CN113716886A - 一种基于花岗岩石粉的二维增强水硬性胶凝材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于花岗岩石粉的二维增强水硬性胶凝材料,所述胶凝材料按照以下比例称取各原料,各原料以及其质量份为:花岗岩石粉45~60份、炉底渣25~35份、水泥熟料7~12份、脱硫石膏2~3份、氢氧化钙1~3份、水玻璃1~3份、氢氧化钠1~3份、少层石墨烯0.03~0.04份;本发明使用上述原料混合制备成水硬性胶凝材料,不仅拓展了花岗岩石粉的深加工技术,充分利用了花岗岩石粉,解决了花岗岩石粉堆放导致的土地资源和矿产资源浪费的问题,同时还可替代水泥、矿粉和粉煤灰用于混凝土制备中,缓解了水泥、矿粉和粉煤灰资源短缺的问题,且本发明的制备方法具有操作简单、安全可靠、成本低的优点。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料领域,尤其涉及一种基于花岗岩石粉的二维增强水硬性胶凝材料。
背景技术
随着我国石材行业的快速发展,石材尾粉的生成量也在日益增加,然而石材尾粉的综合利用率,尤其是花岗岩石粉的利用率却十分低下。花岗岩石粉作为一种天然矿物资源其主要处置方式仍是消极堆放,这不但严重浪费土地资源和矿产资源,还会对生态环境造成一定程度的破坏。目前,花岗岩石粉在混凝土中的应用主要有将花岗岩石粉作为矿物掺和料和细骨料两种方式,但是,许多研究及实践表明这两种方式对花岗岩石粉的使用量十分有限,只能局限在较小的掺量范围内。因此,如何提高花岗岩石粉利用率是个较为迫切的问题。与此同时,混凝土行业对粉煤灰和矿渣粉的需求量越来越大,在某些地区甚至到了供不应求的地步。寻找合适的方法资源化利用花岗岩石粉不但能保护环境还能作为一种补充掺和料,解决粉煤灰和矿渣粉资源不足的问题。
石墨烯(GNs)是一种二维碳纳米材料,其本身具有优异的力学性能,在混凝土中掺入极少量即可明显改善其力学性能和耐久性能。就目前研究,石墨烯在水泥基材料中的作用主要有三种:(1)促进水泥水化反应,调控水化产物结构生长;(2)使基体更加密实,抑制裂纹生长与扩散;(3)与水泥基体界面结合,提高负载力传递效率。这说明石墨烯并不直接与水泥反应,而是通过上述三种作用来提高水泥基体强度。因此,可利用石墨烯和花岗岩石粉来制备一种二维增强水硬性胶凝材料。
发明内容
本发明提供了一种基于花岗岩石粉的二维增强水硬性胶凝材料,解决了花岗岩石粉利用率低下以及水泥和粉煤灰资源不足的问题,不仅拓展了花岗岩石粉的深加工技术,充分利用了花岗岩石粉,解决了花岗岩石粉堆放导致的土地资源和矿产资源浪费的问题,同时还可完全替代粉煤灰或部分替代水泥和矿粉应用于混凝土制备中,缓解了水泥、矿粉和粉煤灰资源短缺的问题,且本发明的制备方法具有操作简单、安全可靠、成本低的优点。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为:
一种基于花岗岩石粉的二维增强水硬性胶凝材料,所述胶凝材料为采用以下步骤所制备的:(1)、按照以下比例称取各原料,各原料以及其质量份为:花岗岩石粉45~60份、炉底渣25~35份、水泥熟料7~12份、脱硫石膏2~3份、氢氧化钙1~3份、水玻璃1~3份、氢氧化钠1~3份、石墨烯0.03~0.04份;
(2)、将花岗岩石粉和炉底渣粉磨并筛分,将筛分后的花岗岩石粉和炉底渣与氢氧化钠、水玻璃搅拌混合均匀,得到混合物A;
(3)、将石墨烯均匀分散在水中,得到混合物B;
(4)、搅拌混合物A,并在搅拌时将混合物B倒入其中,继续搅拌得到混合物C;
(5)、将混合物C在120~150℃下加热反应至含水率≤1%,得到混合物D,然后将混合物D与脱硫石膏、水泥熟料和氢氧化钙混合粉磨,得到的成品即为胶凝材料。
所述步骤(1)中的石墨烯为单层石墨烯、双层石墨烯或少层石墨烯。
所述步骤(2)中花岗岩石粉和炉底渣通过100~300目筛网进行筛分,花岗岩石粉的筛余≤5%,炉底渣的筛余≤10%。
所述步骤(3)中石墨烯采用机械搅拌和/或超声分散法均匀分散在水中。
所述步骤(4)中调节混合物C的含水率至40%~50%。
所述步骤(5)中成品的综合比表面积的范围为680~720m2/kg。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:1、本发明优化了花岗岩石粉和炉底渣的组分配比并使用氢氧化钠和水玻璃作为碱激发剂以激发花岗岩石粉和炉底渣的反应活性,水玻璃是一种矿粘合剂,粘结力强,硬化后强度高,水玻璃与花岗岩石粉和炉底渣混合可解聚两者中的铝硅酸盐玻璃晶体,有助于花岗岩石粉和炉底渣中的硅酸根离子和铝酸根离子流出,同时为了避免水玻璃加入过多降低成品与减水剂的适应性,可加入少量氢氧化钠提高反应体系的氢氧根离子浓度,还能加速解聚过程的进行。2、本发明中用到的石墨烯是一种二维片层结构,通过机械搅拌加/或超声分散法使得石墨烯在水中分散,再通过搅拌使得石墨烯粉末混合在混合物A中,分散在混合物A中的石墨烯在水泥基材料中能够促进水泥水化、抑制裂纹生长、调控水泥水化产物结构生长,同时还能使基体更加密实,抑制裂纹生长与扩散,因此可对本发明制得的成品进行有效二维增强。3、本发明对混合物C进行加热且加热温度高于100℃,一方面较高的温度有助于解聚过程进行,另一方面混合物C在加热反应过程中还能够降低混合物C的含水率,便于进行后续粉磨工序。4、本发明掺入脱硫石膏、水泥熟料和氢氧化钙作为增强剂,脱硫石膏可与氢氧化钙、氧化铝反应生成AFt,增加成品强度,且脱硫石膏颗粒粒径细小,还能起到微集料填充作用。氢氧化钙和水泥熟料协同作用,进一步激发固废的反应活性,促进二次水化反应的进行。5、本发明利用花岗岩石粉和炉底渣制成水硬性胶凝材料可部分替代水泥和矿粉,完全替代粉煤灰用于混凝土制备中,掺有成品制备的混凝土强度与C35混凝土强度接近,因此,本发明不仅拓展了花岗岩石粉的深加工技术,充分利用了花岗岩石粉,解决了花岗岩石粉堆放导致的土地资源和矿产资源浪费的问题,同时还缓解了水泥、矿粉和粉煤灰资源短缺的问题,且本发明的制备方法具有操作简单、安全可靠、成本低的优点。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种基于花岗岩石粉的二维增强水硬性胶凝材料,所述胶凝材料采用以下步骤制备:
(1)、按照以下比例称取各原料,各原料以及其质量份为:花岗岩石粉45份、炉底渣25份、水泥熟料7份、脱硫石膏2份、氢氧化钙1份、水玻璃1份、氢氧化钠1份、石墨烯0.03份,石墨烯选用单层石墨烯;
(2)、分别将花岗岩石粉和炉底渣粉磨并用100目筛网进行筛分,直至花岗岩石粉筛余3%,炉底渣粉筛余5%,将筛分后的花岗岩石粉和炉底渣与氢氧化钠、水玻璃搅拌混合均匀,得到混合物A,混合物A的含水率为30%;
(3)、将单层石墨烯采用机械搅拌加超声分散法均匀分散在水中,得到混合物B;
(4)、一边搅拌混合物A一边将混合物B倒入其中,继续搅拌得到混合物C,混合物C的含水率为40%;
(5)、将混合物C在130℃下加热反应至含水率为1%,得到混合物D,然后将混合物D与脱硫石膏、水泥熟料和氢氧化钙混合并粉磨,粉磨后成品的综合比表面积为680m2/kg,得到成品即胶凝材料。
实施例2
本实施例提供一种基于花岗岩石粉的二维增强水硬性胶凝材料,所述胶凝材料采用以下步骤制备:
(1)、按照以下比例称取各原料,各原料以及其质量份为:花岗岩石粉45份、炉底渣35份、水泥熟料10份、脱硫石膏3份、氢氧化钙2份、水玻璃2份、氢氧化钠3份、石墨烯0.04份,,石墨烯选用双层石墨烯;
(2)、分别将花岗岩石粉和炉底渣粉磨并用200目筛网进行筛分,直至花岗岩石粉筛余3%,炉底渣粉筛余5%,将筛分后的花岗岩石粉和炉底渣与氢氧化钠、水玻璃搅拌混合均匀,得到混合物A,混合物A的含水率30%;
(3)、将双层石墨烯采用机械搅拌加超声分散法均匀分散在水中,得到混合物B;
(4)、一边搅拌混合物A一边将混合物B倒入其中,继续搅拌得到混合物C,混合物C的含水率为40%;
(5)、将混合物C在135℃下加热反应至含水率1%,得到混合物D,然后将混合物D与脱硫石膏、水泥熟料和氢氧化钙混合并粉磨,粉磨后成品的综合比表面积为700m2/kg,,得到成品即胶凝材料。
实施例3
本实施例提供一种基于花岗岩石粉的二维增强水硬性胶凝材料,所述胶凝材料采用以下步骤制备:
(1)、按照以下比例称取各原料,各原料以及其质量份为:花岗岩石粉50份、炉底渣30份、水泥熟料11份、脱硫石膏3份、氢氧化钙1份、水玻璃2份、氢氧化钠3份、石墨烯0.03份,石墨烯选用少层石墨烯;
(2)、分别将花岗岩石粉和炉底渣粉磨并用200目筛网进行筛分,直至花岗岩石粉筛余4%,炉底渣粉筛余8%,将筛分后的花岗岩石粉和炉底渣与氢氧化钠、水玻璃搅拌混合均匀,得到混合物A,混合物A的含水率为35%;
(3)、将少层石墨烯采用机械搅拌加超声分散法均匀分散在水中,得到混合物B;
(4)、一边搅拌混合物A一边将混合物B倒入其中,继续搅拌得到混合物C,混合物C的含水率为45%;
(5)、将混合物C在135℃下加热反应至含水率1%,得到混合物D,然后将混合物D与脱硫石膏、水泥熟料和氢氧化钙混合并粉磨,粉磨后成品的综合比表面积710m2/kg,得到成品即胶凝材料。
实施例4
本实施例提供一种基于花岗岩石粉的二维增强水硬性胶凝材料,所述胶凝材料采用以下步骤制备:
(1)、按照以下比例称取各原料,各原料以及其质量份为:花岗岩石粉55份、炉底渣35份、水泥熟料11份、脱硫石膏3份、氢氧化钙1份、水玻璃2份、氢氧化钠3份、石墨烯0.03份,石墨烯选用少层石墨烯;
(2)、分别将花岗岩石粉和炉底渣粉磨并用300目筛网进行筛分,直至花岗岩石粉筛余5%,炉底渣粉筛余8%,将筛分后的花岗岩石粉和炉底渣与氢氧化钠、水玻璃搅拌混合均匀,得到混合物A,混合物A的含水率为35%;
(3)、将少层石墨烯采用机械搅拌加超声分散法均匀分散在水中,得到混合物B;
(4)、一边搅拌混合物A一边将混合物B倒入其中,继续搅拌得到混合物C,混合物C的含水率45%;
(5)、将混合物C在145℃下加热反应至含水率为0.5%,得到混合物D,然后将混合物D与脱硫石膏、水泥熟料和氢氧化钙混合并粉磨,粉磨后成品的综合比表面积710m2/kg,得到成品即胶凝材料。
实施例5
本实施例提供一种基于花岗岩石粉的二维增强水硬性胶凝材料,所述胶凝材料采用以下步骤制备:
(1)、按照以下比例称取各原料,各原料以及其质量份为:花岗岩石粉60份、炉底渣35份、水泥熟料12份、脱硫石膏3份、氢氧化钙3份、水玻璃3份、氢氧化钠3份、石墨烯0.04份,石墨烯选用少层石墨烯;
(2)、分别将花岗岩石粉和炉底渣粉磨并用200目筛网进行筛分,直至花岗岩石粉筛余5%,炉底渣粉筛余10%,将筛分后的花岗岩石粉和炉底渣与氢氧化钠、水玻璃搅拌混合均匀,得到混合物A,含水率35%;
(3)、将少层石墨烯采用机械搅拌加超声分散法均匀分散在水中,得到混合物B;
(4)、一边搅拌混合物A一边将混合物B倒入其中,继续搅拌得到混合物C,混合物C的含水率为50%;
(5)、将混合物C在150℃下加热反应至含水率为0.8%,得到混合物D,然后将混合物D与脱硫石膏、水泥熟料和氢氧化钙混合并粉磨,粉磨后成品的综合比表面积为720m2/kg,得到成品即胶凝材料。
试验例1
将实施例1~5所制得的成品代替水泥用于制备混凝土,用料配比如表1所示,28d抗压强度如表2所示。
表1实施例1~5所制成品代替水泥制备混凝土的配合比(kg/m3)
表2实施例1~5所制成品代替水泥制备混凝土的28d抗压强度测试结果
上述实施例1~5表明利用花岗岩石粉和炉底渣制成的胶凝材料取代30%水泥制备混凝土,其28d抗压强度与基准样28d抗压强度比能达到80%以上。
试验例2
将实施例5制备的成品替代矿粉或粉煤灰应用于制备C35混凝土的配合比如表3所示,并测试不同配合比制备的混凝土7d和28d的抗压强度,抗压强度测试结果如表4所示。
表3实施例5的成品制备的混凝土配合比(kg/m3)
表4实施例5的成品制备的混凝土7d和28d的抗压强度测试结果
将实施例5的成品用于制备C35混凝土,如表3、表4所示,其中C35为标准样,C35-1部分替代粉煤灰,C35-2完全替代粉煤灰,C35-3部分替代矿粉,C35-4完全替代矿粉;对C35-1和C35-2进行抗压强度的测量,通过28d的测量值与标准样对比可知,成品可完全替代粉煤灰用于制备混凝土,同时掺有成品的混凝土抗压强度具有显著增长;对C35-3和C35-4进行抗压强度的测量,通过28d的测量值与标准样对比可知,成品可部分替代矿粉,成品部分替代矿粉所制备的混凝土与标准样强度接近。
综上所述,本发明提供的原料及其质量配比制成的胶凝材料能够完全替代粉煤灰用于混凝土中,同时还能部分替代水泥和矿粉用于混凝土制备中,使得原本利用率低下的花岗岩石粉能够在建筑材料领域内得到广泛应用。
Claims (6)
1.一种基于花岗岩石粉的二维增强水硬性胶凝材料,其特征在于:所述胶凝材料为采用以下步骤所制备的:(1)、按照以下比例称取各原料,各原料以及其质量份为:花岗岩石粉45~60份、炉底渣25~35份、水泥熟料7~12份、脱硫石膏2~3份、氢氧化钙1~3份、水玻璃1~3份、氢氧化钠1~3份、石墨烯0.03~0.04份;
(2)、将花岗岩石粉和炉底渣粉磨并筛分,将筛分后的花岗岩石粉和炉底渣与氢氧化钠、水玻璃搅拌混合均匀,得到混合物A;
(3)、将石墨烯均匀分散在水中,得到混合物B;
(4)、搅拌混合物A,并在搅拌时将混合物B倒入其中,继续搅拌得到混合物C;
(5)、将混合物C在120~150℃下加热反应至含水率≤1%,得到混合物D,然后将混合物D与脱硫石膏、水泥熟料和氢氧化钙混合粉磨,得到的成品即为胶凝材料。
2.根据权利要求1所述的基于花岗岩石粉的二维增强水硬性胶凝材料,其特征在于:所述步骤(1)中的石墨烯为单层石墨烯、双层石墨烯或少层石墨烯。
3.根据权利要求1所述的基于花岗岩石粉的二维增强水硬性胶凝材料,其特征在于:所述步骤(2)中花岗岩石粉和炉底渣通过100~300目筛网进行筛分,花岗岩石粉的筛余≤5%,炉底渣的筛余≤10%。
4.根据权利要求1所述的基于花岗岩石粉的二维增强水硬性胶凝材料,其特征在于:所述步骤(3)中石墨烯采用机械搅拌和/或超声分散法均匀分散在水中。
5.根据权利要求1所述的基于花岗岩石粉的二维增强水硬性胶凝材料,其特征在于:所述步骤(4)中调节混合物C的含水率至40%~50%。
6.根据权利要求1所述的基于花岗岩石粉的二维增强水硬性胶凝材料,其特征在于:所述步骤(5)中成品的综合比表面积的范围为680~720m2/kg。
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