CN115321858A - 胶凝材料及其制备方法和组合物的用途 - Google Patents

胶凝材料及其制备方法和组合物的用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种胶凝材料及其制备方法和组合物的用途。该胶凝材料由包括65～85重量份复合粉料、10～20重量份碱激发剂、0.5～2.5重量份糖蜜和0.5～2.5重量份四硼酸钠的原料混合得到；其中，所述复合粉料选自煤矸石、粉煤灰、赤泥、矿粉、硅灰、钢渣中的至少两种。该胶凝材料的具有较高的抗压强度、抗折强度。

Description

胶凝材料及其制备方法和组合物的用途
技术领域
本发明涉及一种胶凝材料及其制备方法和组合物的用途。
背景技术
碱激发胶凝材料是在碱性条件下由硅铝酸盐形成的新型无机聚合物材料，具有早强快硬、性质稳定、耐酸碱腐蚀、耐高温等优点。与传统的硅酸盐水泥相比，碱激发胶凝材料具有相似的胶凝性能，但在强度、耐久性等方面更优秀，生产过程绿色无污染，使用寿命长，且原材料多为工业固废，具有广阔的应用前景。碱激发胶凝材料的聚合反应速度非常快，硅铝酸盐单体极易形成三维网络状胶凝结构，因此，碱激发胶凝材料硬化快，早期强度高。但硬化速度过快限制了碱激发胶凝材料在工业上的应用，为了实现碱激发胶凝材料的实际应用和推广，需要延长碱激发胶凝材料的凝结时间。碱激发胶凝材料与硅酸盐水泥组成完全不同，其水化过程、凝结机理亦与硅酸盐水泥不同。因此，常用的硅酸盐水泥缓凝剂对碱激发胶凝材料的缓凝作用甚微甚至没有作用。
CN1669972A公开了一种快硬硫铝酸盐水泥复合缓凝剂。该复合缓凝剂由粉煤灰、糖蜜、硼酸组成。该复合缓凝剂适用于硫铝酸盐水凝。
CN103011662A公开了一种碱激发高性能减水剂，其中包括复合缓凝剂，复合缓凝剂由葡萄糖钠、蔗糖、柠檬酸钠中的一种或多种组分与六偏磷酸钠、硼砂、三聚磷酸钠、焦磷酸钠中的一种或多种复合而成，其中至少包含葡萄糖酸钠以及六偏磷酸钠、硼砂、三聚磷酸钠、焦磷酸钠中的一种组分。该减水剂与混凝土材料混合后其终凝时间较长，且终凝时间和初凝时间之间的差值较大。
CN105859229A公开了一种砂浆，由钢渣粉、矿粉、钢渣砂、激发剂、减水剂、分散剂、缓凝剂、消泡剂和水组成。缓凝剂为硼酸、磷酸二氢钾或葡萄糖中的一种或几种。该砂浆的凝结时间较长。
CN11205060B公开了一种注浆材料，包括粉煤灰、高炉矿渣微粉、惰性钢渣微粉、碱激发剂、细砂、减水剂、缓凝剂和水。缓凝剂为葡萄糖酸钠。该注浆材料的终凝时间较长，且终凝时间和初凝时间之间的差值较大。
发明内容
有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种胶凝材料，该胶凝材料的具有较高的抗压强度、抗折强度。进一步地，该胶凝材料初凝时间较长，且终凝时间和初凝时间之间的差值较小。
一方面，本发明提供了一种胶凝材料，由包括65～85重量份复合粉料、10～20重量份碱激发剂、0.5～2.5重量份糖蜜和0.5～2.5重量份四硼酸钠的原料混合得到；
其中，所述复合粉料选自煤矸石、粉煤灰、赤泥、矿粉、硅灰、钢渣中的至少两种。
根据本发明的胶凝材料，优选地，所述混合粉料包括5～25重量份煤矸石、15～25重量份粉煤灰、5～18重量份钢渣、5～18重量份赤泥、5～25重量份矿粉。
根据本发明的胶凝材料，优选地，所述混合粉料包括如下所示的组成之一：
(a)8～12重量份煤矸石、18～22重量份粉煤灰、11～15重量份钢渣、13～16重量份赤泥和18～22重量份矿粉；
(b)18～22重量份煤矸石、18～22重量份粉煤灰、8～12重量份钢渣、8～12重量份赤泥和8～12重量份矿粉。
根据本发明的胶凝材料，优选地，煤矸石来自采煤产业，为铝硅型煤矸石，铝硅比大于0.5；粉煤灰来自燃煤锅炉，为一级粉煤灰；赤泥来自氧化铝厂，为烧结法赤泥；矿粉来自炼铁高炉，为粒化高炉矿粉；钢渣来自炼钢厂，为一级钢渣粉。
根据本发明的胶凝材料，优选地，所述碱激发剂为硅酸钠。
根据本发明的胶凝材料，优选地，所述原料中还包括25～40重量份水。
根据本发明的胶凝材料，优选地，所述胶凝材料的初凝时间≥70min，终凝时间≤120min，且终凝时间与初凝时间的差值t≤35min；
其中，所述初凝时间和终凝时间采用《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行测定；
其中，所述终凝时间与初凝时间的差值t＝终凝时间-初凝时间。
根据本发明的胶凝材料，优选地，所述胶凝材料养护28天的抗折强度大于7MPa，所述胶凝材料养护28天的抗压强度大于50MPa。
另一方面，本发明提供了上述胶凝材料的制备方法，包括如下步骤：
将包括复合粉料、碱激发剂、糖蜜和四硼酸钠的原料搅拌均匀，得到胶凝材料。
再一方面，本发明提供了一种组合物在提高胶凝材料力学性能和初凝时间中的用途，所述组合物包括0.5～2.5重量份糖蜜和0.5～2.5重量份四硼酸钠，所述胶凝材料包括65～85重量份复合粉料和10～20重量份碱激发剂，所述复合粉料选自煤矸石、粉煤灰、赤泥、矿粉、硅灰、钢渣中的至少两种。
本发明将特定用量的糖蜜和四硼酸钠加入到包括复合粉料的碱激发胶凝材料中，能够有效地提高碱激发胶凝材料的抗折强度和抗压强度，能够有效地提高初凝时间且终凝时间和初凝时间之间的差值较小。根据本发明优选的技术方案，当复合粉料包括特定含量的煤矸石、粉煤灰、赤泥、矿粉、硅灰和钢渣时，胶凝材料具有更高的抗折强度和抗压强度，具有更长的初凝时间且终凝时间与初凝时间之间的差值更小。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
<胶凝材料>
本发明的胶凝材料由包括复合粉料、碱激发剂、糖蜜和四硼酸钠的原料混合得到。在某些实施方式中，原料中还包含水。根据本发明的一个实施方式，原料由复合粉料、碱激发剂、糖蜜、四硼酸钠和水组成。
复合粉料的用量为65～85重量份；优选为70～80重量份；更优选为75～78重量份。复合粉料选自煤矸石、粉煤灰、赤泥、矿粉、硅灰、钢渣中的至少两种。
在某些实施方式中，复合粉料中包含煤矸石、粉煤灰、赤泥、矿粉和钢渣。根据本发明的一个实施方式，复合粉料由煤矸石、粉煤灰、赤泥、矿粉和钢渣组成。
煤矸石的用量可以为5～25重量份。在某些实施方式中，煤矸石的用量为8～12重量份。在另一些实施方式中，煤矸石的用量为18～22重量份。煤矸石可以来自采煤产业。煤矸石优选为铝硅型煤矸石。优选地，煤矸石中的铝硅比大于0.5。
粉煤灰的用量可以为15～25重量份。优选地，粉煤灰的用量为18～22重量份。粉煤灰可以来自燃煤锅炉。优选地，粉煤灰为一级粉煤灰。
钢渣的用量可以为5～18重量份。在某些实施方式中，钢渣的用量为11～15重量份。在另一些实施方式中，钢渣的用量为8～12重量份。钢渣可以来自炼钢厂。优选地，钢渣为一级钢渣。
赤泥的用量可以为5～18重量份。在某些实施方式中，赤泥的用量为13～16重量份赤泥。在另一些实施方式中，赤泥的用量为8～12重量份。赤泥可以来自氧化铝厂；优选地，赤泥为烧结法赤泥。
矿粉的用量可以为5～25重量份。在某些实施方式中，矿粉的用量为18～22重量份。在另一些实施方式中，矿粉的用量为8～12重量。矿粉可以来自炼铁高炉。优选地，矿粉为粒化高炉矿渣。优选地，矿粉为S95级矿粉。
复合粉料采用上述原料和配比能够提高胶凝材料的抗折强度和抗压强度，提高胶凝材料的初凝时间且终凝时间和初凝时间之间的差值较小。
碱激发剂的用量为10～20重量份；优选为11～15重量份；更优选为12～14重量份。碱激发剂可以为硅酸钠。这样的碱激发剂与糖蜜和四硼酸钠配合能够更好地提高胶凝材料的抗折强度和抗压强度，且能延长胶凝材料的初凝时间，缩短终凝时间和初凝时间之间的差值。
糖蜜的用量可以为0.5～2.5重量份；优选为1～2重量份；更优选为1.3～1.7重量份。
四硼酸钠的用量可以为0.5～2.5重量份；优选为1～2重量份；更优选为1.3～1.7重量份。
将上述用量的糖蜜和四硼酸钠联合使用能够有效地提高胶凝材料的抗折强度和抗压强度，且能延长胶凝材料的初凝时间，缩短终凝时间和初凝时间之间的差值。
胶凝材料中水的含量可以为10～50重量份；优选为20～40重量份；更优选为25～33重量份。
胶凝材料的初凝时间≥70min；优选地，初凝时间≥75min；更优选地，初凝时间≥85min。胶凝材料的终凝时间≤120min；优选地，终凝时间≤110min；更优选地，终凝时间为100～110min。终凝时间与初凝时间的差值t≤35min；优选地，t≤30min；更优选地，t≤25min。t＝终凝时间-初凝时间。胶凝材料的凝结时间采用《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行测定。
胶凝材料养护28天的抗折强度大于等于7MPa；优选地，大于等于9MPa。在某些实施方式中，胶凝材料养护28天的抗折强度为9.5～10MPa。胶凝材料养护28天的抗压强度大于等于50MPa；优选地，大于等于75MPa。在某些实施方式中，胶凝材料养护28天的抗压强度为77～80MPa。
<胶凝材料的制备方法>
本发明的胶凝材料的制备方法包括如下步骤：将包括复合粉料、碱激发剂、糖蜜和四硼酸钠的原料搅拌均匀，得到胶凝材料。搅拌可以在水泥搅拌机中进行。在某些实施方式中，形成胶凝材料原料中还可以包括水。根据本发明的一个实施方式，形成胶凝材料的原料由复合粉料、碱激发剂、糖蜜、四硼酸钠和水组成。原料的组成及用量、所形成的胶凝材料的含水量如前文所述，在此不再赘述。
优选地，包括如下步骤：将形成复合粉料的原料混合均匀，得到复合粉料。混合可以在卧式螺带混合机中进行。
碱激发剂可以以溶液的形式使用。碱激发剂溶液的用量以其所含碱激发剂的重量计算。优选地，碱激发剂为陈化后的碱激发剂溶液。碱激发剂溶液中，碱激发剂与水的质量比为(50～80):100；优选为(60～70):100。具体地，将碱激发剂与水混合，得到碱激发剂溶液。将碱激发剂溶液陈化，得到陈化后的碱激发剂溶液。陈化温度可以为20～40℃；优选为25～35℃。陈化时间可以为1～5h；优选为2～4h。
<组合物的用途>
本发明发现将糖蜜和四硼酸钠联合使用能够提高胶凝材料的力学性能和初凝时间。因此，本发明提供了一种组合物在提高胶凝材料力学性能和初凝时间中的用途。
组合物包括糖蜜和四硼酸钠。在某些实施方式中，组合物由糖蜜和四硼酸钠组成。糖蜜的用量为0.5～2.5重量份；优选为1～2重量份；更优选为1.3～1.7重量份。四硼酸钠的用量为0.5～2.5重量份；优选为1～2重量份；更优选为1.3～1.7重量份。
胶凝材料包括复合粉料、碱激发剂。在某些实施方式中，胶凝材料还包括水。根据本发明的一个实施方式，胶凝材料由复合粉料、碱激发剂和水组成。
碱激发剂的用量为10～20重量份；优选为11～15重量份；更优选为12～14重量份。碱激发剂可以为硅酸钠。这样的碱激发剂与糖蜜和四硼酸钠配合能够更好地提高胶凝材料的抗折强度和抗压强度，且能延长胶凝材料的初凝时间，缩短终凝时间和初凝时间之间的差值。
复合粉料的用量为65～85重量份；优选为70～80重量份；更优选为75～78重量份。复合粉料选自煤矸石、粉煤灰、赤泥、矿粉、硅灰、钢渣中的至少两种。
在某些实施方式中，复合粉料中包含煤矸石、粉煤灰、赤泥、矿粉和钢渣。根据本发明的一个实施方式，复合粉料由煤矸石、粉煤灰、赤泥、矿粉和钢渣组成。
煤矸石的用量可以为5～25重量份。在某些实施方式中，煤矸石的用量为8～12重量份。在另一些实施方式中，煤矸石的用量为18～22重量份。煤矸石可以来自采煤产业。煤矸石优选为铝硅型煤矸石。优选地，煤矸石中的铝硅比大于0.5。
粉煤灰的用量可以为15～25重量份。优选地，粉煤灰的用量为18～22重量份。粉煤灰可以来自燃煤锅炉。优选地，粉煤灰为一级粉煤灰。
钢渣的用量可以为5～18重量份。在某些实施方式中，钢渣的用量为11～15重量份。在另一些实施方式中，钢渣的用量为8～12重量份。钢渣可以来自炼钢厂。优选地，钢渣为一级钢渣。
赤泥的用量可以为5～18重量份。在某些实施方式中，赤泥的用量为13～16重量份赤泥。在另一些实施方式中，赤泥的用量为8～12重量份。赤泥可以来自氧化铝厂；优选地，赤泥为烧结法赤泥。
矿粉的用量可以为5～25重量份。在某些实施方式中，矿粉的用量为18～22重量份。在另一些实施方式中，矿粉的用量为8～12重量。矿粉可以来自炼铁高炉。优选地，矿粉为粒化高炉矿渣。优选地，矿粉为S95级矿粉。
复合粉料采用上述原料和配比能够提高胶凝材料的抗折强度和抗压强度，提高胶凝材料的初凝时间且终凝时间和初凝时间之间的差值较小。
胶凝材料中水的含量可以为10～50重量份；优选为20～40重量份；更优选为25～33重量份。
下面介绍测试方法：
胶凝材料的力学性能：将胶凝材料在40mm×40mm×160mm的模具中浇注成型，按照GB175-2007《通用硅酸盐水泥标准》进行测试。
胶凝材料的初凝及终凝时间：将胶凝材料倒入圆模中，按照GB/T1346-2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》测定。
下面介绍原料：
煤矸石来自采煤产业，为铝硅型煤矸石，铝硅比大于0.5。
粉煤灰来自燃煤锅炉，为一级粉煤灰。
赤泥来自氧化铝厂，为烧结法赤泥。
矿粉来自炼铁高炉，为粒化高炉矿粉，为S95级矿粉。
钢渣来自炼钢厂，为一级钢渣粉。
聚羧酸减水剂为聚醚型聚羧酸减水剂。
萘系减水剂的主要成分为β-萘磺酸盐甲醛缩合物。
实施例1和比较例1～2
将10重量份煤矸石、20重量份粉煤灰、13重量份钢渣、14重量份赤泥和20重量份矿粉在卧式螺带混合机中混合均匀，得到复合粉料。
将硅酸钠粉末溶解于水中，配制成碱激发剂溶液。碱激发剂溶液中硅酸钠与水的质量比为66:100。将碱激发剂溶液在25℃下陈化3小时，得到陈化后的碱激发剂溶液。
将复合粉料、20重量份陈化后的碱激发剂溶液、外加剂(若有)和水在水泥搅拌机中搅拌，得到胶凝材料。
外加剂的化学成分及用量、水的用量具体如表1所示。所得胶凝材料的力学性能和凝结时间如表1所示。
表1
Figure BDA0003797468110000101
实施例2和比较例3～5
将20重量份煤矸石、20重量份粉煤灰、10重量份钢渣、10重量份赤泥和10重量份矿粉在卧式螺带混合机中混合均匀，得到复合粉料。
将硅酸钠粉末溶解于水中，配制成碱激发剂溶液。碱激发剂溶液中硅酸钠与水的质量比为66:100。将碱激发剂溶液在25℃下陈化3小时，得到陈化后的碱激发剂溶液。
将复合粉料、25重量份陈化后的碱激发剂溶液、外加剂(若有)和水在水泥搅拌机中搅拌，得到胶凝材料。
外加剂的化学成分及用量、水的用量具体如表2所示。所得胶凝材料的力学性能和凝结时间如表2所示。
表2
Figure BDA0003797468110000111
将实施例1和比较例1-2、实施例2和比较例3-5相比可知，糖蜜和四硼酸钠组成的减水剂能够有效地提高包括煤矸石、粉煤灰、钢渣、赤泥、矿粉形成的碱激发材料的抗压和抗折强度，能够有效地提高碱激发材料的初凝时间，且具有较短的终凝时间。将实施例1和实施例2相比可知，煤矸石、粉煤灰、钢渣、赤泥、矿粉用量对胶凝材料的抗压和抗折强度以及凝结时间具有一定的影响，实施例1的胶凝材料具有更高的抗压和抗折强度以及更长的初凝时间，且终凝时间与初凝时间的差值更短。
本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。

Claims (10)

1.一种胶凝材料，其特征在于，所述胶凝材料由包括65～85重量份复合粉料、10～20重量份碱激发剂、0.5～2.5重量份糖蜜和0.5～2.5重量份四硼酸钠的原料混合得到；
其中，所述复合粉料选自煤矸石、粉煤灰、赤泥、矿粉、硅灰、钢渣中的至少两种。
2.根据权利要求1所述胶凝材料，其特征在于，所述混合粉料包括5～25重量份煤矸石、15～25重量份粉煤灰、5～18重量份钢渣、5～18重量份赤泥、5～25重量份矿粉。
3.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，所述混合粉料包括如下所示的组成之一：
(a)8～12重量份煤矸石、18～22重量份粉煤灰、11～15重量份钢渣、13～16重量份赤泥和18～22重量份矿粉；
(b)18～22重量份煤矸石、18～22重量份粉煤灰、8～12重量份钢渣、8～12重量份赤泥和8～12重量份矿粉。
4.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，煤矸石来自采煤产业，为铝硅型煤矸石，铝硅比大于0.5；粉煤灰来自燃煤锅炉，为一级粉煤灰；赤泥来自氧化铝厂，为烧结法赤泥；矿粉来自炼铁高炉，为粒化高炉矿粉；钢渣来自炼钢厂，为一级钢渣粉。
5.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，所述碱激发剂为硅酸钠。
6.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，所述原料中还包括25～40重量份水。
7.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，所述胶凝材料的初凝时间≥70min，终凝时间≤120min，且终凝时间与初凝时间的差值t≤35min；
其中，所述初凝时间和终凝时间采用《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行测定；
其中，所述终凝时间与初凝时间的差值t＝终凝时间-初凝时间。
8.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，所述胶凝材料养护28天的抗折强度大于7MPa，所述胶凝材料养护28天的抗压强度大于50MPa。
9.根据权利要求1～8任一项所述胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将包括复合粉料、碱激发剂、糖蜜和四硼酸钠的原料搅拌均匀，得到胶凝材料。
10.一种组合物在提高胶凝材料力学性能和初凝时间中的用途，其特征在于，所述组合物包括0.5～2.5重量份糖蜜和0.5～2.5重量份四硼酸钠，所述胶凝材料包括65～85重量份复合粉料和10～20重量份碱激发剂，所述复合粉料选自煤矸石、粉煤灰、赤泥、矿粉、硅灰、钢渣中的至少两种。
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