CN113929322A - 一种用于碱激发胶凝材料的有机-无机复合碱激发剂及其制备方法 - Google Patents

一种用于碱激发胶凝材料的有机-无机复合碱激发剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于碱激发胶凝材料的有机‑无机复合碱激发剂及其制备方法，所述复合碱激发剂原料组分及其质量份配比如下：碳酸钠285‑300份，硫酸钠71‑75份，半水石膏21‑25份，轻质石粉7‑15份，有机碱溶液275‑300份，水316‑335份。本发明提供的有机‑无机复合碱激发剂具有较低的碱度，不会对人体和环境造成危害，通过无机碱激发和有机物促进矿物相溶出的协同作用，具有很好的激发效果，在满足P.O 52.5的强度标准的同时，也不会因为碱度过高发生碱集料反应产生安全隐患，且稳定性好，成本低。

Description

一种用于碱激发胶凝材料的有机-无机复合碱激发剂及其制 备方法
技术领域
本发明属于混凝土技术领域，涉及一种用于碱激发胶凝材料的有机-无机复合碱激发剂及其制备方法。
背景技术
水泥作为使用最广的胶凝材料，支撑了全球道路、桥梁、隧道等大量基础设施的建设。然而，水泥的生产过程不仅会消耗大量的化石能源，而且会产生大量的温室气体，造成的环境影响已不容忽视。以矿渣、粉煤灰、钢渣等固废为基体的碱激发胶凝材料成为重要的水泥替代品之一。碱激发胶凝材料可消纳固废，有效缓解其造成的土地占用和污染等问题；由于碱激发胶凝材料不具备煅烧过程，所以碱激发胶凝材料较水泥有着更低的碳排放。此外，有些碱激发胶凝材料具有耐高温、耐硫酸盐侵蚀等性能，可以满足特殊工程领域的需要。
然而，碱激发胶凝材料依然存在许多问题。首先，作为基体材料的矿渣、粉煤灰等火山灰材料普遍存在水化活性低的问题，一般需要配合氢氧化钠、水玻璃等强碱激发剂使用。强碱激发使碱激发胶凝材料获得了高的力学性能，但是同时带来了材料成本高、工作性不易调控、高碱度对人体和环境产生危害等问题。当前，弱碱激发剂获得了广泛关注，以碳酸盐、磷酸盐为代表的弱碱激发剂的使用解决了强碱激发剂所带来的诸多问题，但弱碱激发剂促进矿物相溶出慢，造成激发强度不足的缺陷，导致碱激发胶凝材料强度发展缓慢。而有机碱激发剂通过与矿物相离子发生络合作用，加速胶凝材料中矿物相离子的溶出，生成稳定的配位化合物，提高溶液中离子浓度，从而促进水化产物的结晶生长过程。随着矿物相离子被不断消耗，又会反过来促进矿物相离子的溶出过程，能够加快胶凝材料强度的发展，但单一使用成本过高的问题制约了有机碱激发剂的使用。将有机、无机碱激发剂复合，有望综合两者的优势，但当前市面上有机-无机复合的碱激发剂大多采用有机-氯盐，又会带来氯离子浓度过高造成的钢筋腐蚀等问题，制约了碱激发胶凝材料的发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种用于碱激发胶凝材料的有机-无机复合碱激发剂及其制备方法，该有机-无机复合碱激发剂通过无机碱激发和有机物促进矿物相溶出的协同作用，具有激发效率高，成本低，稳定性好，制备工艺简单等优势，有助于在碱激发胶凝材料的应用和推广。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
提供一种用于碱激发胶凝材料的有机-无机复合碱激发剂，其原料组分及其质量份配比如下：碳酸钠285-300份，硫酸钠71-75份，半水石膏21-25份，轻质石粉7-15份，有机碱溶液275-300份，水316-335份。
按上述方案，所述碳酸钠纯度≥99.5％(质量百分比)。
按上述方案，所述硫酸钠纯度≥99.0％(质量百分比)。
按上述方案，所述半水石膏为α-半水石膏，其中CaSO4·1/2H2O含量≥95.0％(质量百分比)。
按上述方案，所述轻质石粉为轻质碳酸钙。
按上述方案，所述有机碱溶液为三异丙醇胺(TIPA)与三乙醇胺(TEA)以质量比1：1.7-3.3混合溶于水而得到的溶液，溶液中三异丙醇胺与三乙醇胺总质量分数为0.5-2％。
本发明还包括上述用于碱激发胶凝材料的有机-无机复合碱激发剂的制备方法，具体步骤如下：
1)按比例称取原料，备用；
2)将碳酸钠、硫酸钠、半水石膏、轻质石粉和水混合球磨，得到无机碱浆料；
3)将步骤2)所得无机碱浆料与有机碱溶液混合并搅拌均匀，即得到用于碱激发胶凝材料的有机-无机复合碱激发剂。
按上述方案，步骤2)混合球磨工艺条件为：以氧化锆研磨球为研磨介质，球磨速率为200-800rpm，球磨时间为0.5-1h。本发明采用湿磨工艺提高了激发剂的工作性能。
按上述方案，所述氧化锆研磨球直径为2.4mm，重量为碳酸钠、硫酸钠、半水石膏、轻质石粉和水总重量之和的4倍。
本发明还包括根据上述有机-无机复合碱激发剂制备得到的混凝土，其中有机-无机复合碱激发剂折合固体掺量为胶凝材料重量的5～10％。
本发明利用无机碱激发和有机物促进矿物相溶出的协同作用，有较好的激发效果。碳酸钠、硫酸钠、半水石膏、轻质石粉作为无机碱的主要成分能够对矿渣、粉煤灰、钢渣等具有火山灰活性的材料起碱激发的作用，促进矿物相的水化；有机碱通过与矿物相离子发生络合作用，加速胶凝材料中矿物相离子的溶出，生成稳定的配位化合物，提高溶液中离子的过饱和度。
本发明的有益效果在于：
1、本发明提供的有机-无机复合碱激发剂具有较低的碱度，不会对人体和环境造成危害，通过无机碱激发和有机物促进矿物相溶出的协同作用，具有很好的激发效果(与强碱激发相当)，在满足P.O 52.5的强度标准的同时，也不会因为碱度过高发生碱集料反应产生安全隐患，且稳定性好，成本低；2、本发明的制备方法工艺简单，易于实现，具有突出的经济效益。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明实施例所用碳酸钠纯度≥99.5％，硫酸钠纯度≥99.0％，半水石膏中CaSO4·1/2H2O含量≥95.0％，三乙醇胺纯度≥99.0％，三异丙醇胺纯度≥85.0％，所用轻质石粉为轻质碳酸钙，所用。有机碱溶液为三异丙醇胺与三乙醇胺以质量比1：1.7-3.3混合溶于水而得到的溶液，溶液中三异丙醇胺与三乙醇胺总质量分数为1％。
实施例1～8
制备有机-无机复合碱激发剂，原料组分配比如下表1所示：
表1材料配比(质量份)
Figure BDA0003274796030000031
Figure BDA0003274796030000041
具体制备步骤如下：
1)按比例称取原料，备用；
2)将碳酸钠、硫酸钠、半水石膏、轻质石粉和水混合球磨，以氧化锆研磨球为研磨介质(氧化锆研磨球直径为2.4mm，重量为碳酸钠、硫酸钠、半水石膏、轻质石粉和水总重量之和的4倍)，球磨速率为400rpm，球磨时间为0.5h，得到无机碱浆料；
3)将步骤2)所得无机碱浆料与有机碱溶液混合并搅拌均匀，即得到用于碱激发胶凝材料的有机-无机复合碱激发剂。
实施例9
将实施例1～8制备的有机-无机复合碱激发剂用于碱激发胶凝材料，胶凝材料为高炉矿渣(武汉钢铁公司提供)，水灰比为0.5，有机-无机复合碱激发剂折合固体含量为高炉矿渣重量的7％，混合均匀制备得到水泥胶砂。并以等质量的氢氧化钠代替有机-无机复合碱激发剂作为对比例。
所用矿渣化学组成见表2所示。
表2矿渣的化学组成及质量百分含量
Figure BDA0003274796030000042
表2中LOI指烧失量。
参照标准《GB/T 17671-1999水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》测试根据实施例1-8制备的有机-无机复合碱激发剂得到的水泥胶砂以及对比例样品的7d和28d抗压强度，考察碱激发胶凝材料强度发展情况，测试结果见表3。
表3有机-无机碱激发剂性能测试结果
Figure BDA0003274796030000043
Figure BDA0003274796030000051
由表3碱激发剂性能测试数据可以看出，根据实施例1-8制备的有机-无机复合碱激发剂得到的水泥胶砂以及对比例样品的3d、28d抗压强度相当，满足P.O52.5的强度标准，表明本发明实施例制备的有机-无机复合碱激发剂的激发效果与强碱氢氧化钠相当。
需要说明的是本发明适用范围不仅限于矿渣，对其他有胶凝性的材料同样适用。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意组合，为使描述简单，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合进行描述，然而，只要这些技术特征不存在矛盾，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于碱激发胶凝材料的有机-无机复合碱激发剂，其特征在于，其原料组分及其质量份配比如下：碳酸钠285-300份，硫酸钠71-75份，半水石膏21-25份，轻质石粉7-15份，有机碱溶液275-300份，水316-335份。
2.根据权利要求1所述的用于碱激发胶凝材料的有机-无机复合碱激发剂，其特征在于，所述碳酸钠纯度≥99.5％。
3.根据权利要求1所述的用于碱激发胶凝材料的有机-无机复合碱激发剂，其特征在于，所述硫酸钠纯度≥99.0％。
4.根据权利要求1所述的用于碱激发胶凝材料的有机-无机复合碱激发剂，其特征在于，所述半水石膏为α-半水石膏，其中CaSO4·1/2H2O含量≥95.0％。
5.根据权利要求1所述的用于碱激发胶凝材料的有机-无机复合碱激发剂，其特征在于，所述轻质石粉为轻质碳酸钙。
6.根据权利要求1所述的用于碱激发胶凝材料的有机-无机复合碱激发剂，其特征在于，所述有机碱溶液为三异丙醇胺与三乙醇胺以质量比1：1.7-3.3混合溶于水而得到的溶液，溶液中三异丙醇胺与三乙醇胺总质量分数为0.5-2％。
7.一种权利要求1-6任一所述的用于碱激发胶凝材料的有机-无机复合碱激发剂的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)按比例称取原料，备用；
2)将碳酸钠、硫酸钠、半水石膏、轻质石粉和水混合球磨，得到无机碱浆料；
3)将步骤2)所得无机碱浆料与有机碱溶液混合并搅拌均匀，即得到用于碱激发胶凝材料的有机-无机复合碱激发剂。
8.根据权利要求7所述的用于碱激发胶凝材料的有机-无机复合碱激发剂的制备方法，其特征在于，步骤2)混合球磨工艺条件为：以氧化锆研磨球为研磨介质，球磨速率为200-800rpm，球磨时间为0.5-1h。
9.根据权利要求1-6任一所述的用于碱激发胶凝材料的有机-无机复合碱激发剂制备得到的混凝土，其特征在于，所述有机-无机复合碱激发剂折合固体掺量为胶凝材料重量的5～10％。
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