：
（1）胶凝材料重量m，碱当量a，改性后水玻璃模数x，水胶比w；
所述的碱当量a，即水玻璃中Na2O占胶凝材料原料（包含粉煤灰、矿渣重量和）总重量的百分比，Na2O %；所述的水胶比w即自由水占胶凝材料（包含粉煤灰、矿渣、水玻璃溶液中的硅酸钠等）的重量比。
（2）原水玻璃模数y，原水玻璃中SiO2和Na2O的质量分数cSiO2、cNa2O。
通过配合比设计后，需要确定的参数为：
（1）原水玻璃溶液的重量m 1；
（2）附加水的重量m w；
（3）固体氢氧化钠的重量m NaOH。
本发明的配合比计算方法主要包含以下10个步骤：
（1）根据原水玻璃模数y确定原水玻璃溶液的摩尔质量：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
（式1）
式中，y为原水玻璃模数，可取2.0~3.0，与商家提供的参数有关；
（2）假定配合比中的原水玻璃溶液重量为m 1；
（3）根据原水玻璃中SiO2和Na2O的质量分数，及假定的原水玻璃溶液重量m 1，计算出一定重量或体积水玻璃中硅酸钠的重量：
Figure 49359DEST_PATH_IMAGE002
（式2）
式中，m 1为原水玻璃溶液重量；cSiO2、cNa2O为原水玻璃中SiO2和Na2O质量分数；
（4）拟配置模数为x的水玻璃溶液，确定所需添加的NaOH固体重量：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
（式3）
式中，x为改性后水玻璃模数；M N/S为原水玻璃溶液的摩尔质量；m N/S为原水玻璃溶液中硅酸钠的重量；
（5）计算所需掺入的改性水玻璃溶液重量：
Figure 28816DEST_PATH_IMAGE004
（式4）
式中，m为胶凝材料原料总重量；a为碱当量；m NaOH为所需添加的NaOH固体重量；
（6）计算改性水玻璃溶液中硅酸钠的质量分数：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
（式5）；
（7）计算附加水重量：
Figure 870870DEST_PATH_IMAGE006
（式6）
式中，w水胶比，c为改性水玻璃溶液中硅酸钠的质量分数；
（8）计算原水玻璃溶液重量m 1*：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
（式7）
式中，m 2为所需掺入的改性水玻璃溶液重量，m w为附加水掺量；
（9）判断步骤（8）计算的m 1*是否与步骤（2）假定的m 1相同，若不相同，重复步骤（2）~（8），若相同结束；
（10）提取步骤（8）中原水玻璃溶液重量m 1*，步骤（7）中附加水重量m w、步骤（4）中固体氢氧化钠重量m NaOH。
在已知需要配置胶凝材料的碱当量、水胶比和改性水玻璃模数等参数信息后。通过若干次计算即可得到采用碱激发胶凝材料、原水玻璃溶液重量、附加水重量和氢氧化钠固体重量表示的地聚物配合比设计参数。针对地聚物砂浆或地聚物混凝土等材料的配合比而言，还需获知砂率、胶砂比等信息即可进行相应配合比设计。在实际混凝土材料的配合比设计时，还需要考虑单位体积的表示方法。一般而言，地聚物密度为2400 kg/m3，按照不同的体积进行设计能达到相关要求。
本发明的有益效果如下：
本发明为解决现有亟需大量综合利用工业废物的迫切需求，制备地聚物碱激发胶凝材料，提供了一种基于碱当量表示的地聚物胶凝材料配合比设计计算方法。本发明提出的地聚物配合比计算方法，物理意义明确，计算公式简单，且具有较高精度，可用于降低水玻璃模数计算氢氧化钠固体和附加水掺量计算。
附图说明
图1为本发明计算方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
实施例1
拟配置一定数量的不同碱当量的地聚合物胶凝材料
以胶凝材料总量m=200 g，分别采用100 g粉煤灰和100 g矿渣。原水玻璃溶液的参数如下：模数2.8；Na2O含量9.2%，SiO2含量25.79 %。
采用纯度为99%的固体氢氧化钠调节水玻璃模数；蒸馏水若干。
表1实施例1拟配置的地聚合物配合比
Figure 829861DEST_PATH_IMAGE008
实施例2
拟配置一定数量的不同水胶比的地聚合物胶凝材料。
胶凝材料总量，原水玻璃溶液的参数，固体氢氧化钠和蒸馏水同算实施例1。
表2 实施例2拟配置的地聚合物配合比
Figure DEST_PATH_IMAGE009
实施例3
拟配置一定数量的不同水玻璃模数的地聚合物胶凝材料。
表3 实施例3拟配置的地聚合物配合比
Figure 706550DEST_PATH_IMAGE010
实施例4
拟配置一定数量的不同水玻璃模数的地聚合物胶凝材料。
以胶凝材料总量、固体氢氧化钠和蒸馏水同算实施例1。拟配置的原水玻璃溶液的参数如下：模数2.5；Na2O含量9.2%，SiO2含量23.0%。
表4 实施例4拟配置的地聚合物配合比
Figure DEST_PATH_IMAGE011
需要说明，若原水玻璃溶液模数较大，而要求改性水玻璃溶液模数较少，较难通过配置溶液的方法获得相应数值。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于碱当量表示的地聚物凝胶材料配合比设计计算方法，其特征在于：地聚物胶凝材料包含胶凝材料、原水玻璃溶液、附加水、固体氢氧化钠四种材料，该配合比计算方法为在已知胶凝材料重量m，碱当量a，改性后水玻璃模数x，水胶比w；原水玻璃模数y，原水玻璃中SiO2和Na2O的质量分数cSiO2、cNa2O参数的情况下确定配合比中原水玻璃溶液重量m 1、附加水重量m w、固体氢氧化钠重量m NaOH三个参数的过程。
2.一种如权利要求1所述的基于碱当量表示的地聚物凝胶材料配合比设计计算方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）根据原水玻璃模数y确定原水玻璃溶液的摩尔质量；
（2）假定原水玻璃溶液重量为m 1；
（3）根据原水玻璃中SiO2和Na2O的质量分数，及假定的原水玻璃溶液重量，计算出水玻璃中硅酸钠的重量；
（4）结合拟配置模数为x的水玻璃溶液，确定添加的NaOH固体重量；
（5）计算所需掺入的改性水玻璃溶液重量；
（6）计算改性水玻璃溶液中硅酸钠的质量分数；
（7）计算附加水重量；
（8）计算原水玻璃溶液重量m 1*；
（9）判断步骤（8）计算的m 1*是否与步骤（2）假定的m 1相同，若不相同，重复步骤（2）~（8），若相同结束；
（10）提取步骤（8）中原水玻璃溶液重量m 1*，步骤（7）中附加水重量m w、步骤（4）中固体氢氧化钠重量m NaOH。
3.根据权利要求2所述的一种基于碱当量表示的地聚物胶凝材料配合比设计计算方法，其特征在于：原水玻璃溶液的摩尔质量公式具体为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，式中，y为原水玻璃模数，取值2.0~3.0。
4.根据权利要求2所述的一种基于碱当量表示的地聚物胶凝材料配合比设计计算方法，其特征在于：原水玻璃溶液中硅酸钠的重量公式具体为：
Figure 963888DEST_PATH_IMAGE002
，式中，m 1为原水玻璃溶液重量；cSiO2、cNa2O为原水玻璃中SiO2和Na2O质量分数。
5.根据权利要求2所述的一种基于碱当量表示的地聚物胶凝材料配合比设计计算方法，其特征在于：所述的添加的NaOH固体重量公式具体为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，式中，x为改性后水玻璃模数；M N/S为原水玻璃溶液的摩尔质量；m N/S为原水玻璃溶液中硅酸钠的重量。
6.根据权利要求2所述的一种基于碱当量表示的地聚物胶凝材料配合比设计计算方法，其特征在于：所述的掺入的改性水玻璃溶液重量公式具体为：
Figure 293238DEST_PATH_IMAGE004
，式中，m为胶凝材料原料总重量；a为碱当量；m NaOH为所需添加的NaOH固体重量。
7.根据权利要求2所述的一种基于碱当量表示的地聚物胶凝材料配合比设计计算方法，其特征在于：所述的改性水玻璃溶液中硅酸钠质量分数公式具体为：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
。
8.根据权利要求2所述的一种基于碱当量表示的地聚物胶凝材料配合比设计计算方法，其特征在于：所述的附加水掺量m w公式具体为：
Figure 55920DEST_PATH_IMAGE006
，式中，w水胶比，c为改性水玻璃溶液中硅酸钠的质量分数。
9.根据权利要求2所述的一种基于碱当量表示的地聚物胶凝材料配合比设计计算方法，其特征在于：所述的原水玻璃溶液重量公式具体为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，式中，m 2为所需掺入的改性水玻璃溶液重量，m w为附加水掺量。
10.根据权利要求1所述的一种基于碱当量表示的地聚物胶凝材料配合比设计计算方法，其特征在于：所述的碱当量a，即水玻璃中Na2O占胶凝材料原料总重量的百分比，Na2O %；所述的水胶比w即自由水占胶凝材料的重量比。
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