CN115231846B - 废玻璃-电石渣基c-s-h凝胶纳米晶核早强剂及其制备方法和应用 - Google Patents

废玻璃-电石渣基c-s-h凝胶纳米晶核早强剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种废玻璃‑电石渣基C‑S‑H凝胶纳米晶核早强剂及其制备方法和应用，该废玻璃‑电石渣基C‑S‑H凝胶纳米晶核早强剂按重量份计，主要由以下组分经过湿磨工艺湿磨得到：废玻璃粉：5‑7份，电石渣粉：7.5‑10.5份，助磨剂：0.5‑1份，分散剂：0.5‑0.6份，稳定剂：0.001‑0.002份，去离子水：80‑90份。本发明利用废玻璃和电石渣制备C‑S‑H凝胶纳米晶核早强剂，可作为异相成核种子诱导水泥矿物相的离子溶出，缩短水泥水化诱导期，加快水化前期的水化产物的成核生长，可以从改善孔结构以及诱导成核两个方面达到早强的目的，而且本发明整个体系中NaOH含量较高，使得体系中pH升高从而促进了水泥的水化以及提高C‑S‑H凝胶的稳定性，更有利于水泥的早期强度发展。

Description

废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂及其制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及混凝土外加剂技术领域，特别涉及一种废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂及其制备方法和应用。
背景技术
每年废弃玻璃达到14亿吨，其中平板玻璃、日用玻璃和玻璃包装容器占玻璃制品的80％以上。废玻璃粉的主要成分为SiO2和少量的Na2O，其中Na2O含量为15-30％，SiO2含量为60-80％。2017年，我国平板玻璃累计产量约3950万吨，而产出废玻璃约2000万吨，整体回收率约为53.5％，远低于欧美发达国家70％以上的回收率。废弃玻璃是一种生活垃圾，它的存在既占用宝贵的土地资源，增加环境负荷，造成大量的资源和能源的浪费，又会带来环境污染，还容易给人们的生产和生活造成伤害和不便；
电石渣也是常见固体废弃物中的一种，其中CaO含量为60-68％。电石渣是氢氧化钙水解制乙炔工业所产生的废渣也是制备PVC材料过程中的副产物。2018年我国电石产量约2700万吨，每吨电石产生1.2吨干电石渣。由于运输费较高和电石渣本身杂质种类较多，其综合利用率不高，通常采用填埋或堆存处理，易造成地表和地下水污染，对生态环境造成较大破坏；
对于常规C-S-H凝胶早强剂，其通常采用水热合成法制备和全返混爆发式成核反应器制备，水热合成法产率低耗时久，工艺过程冗长复杂，制备成本较高；成核反应器制备参数不易控制，反应非可视化，制备成本较高且实验仪器复杂昂贵。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂，以解决现有现有玻璃粉和电石渣资源化利用率低，以及纳米C-S-H凝胶晶核早强剂制备成本高、工艺复杂、产品性能不稳定性等问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂，按重量份计，主要由以下组分经过湿磨工艺湿磨得到：废玻璃粉：5-7份，电石渣粉：7.5-10.5份，助磨剂：0.5-1份，分散剂：0.5-0.6份，稳定剂：0.001-0.002份，去离子水：80-90份。
可选地，所述废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂的粒径范围为200～400nm。
可选地，所述废玻璃粉的200目过筛率≥90％，Na2O含量为15-30％，SiO2含量为70-85％。
可选地，所述助磨剂为硅酸钠与六偏磷酸钠的混合物，且所述硅酸钠与所述六偏磷酸钠的质量比为1∶1。
可选地，所述分散剂为聚羧酸减水剂、聚丙烯酰胺、萘磺酸盐中的一种或多种。其中，聚羧酸减水剂的固含量为30％～40％。
可选地，所述稳定剂为魔芋胶、温轮胶的一种或两种。
本发明的第二目的在于提供一种制备上述废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂的方法，该制备方法包括以下步骤：
1)将所述废玻璃粉、所述电石渣粉、所述助磨剂、所述分散剂、所述去离子水与一定质量的研磨体加入到研磨容器，并将其密封固定于球磨机上；
2)设置以600-800rpm的转速开启球磨机，并控制研磨机内温度始终为20℃-50℃；
3)研磨180-240min后关闭球磨机，待球磨机内温度降至室温后，取出研磨容器，过滤得到混合浆料；
4)向所述混合浆料中加入所述稳定剂，搅拌均匀，得到废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂。
可选地，步骤1)中所述研磨体的质量为所述废玻璃粉和所述电石渣粉质量之和的3-5倍，且所述研磨体的级配为2.4mm∶1.8mm∶1.0mm∶0.6mm＝1∶1∶1∶2(质量比)。
本发明的第三目的在于提供一种上述废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂在水泥基材料中的应用，在该应用中，所述废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂的掺量为所述水泥基材料中胶凝材料质量的3.0-5.0％。
本发明的废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂在水泥基材料中的应用机理为：
在水泥基材料水化初期，本发明的C-S-H凝胶纳米晶核早强剂可以消耗水泥浆液相总的钙离子和硅酸根离子，促进水泥熟料矿物相的进一步溶解，以此加快水泥基材料的早期水化速度；同时C-S-H凝胶纳米晶核早强剂进入水泥水化的产物的孔隙之中，大大提高了结构密实度。另外，废玻璃粉中的SiO2与电石渣中的Ca(OH)2反应，Ca(OH)2不断被消耗，会加快水泥的水化速率，提高混凝土的早期强度。而且C-S-H凝胶纳米晶核早强剂可以降低水泥水化时形成C-S-H凝胶的成核势垒，加速水化，因此能够提高胶砂强度。另一方面由于其较大的比表面积，有助于离子的吸附，使得整个体系中水化产物生长的更为弥散。以至于最终水泥石的结构更加致密。
相对于现有技术，本发明所述的废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂的制备方法具有以下优势：
1、本发明利用废玻璃和电石渣制备C-S-H凝胶纳米晶核早强剂，可作为异相成核种子诱导水泥矿物相的离子溶出，缩短水泥水化诱导期，加快水化前期的水化产物的成核生长，可以从改善孔结构以及诱导成核两个方面达到早强的目的，而且本发明采用的废玻璃粉中含有较高的Na2O含量，其与水反应可以生成NaOH，使得体系中的NaOH含量较高(不大于0.75％)，从而使得体系中pH升高，大大促进了水泥的水化以及提高C-S-H凝胶的稳定性，更有利于水泥的早期强度发展。
2、本发明在高强度机械力作用下，玻璃粉、电石渣与去离子水充分反应生成C-S-H凝胶；同时，在分散剂、稳定剂和助磨剂作的液相环境中，该产物在湿磨机械力作用下被超细化为纳米尺寸的C-S-H凝胶；将其以3.0-5.0％的掺量掺入普通硅酸盐水泥中，其水泥砂浆1d抗压强度可提升200％以上，28d强度不降低。
3、本发明采用两种固体废弃物作为前驱体制备成纳米晶核早强剂，不仅可以提高固废资源化利用率，而且还能降低制备成本以及提高原料附加值。
具体实施方式
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。
配制本发明各实施例的废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂的原料指标为：
废玻璃粉的200目过筛率≥90％，Na2O含量为25％，SiO2含量为80％；
助磨剂为硅酸钠与六偏磷酸钠的混合物，且硅酸钠与六偏磷酸钠的质量比为1∶1；
分散剂为聚羧酸减水剂，且聚羧酸减水剂的固含量为40％；
稳定剂为温轮胶。
下面将结合实施例来详细说明本发明。
表1为本发明实施例1～实施例6的废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂中各组分的配比和性能参数，以及各实施例废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂的粒径。
表1
Figure BDA0003779278970000051
采用下述方法制备实施例1-实施例6的C-S-H凝胶纳米晶核早强剂，具体包括以下步骤：
按照上述组分配方，分别称量各原料，并控制误差精确到±0.01g，再将球磨机中的研磨容器用湿抹布擦干至无明水备用，将废玻璃粉、电石渣粉、助磨剂、分散剂、去离子水与一定质量的研磨体加入到研磨容器，并将其密封固定于球磨机上设置以600-800rpm的转速开启球磨机，并采用工业空调冷却机控制研磨机内温度始终为20～50℃，研磨180-240min后关闭研磨机，待研磨机内温度降至室温后，取出研磨容器，过滤得到混合浆料，并向其中加入稳定剂温轮胶，搅拌均匀，即得废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂。
其中，在研磨过程中，湿磨机中的研磨体可优选为氧化锆研磨体，氧化锆研磨体的级配以及湿磨机的研磨参数可以根据行业基准设置，只需要能实现最后得到的C-S-H凝胶纳米晶核早强剂的中值粒径为200～400nm即可。
本发明提供的废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂的制备方法，采用流程简单可视化且参数易控制的湿法研磨工艺，利用废玻璃粉和电石渣为主要原料，利用适宜配比的助磨剂，配制出适合氧化钙与二氧化硅充分反映的液相环境，并在此过程中，配合高转速的物理研磨，对反应产物C-S-H进行尺寸细化以达到纳米级别，最后使用分散剂和稳定剂对纳米C-S-H凝胶进行阻止团聚作用以提高产品的稳定性。这样制备的C-S-H凝胶纳米晶核早强剂中值粒径为200～400nm，将其掺入到水泥基材料中，利用纳米形态C-S-H凝胶的晶核诱导作用，加快水泥基材料水化前期的水化产物的成核生长，达到早强的目的。
可以理解的是，分散剂种类不同会对纳米C-S-H凝胶产生不同的阻聚作用，本实施例选用保坍型聚羧酸减水剂作为分散剂，且聚羧酸减水剂的分散效果如表2所示，当分散剂的固含量为40％，在水泥浆体中掺量为0.50％时，1h净浆流动度增加40％以上。
表2
Figure BDA0003779278970000061
将实施例1～实施例6的废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂用于水泥净浆中，在该应用中，废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂的掺量为水泥的3％～5％。
参照标准JC/T 727-2005对实施例3中掺有废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂的水泥净浆进行标准稠度和凝结时间的测定，测试结果如表3所示。
由表3可知，在废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂的掺量为3.0～5.0％时，随着掺量的增加，水泥标准稠度用水量逐渐降低，初凝和终凝时间也逐渐降低；当掺量为4％时，水泥标准稠度用水量为26.4％，比空白样的27.5％减少了1.1％；初凝和终凝时间分别为108min、173min，比空白样的135min、224min分别提前了27、51min，说明C-S-H晶种具有一定的促凝作用。
表3
Figure BDA0003779278970000071
需要说明的是，本发明的废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂在用于提高水泥基材料早期强度时，若水泥基材料中用于胶结骨料的材料不仅仅为水泥，其还加入有改善水泥基材料性能的粉煤灰、矿粉等矿物掺合料，此时，将水泥与粉煤灰、矿粉等掺合料统称为胶凝材料，而由废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂的用量(质量)即为胶凝材料的用量(质量)的3.0～5.0％，即外掺本发明废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂3.0～5.0％。
参照标准GB8076-2008对掺有实施例1～实施例6的废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂的水泥基材料(水泥砂浆)进行力学性能的测试，其中，水泥基材料的水胶比为0.4，测试结果如表4所示。
由表4可知，掺入本发明的废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂，可使普通硅酸盐水泥砂浆的1d抗压强度增长率达到210-300％，说明本发明提供的废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂具有很明显的早强效果，可以缩短养护时间；且28d抗压强度保留率达到理想值，说明废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂对水泥砂浆的后期强度无不利影响，后期强度仍能实现一定的增长。
表4
Figure BDA0003779278970000081
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (5)

1.一种废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂，其特征在于，按重量份计，由以下组分经过湿磨工艺湿磨得到：废玻璃粉：5-7份，电石渣粉：7.5-10.5份，助磨剂：0.5-1份，分散剂：0.5-0.6份，稳定剂：0.001-0.002份，去离子水：80-90份；
所述玻璃粉的200目过筛率≥90%，Na2O含量为15-30%，SiO2含量为70-85%；
所述助磨剂为硅酸钠与六偏磷酸钠的混合物，且所述硅酸钠与所述六偏磷酸钠的质量比为1∶1；
所述分散剂为聚羧酸减水剂、聚丙烯酰胺、萘磺酸盐中的一种或多种；
所述稳定剂为魔芋胶、温轮胶的一种或两种。
2.根据权利要求1所述的废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂，其特征在于，所述废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂的粒径范围为200～400nm。
3.制备权利要求1至2任一项所述的废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将所述废玻璃粉、所述电石渣粉、所述助磨剂、所述分散剂、所述去离子水与一定质量的研磨体加入到研磨容器，并将其密封固定于球磨机上；
2）设置以600-800 rpm的转速开启球磨机，并控制研磨机内温度始终为20℃-50℃；
3）研磨180-240 min后关闭球磨机，待球磨机内温度降至室温后，取出研磨容器，过滤得到混合浆料；
4）向所述混合浆料中加入所述稳定剂，搅拌均匀，得到废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂。
4.根据权利要求3所述的废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂的制备方法，其特征在于，步骤1）中所述研磨体的质量为所述废玻璃粉和所述电石渣粉质量之和的3-5倍，且所述研磨体的级配为2.4 mm∶1.8mm∶1.0 mm∶0.6 mm=1∶1∶1∶2。
5.权利要求1所述的废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂在水泥基材料中的应用，其特征在于，所述废玻璃-电石渣基C-S-H凝胶纳米晶核早强剂的掺量为所述水泥基材料中胶凝材料质量的3.0-5.0%。
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