CN115432950A - 一种地聚物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种地聚物及其制备方法，以重量百分比计，其各组分含量为：粉细砂0～41.4％，煤矸石6.1～39.4％，高炉矿渣2.0～12.8％，聚丙烯酰胺基内养护剂2～4％，碱性激发剂46～55％，其中碱性激发剂碱当量7～13％；碱性激发剂模数0.8～1.5；液固比0.35～0.5。通过搅拌混合而成。本发明提高了固体废弃物利用率，同时提高了早期抗压强度。

Description

一种地聚物及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，具体是指地聚物及制备方法。

背景技术

由于目前社会对混凝土的需求量很大，而传统的混凝土制备过程中带来的高碳排放、高能耗、高污染等问题日益凸显。在我国提倡的可持续发展的背景下，减少生产过程中碳排放，降低生产过程中的能耗已是建筑材料技术领域的当务之急。同时，混凝土耐高温能力差、耐久性不足、早期抗压强度低、养护龄期长等问题已被人们重视。寻求性能良好的替代材料已成为研究者最重视的问题之一。

地聚物最早是由法国科学家Davidovits在二十世纪七十年代末研发，是一种在碱性条件下由硅铝酸盐形成的凝胶材料，具有早期抗压强度高、耐腐蚀、耐高温、低污染、反应放热低等良好性能。所以地聚物具有作为建筑材料的巨大潜能。

近些年，地聚物的研究越来越多，一般通过碱性激发剂和砖土、矿渣等配制而成，比如中国专利申请CN111253094A公开的一种地质聚合物凝胶材料。

虽然众多的地聚物研究成果中，应用了多种废渣，但是针对煤矸石这种废料好像还没看到过相关研究报告。

煤矸石是煤炭开采过程中和洗煤过程中排放的固体废料，已成为我国产量最大的固体废物之一，其储存量达到45亿吨。大量煤矸石堆积，占用大片土地。其堆放也会产生大量的管理费用。同时，煤矸石中的硫化物流出会污染农田、大气和水体。

为了废物利用，本发明针对利用煤矸石制备地聚物进行了研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种用制备地聚物及制备方法，以固体废弃物煤矸石和高炉矿渣与粉细砂复合形成三元地聚物，使其早期抗压强度达到20MPa以上，可作为C20混凝土的替代材料。同时，用聚丙烯酰胺作为内养护剂，改善了地聚物早期表面易产生裂纹问题。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案一种地聚物，以重量百分比计，其各组分含量为：

粉细砂0～41.4％

煤矸石6.1～39.4％

高炉矿渣2.0～12.8％

聚丙烯酰胺基内养护剂2～4％

碱性激发剂46～55％，其中碱性激发剂碱当量7～13％；碱性激发剂模数0.8～1.5；液固比0.35～0.5。

优选地，所述粉细砂粒径大于0.075mm的颗粒含量大于50％。

优选地，固体废弃物粉末粒径为5～20mm，且煤矸石和高炉矿渣中，二氧化硅和三氧化二铝重量百分比50％以上。

优选地，所述碱性激发剂为氢氧化钠和硅酸钠的混合溶液；硅酸钠溶液初始模数为2.3，波美度50°。

优选地，所述聚丙烯酰胺基内养护剂为聚丙烯酰胺(阴离子)，分子量1400。

优选地，煤矸石与高炉矿渣质量比3:1。

本发明还提供了地聚物的制备方法，步骤包括：

1)在搅拌状态下，依次倒入上述煤矸石、高炉矿渣、粉细砂，低速干拌1min。

2)向固体混合物中加入碱激活剂和聚丙烯酰胺内养护剂，低速搅拌2min；再高速搅拌3min。

本发明的有益效果：

1)用大量固体废弃物制作地聚物来代替混凝土更加绿色节能。

2)聚丙烯酰胺基内养护剂的掺入在前期起到了抑制地聚物裂纹产生的作用，延缓了地聚物水化反应，缓解了地聚物的干燥收缩。

3)通过增加粉细砂，其早期抗压强度可达20MPa以上，同时比混凝土更耐高温，耐腐蚀，具有更强的经济性。

附图说明

图1是不同龄期时抗压强度均值随粉细砂掺量的变化曲线。

具体实施方式

针对上述技术方案，本发明的地聚物，以重量百分比计，其各组分含量为：

粉细砂0～41.4％

煤矸石6.1～39.4％

高炉矿渣2.0～12.8％

聚丙烯酰胺基内养护剂2～4％

碱性激发剂46～55％，其中碱性激发剂碱当量7～13％；碱性激发剂模数0.8～1.5；液固比0.35～0.5。

所述粉细砂粒径大于0.075mm的颗粒含量大于50％。煤矸石和高炉矿渣做为固体废弃物，其粉末粒径为5～20mm，且煤矸石和高炉矿渣中，二氧化硅和三氧化二铝重量百分比50％以上。碱性激发剂为氢氧化钠和硅酸钠的混合溶液，其中氢氧化钠为工业级，纯度99％以上。硅酸钠溶液初始模数为2.3，波美度50°。聚丙烯酰胺基内养护剂为聚丙烯酰胺(阴离子)，分子量1400，西亚试剂。

所述煤矸石和高炉矿渣的主要化学成分如表1所示：

表1煤矸石和高炉矿渣的主要化学成分(单位：％)

化学成分	SiO<sub>2</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	CaO	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	TiO<sub>2</sub>	K<sub>2</sub>O	MgO	SO<sub>3</sub>
									煤矸石	42.50	24.84	13.44	7.62	2.57	1.31	0.85	4.28
高炉矿渣	30.18	10.77	40.43	0.64	6.01	0.56	7.91	3.21

上述地聚物的制备方法，包括以下步骤：

1)配料，按照配比称取各物料；

2)先在搅拌机中倒入上述煤矸石、高炉矿渣、粉细砂，低速干拌1min；

3)然后向固体混合物中加入碱激活剂和内养护剂，低速搅拌2min；再高速搅拌3min；

4)搅拌完成后倒入40×40×160mm模具中；在振动台上振动3分钟，刮平表面，在其表面盖上保鲜膜，以免水分蒸发；

5)最后放入标准养护箱(温度(20±2)℃，湿度＞95％)养护24小时后脱模，再分别养护到相应龄期测试。

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1：

1)配料：以各组分重量百分比进行配料：煤矸石的重量百分比为38.8％，高炉矿渣的重量百分比为12.9％，煤矸石与高炉矿渣质量比3:1，聚丙烯酰胺基内养护剂的重量百分比为3％，碱性激发剂的重量百分比为45.3％，其中碱性激发剂的碱当量为10％，碱性激发剂模数为1.3，液固比为0.32。

2)在搅拌机中倒入上述煤矸石、高炉矿渣，低速干拌1min；

3)然后向固体混合物中加入碱激活剂和内养护剂，低速搅拌2min；再高速搅拌3min；

4)搅拌完成后倒入40×40×160mm模具中；在振动台上振动3分钟，刮平表面，在其表面盖上保鲜膜，以免水分蒸发；

5)最后放入标准养护箱，温度20±2℃，湿度＞95％，养护24小时后脱模，再分别养护到相应龄期测试。

本实例所得地聚物抗压强度如图1所示，记为A1,其3天抗压强度为33.23MPa，7天抗压强度为52.41MPa，28天抗压强度为56.11MPa。

实施例2：

1)配料：以各组分重量百分比进行配料：粉细砂的重量百分比为10.3％，煤矸石的重量百分比为31.1％，高炉矿渣的重量百分比为10.3％，煤矸石与高炉矿渣质量比3:1，聚丙烯酰胺基内养护剂的重量百分比为3％，碱性激发剂的重量百分比为45.3％，其中碱性激发剂的碱当量为10％，碱性激发剂模数为1.3，液固比为0.32。

2)在搅拌机中倒入上述煤矸石、高炉矿渣、粉细砂低速干拌1min；

3)然后向固体混合物中加入碱激活剂和内养护剂，低速搅拌2min；再高速搅拌3min；

4)搅拌完成后倒入40×40×160mm模具中；在振动台上振动3分钟，刮平表面，在其表面盖上保鲜膜，以免水分蒸发；

5)最后放入标准养护箱，温度20±2℃，湿度＞95％，养护24小时后脱模，再分别养护到相应龄期测试。

本实施例所得地聚物抗压强度如图1所示，记为A2,其3天抗压强度为25.28MPa，7天抗压强度为42.82MPa，28天抗压强度为47.12MPa。

实施例3：

1)配料：以各组分重量百分比进行配料：粉细砂的重量百分比20.6％，煤矸石的重量百分比为23.3％，高炉矿渣的重量百分比为7.8％，煤矸石与高炉矿渣质量比3:1，聚丙烯酰胺基内养护剂的重量百分比为3％，碱性激发剂的重量百分比为45.3％，其中碱性激发剂的碱当量为10％，碱性激发剂模数为1.3，液固比为0.32。

2)在搅拌机中倒入上述煤矸石、高炉矿渣、粉细砂低速干拌1min；

3)然后向固体混合物中加入碱激活剂和内养护剂，低速搅拌2min；再高速搅拌3min；

4)搅拌完成后倒入40×40×160mm模具中；在振动台上振动3分钟，刮平表面，在其表面盖上保鲜膜，以免水分蒸发；

5)最后放入标准养护箱，温度20±2℃，湿度＞95％，养护24小时后脱模，再分别养护到相应龄期测试。

本实施例所得地聚物抗压强度如图1所示，记为A3,其3天抗压强度为16.66MPa，7天抗压强度为31.71MPa，28天抗压强度为36.52MPa。

实施例4：

1)配料：以各组分重量百分比进行配料：粉细砂的重量百分比31.0％，煤矸石的重量百分比为15.5％，高炉矿渣的重量百分比为5.2％，煤矸石与高炉矿渣质量比3:1，聚丙烯酰胺基内养护剂的重量百分比为3％，碱性激发剂的重量百分比为45.3％，其中碱性激发剂的碱当量为10％，碱性激发剂模数为1.3，液固比为0.32。

2)在搅拌机中倒入上述煤矸石、高炉矿渣、粉细砂低速干拌1min；

3)然后向固体混合物中加入碱激活剂和内养护剂，低速搅拌2min；再高速搅拌3min；

4)搅拌完成后倒入40×40×160mm模具中；在振动台上振动3分钟，刮平表面，在其表面盖上保鲜膜，以免水分蒸发；

5)最后放入标准养护箱，温度20±2℃，湿度＞95％，养护24小时后脱模，再分别养护到相应龄期测试。

本实施例所得地聚物抗压强度如图1所示，记为A4，其3天抗压强度为8.54MPa，7天抗压强度为15.73MPa，28天抗压强度为21.27MPa。

实施例5：

1)配料：以各组分重量百分比进行配料：粉细砂的重量百分比41.4％，煤矸石的重量百分比为7.7％，高炉矿渣的重量百分比为2.6％，煤矸石与高炉矿渣质量比3:1，聚丙烯酰胺基内养护剂的重量百分比为3％，碱性激发剂的重量百分比为45.3％，其中碱性激发剂的碱当量为10％，碱性激发剂模数为1.3，液固比为0.32。

2)在搅拌机中倒入上述煤矸石、高炉矿渣、粉细砂低速干拌1min；

3)然后向固体混合物中加入碱激活剂和内养护剂，低速搅拌2min；再高速搅拌3min；

4)搅拌完成后倒入40×40×160mm模具中；在振动台上振动3分钟，刮平表面，在其表面盖上保鲜膜，以免水分蒸发；

5)最后放入标准养护箱，温度20±2℃，湿度＞95％，养护24小时后脱模，再分别养护到相应龄期测试。

本实施例所得地聚物抗压强度如图1所示，记为A5，其3天抗压强度为2.48MPa，7天抗压强度为5.02MPa，28天抗压强度为7.97MPa。

从图1可以看出随着粉细砂掺量的增加，地聚物的抗压强度逐渐减小。当粉细砂掺量为41.4％时，地聚物的抗压强度最小，其28天抗压强度只有7.97MPa。当粉细砂掺量为31.0％时，28天抗压强度可达到21.27MPa，满足C20混凝土强度要求。同时，从图1可以发现，地聚物早期抗压强度高，3天抗压强度值已能达到28天抗压强度的50％左右。

以上结合附图对本发明进行详细说明，但对于本技术领域普通技术人员来说，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下进行改变。

Claims (7)

1.一种地聚物，以重量百分比计，其各组分含量为：

粉细砂0～41.4％

煤矸石6.1～39.4％

高炉矿渣2.0～12.8％

聚丙烯酰胺基内养护剂2～4％

碱性激发剂46～55％，其中碱性激发剂碱当量7～13％；碱性激发剂模数0.8～1.5；液固比0.35～0.5。

2.根据权利要求1所述的地聚物，其特征在于，所述粉细砂粒径大于0.075mm的颗粒含量大于50％。

3.根据权利要求1所述的地聚物，其特征在于，固体废弃物粉末粒径为5～20mm，且煤矸石和高炉矿渣中，二氧化硅和三氧化二铝重量百分比50％以上。

4.根据权利要求1所述的地聚物，其特征在于，所述碱性激发剂为氢氧化钠和硅酸钠的混合溶液；硅酸钠溶液初始模数为2.3，波美度50°。

5.根据权利要求1所述的地聚物，其特征在于，所述聚丙烯酰胺基内养护剂为聚丙烯酰胺(阴离子)，分子量1400。

6.根据权利要求1所述的地聚物，其特征在于，煤矸石与高炉矿渣质量比3:1。

7.权利要求1至6任一所述的地聚物的制备方法，步骤包括：

1)在搅拌状态下，依次倒入上述煤矸石、高炉矿渣、粉细砂，低速干拌1min；

2)向固体混合物中加入碱激活剂和聚丙烯酰胺内养护剂，低速搅拌2min；再高速搅拌3min。

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