CN115368067A - 一种地聚物基防裂型砂浆及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无机砂浆材料技术领域，具体涉及一种地聚物基防裂型砂浆的制备方法。该地聚物基防裂型砂浆由固体原料和液体原料组成，固体原料包括特定配比的固废粉体原料、细骨料和增稠剂，液体原料包括特定用量的激发剂、减水剂和有机改性剂。该地聚物基防裂型砂浆不开裂、强度高，后期强度发展平稳，且不泛碱，解决了现有地聚物砂浆材料抑制开裂效果不理想或影响强度性能的问题，可广泛地用作无机材料的面层材料或者涂层材料，可广泛用于建筑、桥梁、道路等领域。并且其制备方法操作简单，易于大规模生产。

Description

一种地聚物基防裂型砂浆及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于无机砂浆材料技术领域，具体涉及一种地聚物基防裂型砂浆的制备方法。
背景技术
地质聚合物(简称地聚物)是一种广泛以硅铝质固体废弃物(如粉煤灰、矿渣、尾矿等)为原料，通过化学激发制备出的低碳胶凝材料。该材料由于具有高强度、耐腐蚀、耐高温和低碳环保的优势，现已被广泛地认为是传统硅酸盐水泥的最佳替代者之一。随着国家“双碳”发展战略的提出，地聚物基胶凝材料体系正被越来越多的人关注，其大规模应用也在逐渐得到开展。
与传统硅酸盐水泥基材料相似，地聚物材料在规模化应用时也容易出现开裂现象，其开裂由材料表层向内部发展(主要原因是失水导致的开裂)，不仅影响材料的美观程度，更对材料的性能和耐久性产生重要的危害。
现有技术报道的抑制地聚物材料开裂所采取的方式主要为细化原料细度、掺杂纤维、掺入有机乳液等。细化原料细度和掺杂纤维对于抑制地聚物开裂的效果并不理想，而掺入有机乳液的方式由于其掺量较大，会影响地聚物材料的强度性能。因此，现有抑制地聚物开裂的方法并没有得到广泛认可。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提供一种低掺量有机改性剂掺杂的地聚物基防裂型砂浆及其制备方法和应用。本发明提供的砂浆不易失水，防裂性好，且强度性能良好，可广泛地用作无机材料的面层材料或者涂层材料。
为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下技术方案：
本发明第一方面提供了一种地聚物基防裂型砂浆，原料包括30wt.％～40wt.％固废粉体原料、40wt.％～50wt.％细骨料和20wt.％～25wt.％激发剂，以及相当于所述固废粉体原料0.5wt.％-2.0wt.％的增稠剂、相当于所述固废粉体原料0.5wt.％～1.0wt.％的减水剂和相当于所述固废粉体原料0.5wt.％～1.5wt.％的有机改性剂；所述固体废弃物粉体原料中氧化铝的质量百分含量≥10％，二氧化硅的质量百分含量≥30％。
本发明提供的上述地聚物基防裂型砂浆无需纤维掺杂即可达到的效果，并且由于不掺有机聚合乳液，有机添加剂(增稠剂和改性剂)的总掺量非常低，不超过固废粉体原料的3.5wt.％，故不会影响固化后的性能。上述固体原料和液体原料在以上配比下使得该地聚物基防裂型砂浆不开裂、强度高，后期强度发展平稳，且不泛碱，能够满足该砂浆在建筑、桥梁、道路等领域中的应用。
结合第一方面，所述固废粉体原料包括30wt.％～50wt.％高炉矿渣和10wt.％～20wt.％偏高岭土，以及40wt.％～60wt.％的其他工业固废。
示例性的，所述其他工业固废为粉煤灰、建筑固废、尾矿粉、镍渣等一般工业固废中的至少一种。
优选地，所述高炉矿渣和其他工业固废的粒径小于45μm，所述偏高岭土的粒径小于5μm。
结合第一方面，所述细骨料的粒径为1-2mm。
示例性的，所述细骨料可选自石英砂、尾矿砂和建筑废弃物再生骨料等常见砂浆细骨料中的至少一种。
结合第一方面，所述增稠剂为羧甲基纤维素钠。相对于砂浆中常见的增稠剂，以羧甲基纤维素钠作为增稠剂能够确保该砂浆在涂覆固化后具有防裂效果。
结合第一方面，所述激发剂由水玻璃和氢氧化钠溶液混合而成，所述水玻璃的模数为3.4～3.6，其在所述激发剂中的质量百分比为42％～56％；所述氢氧化钠溶液的浓度为6～10mol/L。激发剂的成分组成以及质量配比有利于提高该砂浆在涂覆、固化后的防裂效果和强度性能。
结合第一方面，所述减水剂为萘系减水剂、木质素磺酸钠减水剂或聚羧酸减水剂。
结合第一方面，所述有机改性剂为三乙胺和聚丙烯酸钠水溶液混合而成的复合改性剂，其中所述三乙胺和所述聚丙烯酸钠水溶液的体积比例为0.5:1～1:1，所述聚丙烯酸钠水溶液的质量百分浓度为40％～60％。
本发明第二方面提供一种上述地聚物基防裂型砂浆的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、将所述固废粉体原料、增稠剂和细骨料混合均匀，得固体干料；
S2、将所述激发剂、减水剂和有机改性剂混合均匀，得液体原料；
S3、将所述液体原料加入到所述固体干料中，以300～400r/min的转速快速搅拌4～5min，即得所述地聚物基防裂型砂浆。
本发明的制备方法操作简单，能够用于砂浆的大规模生产。
将拌和好的砂浆涂覆在墙体、建筑预制件或者路面等的表面，刮至平整后覆膜养护24h后即可固化撕掉覆膜，48h后可接受阳光照射，此过程中均无需浇水养护。最终得到的砂浆材料表面基本无裂纹，同时材料的吸水率较低(<1％)，对内部材料具有很好的保护性。
本发明第三方面提供一种上述地聚物基防裂型砂浆作为抹面砂浆的应用。上述地聚物基防裂型砂浆具有不开裂、强度高的优势，可广泛地用作无机材料的面层材料或者涂层材料，即抹面砂浆，可有效保护其内部材料。
附图说明
图1为本发明检验例中对比例1(a)和实施例1(b)所得砂浆材料自然暴露60天后的外貌对比图；
图2为本发明检验例中对比例1(空白组)和实施例1(本发明)所得砂浆材料在不同龄期的抗压强度对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
地聚物因其高强度、耐腐蚀、耐高温和低碳环保的优势而逐渐被大规模应用，但地聚物材料会因失水而导致开裂，不仅影响其美观，还会对其性能和耐久性产生伤害。现有技术中对于抑制地聚物材料开裂所采用的方式主要为细化原料细度、掺杂纤维、掺入有机乳液等。细化原料细度和掺杂纤维对于抑制地聚物开裂的效果并不理想，而掺入有机乳液的方式由于其掺量较大，会影响地聚物材料的性能。
为了解决地聚物材料容易因失水而导致开裂的问题，本发明实施例对地聚物材料的原料组成、配比等进行了研究，提供了一种地聚物基防裂型砂浆，原料包括30wt.％～40wt.％固废粉体原料、40wt.％～50wt.％细骨料和20wt.％～25wt.％激发剂，以及相当于所述固废粉体原料0.5wt.％-2.0wt.％的增稠剂、相当于所述固废粉体原料0.5wt.％～1.0wt.％的减水剂和相当于所述固废粉体原料0.5wt.％～1.5wt.％的有机改性剂；所述固体废弃物粉体原料中氧化铝的质量百分含量≥10％，二氧化硅的质量百分含量≥30％。
本申请实施例中，固废粉体原料由30wt.％～50wt.％高炉矿渣和10wt.％～20wt.％偏高岭土，以及40wt.％～60wt.％的其他工业固废组成。
作为示例性说明，其他工业固废为粉煤灰、建筑固废、尾矿粉、镍渣等一般工业固废中的至少一种。
为了确保所得砂浆均匀性和固化后的性能，本申请实施例中，高炉矿渣和其他工业固废的粒径小于45μm，偏高岭土的粒径小于5μm。
本申请实施例中，细骨料的粒径为1-2mm。作为示例性说明，细骨料选自石英砂、尾矿砂和建筑废弃物再生骨料等常见砂浆细骨料中的至少一种。
本申请实施例中，增稠剂为羧甲基纤维素钠，以确保所得砂浆在固化后的防裂效果。
本申请实施例中，激发剂由模数为3.4～3.6的水玻璃和浓度为6～10mol/L的氢氧化钠溶液混合而成，水玻璃和氢氧化钠溶液的质量比为42～56:58～44。
本申请实施例中，有机改性剂为三乙胺和聚丙烯酸钠水溶液混合而成的复合改性剂，其中三乙胺和聚丙烯酸钠水溶液的体积比例为0.5:1～1:1，聚丙烯酸钠水溶液的质量百分浓度为40％～60％。该有机改性剂能够提高所得砂浆在固化后的防裂效果。
本发明实施例还提供了上述地聚物基防裂型砂浆的制备方法：
S1、将所述固废粉体原料、增稠剂和细骨料混合均匀，得固体干料；
S2、将所述激发剂、减水剂和有机改性剂混合均匀，得液体原料；
S3、将所述液体原料加入到所述固体干料中，以300～400r/min的转速搅拌4～5min，即得所述地聚物基防裂型砂浆。
下面分多个实施例对本发明实施例进行进一步的说明。
以下实施例中，高炉矿渣中氧化铝的质量百分含量为11.7％，二氧化硅的质量百分含量为33.6％，粒径小于45μm；偏高岭土中氧化铝的质量百分含量为38.8％，二氧化硅的质量百分含量为58.6％，粒径小于5μm；粉煤灰中氧化铝的质量百分含量为15.8％，二氧化硅的质量百分含量为39.2％，粒径小于45μm；尾矿粉中氧化铝的质量百分含量为13.2％，二氧化硅的质量百分含量为35.7％，粒径小于45μm；镍渣中氧化铝的质量百分含量为11.2％，二氧化硅的质量百分含量为32.3％，粒径小于45μm；
羧甲基纤维素钠购自上海麦克林生化科技有限公司，粉末状，黏度为3000-5000mpa·s；
萘系减水剂为万山集团所产的FDN-C萘系高效减水剂；木质素磺酸钠减水剂为上海麦克林生化科技有限公司所产，木质素含量45wt.％～50wt.％；聚羧酸减水剂为湖南中岩建材科技有限公司所产的OM909型号高减水型聚羧酸母液，固含量50％。
三乙胺购自上海麦克林生化科技有限公司，牌号：T818772，AR，纯度为99.0％；聚丙烯酸钠购自上海麦克林生化科技有限公司，牌号：S817808，聚丙烯酸钠水溶液的质量百分浓度为50％。
实施例1
本实施例提供了一种地聚物基防裂型砂浆，其原料组成为：
Figure BDA0003871440280000061
制备方法为：
1)将水玻璃和氢氧化钠溶液混合，冷却静置24h后备用；
2)按照配比将所有的固体原料：固废粉体原料、增稠剂和细骨料投入搅拌机中进行预搅拌，得到拌和均匀的固体干料；
3)称取激发剂，然后向激发剂中加入减水剂和有机改性剂后300r/min快速搅拌2min，得到均匀混合的液体原料；
4)将混合好的液体原料加入到固体干料中，300r/min快速搅拌5分钟，即可得到混合均匀的拌和料浆。
实施例2
本实施例提供了一种地聚物基防裂型砂浆，其原料组成为：
Figure BDA0003871440280000062
Figure BDA0003871440280000071
制备方法为：
1)将水玻璃和氢氧化钠溶液混合，冷却静置24h后备用；
2)按照配比将所有的固体原料：固废粉体原料、增稠剂和细骨料投入搅拌机中进行预搅拌，得到拌和均匀的固体干料；
3)称取激发剂，然后向激发剂中加入减水剂和有机改性剂后300r/min快速搅拌2min，得到均匀混合的液体原料；
4)将混合好的液体原料加入到固体干料中，300r/min快速搅拌5分钟，即可得到混合均匀的拌和料浆。
实施例3
本实施例提供了一种地聚物基防裂型砂浆，其原料组成为：
Figure BDA0003871440280000072
Figure BDA0003871440280000081
制备方法为：
1)将水玻璃和氢氧化钠溶液混合，冷却静置24h后备用；
2)按照配比将所有的固体原料：固废粉体原料、增稠剂和细骨料投入搅拌机中进行预搅拌，得到拌和均匀的固体干料；
3)称取激发剂，然后向激发剂中加入减水剂和有机改性剂后400r/min快速搅拌2min，得到均匀混合的液体原料；
4)将混合好的液体原料加入到固体干料中，400r/min快速搅拌4分钟，即可得到混合均匀的拌和料浆。
实施例4
本实施例提供了一种地聚物基防裂型砂浆，其原料组成为：
Figure BDA0003871440280000082
制备方法为：
1)将水玻璃和氢氧化钠溶液混合，冷却静置24h后备用；
2)按照配比将所有的固体原料：固废粉体原料、增稠剂和细骨料投入搅拌机中进行预搅拌，得到拌和均匀的固体干料；
3)称取激发剂，然后向激发剂中加入减水剂和有机改性剂后400r/min快速搅拌2min，得到均匀混合的液体原料；
4)将混合好的液体原料加入到固体干料中，400r/min快速搅拌4分钟，即可得到混合均匀的拌和料浆。
对比例1
本实施例提供了一种地聚物基砂浆，其原料组成为：
Figure BDA0003871440280000091
对比例2
本对比例提供了一种地聚物基砂浆，其原料组成为：
Figure BDA0003871440280000092
制备方法同实施例1。
对比例3
本对比例提供了一种地聚物基砂浆，其原料组成为：
Figure BDA0003871440280000101
制备方法同实施例1。
对比例4
本实施例提供了一种地聚物基砂浆，其原料组成为：
Figure BDA0003871440280000102
制备方法同实施例1。
对比例5
本实施例提供了一种地聚物基砂浆，其原料组成为：
Figure BDA0003871440280000103
Figure BDA0003871440280000111
制备方法同实施例1。
对比例6
本实施例提供了一种地聚物基砂浆，其原料组成为：
Figure BDA0003871440280000112
检验例
取相同重量的实施例1和对比例1所得的砂浆，分别涂覆于同一墙体，涂覆面积相同，刮至平整后覆膜养护24h，撕掉覆膜，48h后接受阳光照射。二者暴露在自然条件下60天后的外貌如图1所示(a为对比例1所得砂浆材料，b为实施例1所得砂浆材料)，可见，对比例1所得砂浆材料表面已出现明显裂纹，且表面出现了白色的“霜”(地聚物泛碱现象)，而实施例1所得砂浆材料表面无任何裂纹，且没有出现泛碱的现象。
二者在不同龄期的抗压强度对比图如图2所示(a为对比例1所得砂浆材料，b为实施例1所得砂浆材料)，可见，随着龄期的增长，对比例1所得砂浆材料抗压强度出现了明显的倒缩现象，90天后的抗压强度仅为11.5MPa，这主要是由于其开裂原因导致的。而实施例1所得砂浆材料不仅抗压强度高，而且随着龄期的增长，由于本发明中增稠剂和有机改性剂的作用，使得材料不会失水而开裂，材料体系内部持续发生聚合反应而生成凝胶产物，从而使抗压强度也在平稳增长。
用同样的方法考察对比例2～6的抗压强度，结果如表1所示：
Figure BDA0003871440280000121
以上所述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、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种地聚物基防裂型砂浆，其特征在于，原料包括30wt.％～40wt.％固废粉体原料、40wt.％～50wt.％细骨料和20wt.％～25wt.％激发剂，以及相当于所述固废粉体原料0.5wt.％-2.0wt.％的增稠剂、相当于所述固废粉体原料0.5wt.％～1.0wt.％的减水剂和相当于所述固废粉体原料0.5wt.％～1.5wt.％的有机改性剂；所述固体废弃物粉体原料中氧化铝的质量百分含量≥10％，二氧化硅的质量百分含量≥30％。
2.根据权利要求1所述地聚物基防裂型砂浆，其特征在于，所述固废粉体原料包括30wt.％～50wt.％高炉矿渣和10wt.％～20wt.％偏高岭土，以及40wt.％～60wt.％的其他工业固废。
3.根据权利要求2所述地聚物基防裂型砂浆，其特征在于，所述其他工业固废为粉煤灰、建筑固废、尾矿粉、镍渣等一般工业固废中的至少一种；和/或
所述高炉矿渣和其他工业固废的粒径小于45μm，所述偏高岭土的粒径小于5μm。
4.根据权利要求1所述地聚物基防裂型砂浆，其特征在于，所述细骨料的粒径为1-2mm。
5.根据权利要求4所述地聚物基防裂型砂浆，其特征在于，所述细骨料可选自石英砂、尾矿砂和建筑废弃物再生骨料等常见砂浆细骨料中的至少一种。
6.根据权利要求1所述地聚物基防裂型砂浆，其特征在于，所述增稠剂为羧甲基纤维素钠。
7.根据权利要求1所述地聚物基防裂型砂浆，其特征在于，所述激发剂由水玻璃和氢氧化钠溶液混合而成，所述水玻璃的模数为3.4～3.6，其在所述激发剂中的质量百分比为42％～56％；所述氢氧化钠溶液的浓度为6～10mol/L。
8.根据权利要求1～7任一项所述地聚物基防裂型砂浆，其特征在于，所述有机改性剂为三乙胺和聚丙烯酸钠水溶液混合而成的复合改性剂，其中所述三乙胺和所述聚丙烯酸钠水溶液的体积比例为0.5:1～1:1，所述聚丙烯酸钠水溶液的质量百分浓度为40％～60％。
9.一种权利要求1～8任一项所述地聚物基防裂型砂浆的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、将所述固废粉体原料、增稠剂和细骨料混合均匀，得固体干料；
S2、将所述激发剂、减水剂和有机改性剂混合均匀，得液体原料；
S3、将所述液体原料加入到所述固体干料中，以300～400r/min的转速搅拌4～5min，即得所述地聚物基防裂型砂浆。
10.权利要求1～8任一项所述地聚物基防裂型砂浆作为抹面砂浆的应用。
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