CN115504729A - 胶凝材料组合物、胶凝材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及建筑材料技术领域，公开了一种胶凝材料组合物，该组合物包括：第一粉煤灰、第二粉煤灰、水和硅酸盐水泥，其中，所述第一粉煤灰和所述第二粉煤灰中各自含有CaO，所述第一粉煤灰中CaO的含量小于所述第二粉煤灰中CaO的含量。本发明的胶凝材料组合物通过复配粉煤灰而制得的胶凝材料兼具良好的流动度和抗压强度，泌水率小，不会产生细颗粒随泌水流出而污染井下环境的现象；本发明的胶凝材料中粉煤灰用量大，可有效解降低材料成本，用于矿井回填材料中，还能够解决粉煤灰堆积问题，减少了粉煤灰堆存对大气、水、生态等环境的污染，同时降低了粉煤灰堆存的日常管理维护的费用；此外，本发明的胶凝材料的制备工艺简单，具有实用性和工业可行性。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及胶凝材料组合物、胶凝材料及其制备方法和应用。
背景技术
大中型燃煤发电厂是固体废物产生的大户，每年产生大量的粉煤灰，并且有逐年增加的趋势，这些固体废物若弃之不用，不但占用土地而且浪费资源，而且会对环境产生极大的污染，发展大中型燃煤发电厂粉煤灰综合利用工程十分必要。
近年来，粉煤灰应用于矿井回填技术在国内己经成熟并逐步推广使用。粉煤灰的填筑作用主要有粉煤灰综合回填，矿井回填，小坝和码头等的填筑等。粉煤灰是具有火山灰特性的微细颗粒状工业废渣，在一定条件下，粉煤灰可以生成水化硅酸钙、水化铝酸钙、钙矾石等胶凝物质和沸石类物质，从而产生强度。使用粉煤灰作为回填材料充填矿井采空区，可减少采煤引起的地表移动及变形，从而减轻对地面建筑的破坏程度。
CN107056099A公开了一种低强度胶凝材料的制备方法，该方法以除尘灰、粉煤灰、矿渣、钢渣、电石渣为主要原料，利用除尘灰对粉煤灰进行活化提高粉煤灰活性，制备出的胶凝材料，虽然可用于市政工程回填或矿山回填，但是该胶凝材料中由于未加入水泥，抗压强度较差，且该方法中粉煤灰需要粉磨、制备工艺复杂。
CN102617057A公开了一种低热复合胶凝材料，该材料由20-50份水泥、40-70份粉煤灰、5-25份偏高岭土、0-8份激发剂组成，虽然可作为建材使用，用于回填注浆、固化有毒废物等特殊方面的使用，但是该材料加入水泥组分较多，相应成本较高，净浆流动度较低，施工方法受限。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的浆体流动度差和抗压强度差的问题，提供了胶凝材料组合物、胶凝材料及其制备方法和应用。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种胶凝材料组合物，该组合物包括：第一粉煤灰、第二粉煤灰、水和硅酸盐水泥，其中，所述第一粉煤灰和所述第二粉煤灰中各自含有CaO，所述第一粉煤灰中CaO的含量小于所述第二粉煤灰中CaO的含量。
本发明第二方面提供一种制备胶凝材料的方法，该方法包括：
(1)将第一粉煤灰和第二粉煤灰混合，得到复配粉煤灰；
(2)将所述复配粉煤灰与硅酸盐水泥混合，然后加入水搅拌，得到所述胶凝材料；
其中，所述第一粉煤灰和所述第二粉煤灰中各自含有CaO，所述第一粉煤灰中CaO的含量小于所述第二粉煤灰中CaO的含量。
本发明第三方面提供一种如上所述的胶凝材料组合物或由如上所述的方法制备得到的胶凝材料在建筑材料领域中的应用。
通过上述技术方案，本发明的胶凝材料组合物通过复配粉煤灰而制得的胶凝材料兼具良好的流动度和抗压强度，泌水率小，不会产生细颗粒随泌水流出而污染井下环境的现象；本发明的胶凝材料中粉煤灰用量大，可有效解降低材料成本，用于矿井回填材料中，还能够解决粉煤灰堆积问题，减少了粉煤灰堆存对大气、水、生态等环境的污染，同时降低了粉煤灰堆存的日常管理维护的费用；此外，本发明的胶凝材料的制备工艺简单，具有实用性和工业可行性。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
在本发明中，在没有明确说明的情况下，“第一”和“第二”均不代表先后次序，也不对各个物料或者操作起到限定作用，仅是为了区分各个物料或者操作，例如，“第一粉煤灰”和“第二粉煤灰”中的“第一”和“第二”仅是为了区分以表示这不是同一粉煤灰。
本发明第一方面提供一种胶凝材料组合物，该组合物包括：第一粉煤灰、第二粉煤灰、水和硅酸盐水泥，其中，所述第一粉煤灰和所述第二粉煤灰中各自含有CaO，所述第一粉煤灰中CaO的含量小于所述第二粉煤灰中CaO的含量。
本发明一些实施方式中，优选地，以所述第一粉煤灰的总重量为基准，所述第一粉煤灰中CaO的含量为10-15重量％，优选为12-14重量％；以所述第二粉煤灰的总重量为基准，所述第二粉煤灰中CaO的含量为40-45重量％，优选为42-44重量％。本发明的胶凝材料组合物由于含有不同CaO含量的两种粉煤灰，其中，第一粉煤灰中CaO的含量小于所述第二粉煤灰中CaO的含量，两者之间协同作用，用大量的粉煤灰配以少量的硅酸盐水泥，制得的胶凝材料兼具良好的流动度和抗压强度。
本发明一些实施方式中，优选地，以所述第一粉煤灰的总重量为基准，所述第一粉煤灰还含有50-60重量％的SiO2，10-25重量％的Al2O3和3-7重量％的Fe2O3。
更优选地，以所述第一粉煤灰的总重量为基准，所述第一粉煤灰还含有54-56重量％的SiO2，18-20重量％的Al2O3和4.5-6重量％的Fe2O3。
本发明一些实施方式中，优选地，以所述第二粉煤灰的总重量为基准，所述第二粉煤灰还含有15-25重量％的SiO2，5-15重量％的Al2O3和3-15重量％的Fe2O3。
更优选地，以所述第二粉煤灰的总重量为基准，所述第二粉煤灰还含有19-22重量％的SiO2，9-11重量％的Al2O3和8-10重量％的Fe2O3。
本发明中，所述第一粉煤灰和第二粉煤灰中的CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3的含量各自通过X射线荧光光谱分析方法测得。
本发明中，所述第一粉煤灰和第二粉煤灰中除了如上所述的成分以外，还可以含有其它不可避免的杂质，例如，Na2O、MgO和TiO2等，此处将不不做赘述。
本发明一些实施方式中，优选地，所述第一粉煤灰的平均粒径为10-20微米，所述第二粉煤灰的平均粒径为15-25微米。
本发明一些实施方式中，优选地，所述第一粉煤灰中球形形貌颗粒的含量为90-95重量％，非球形形貌颗粒的含量为5-10重量％；
所述第二粉煤灰中球形形貌颗粒的含量为2-5重量％，非球形形貌颗粒的含量为95-98重量％。
本发明一些实施方式中，由于所述第一粉煤灰含有大量的球形形貌颗粒，可以提高浆体流动性，所述第二粉煤灰中的高含量CaO可以促进水化，提高浆体的抗压强度，两者之间协同作用，用大量的粉煤灰配以少量的硅酸盐水泥，制得的胶凝材料兼具良好的流动度和抗压强度。
本发明一些实施方式中，以所述组合物的总重量为基准，所述第一粉煤灰的含量为1-30wt％，所述第二粉煤灰的含量为35-65wt％，所述硅酸盐水泥的含量为2-5wt％，所述水的含量为25-42wt％；
优选地，以所述组合物的总重量为基准，所述第一粉煤灰的含量为3-24wt％，所述第二粉煤灰的含量为38-59wt％，所述硅酸盐水泥的含量为3-4wt％，所述水的含量为29-38wt％。
本发明一些实施方式中，优选地，所述第一粉煤灰和所述第二粉煤灰的重量比为1：2-19，更优选为1：2.5-9。
本发明一些实施方式中，优选地，所述第一粉煤灰、所述第二粉煤灰和所述硅酸盐水泥的总重量与水的重量比为1：0.45-0.55。
本发明第二方面提供一种制备胶凝材料的方法，该方法包括：
(1)将第一粉煤灰和第二粉煤灰混合，得到复配粉煤灰；
(2)将所述复配粉煤灰与硅酸盐水泥混合，然后加入水搅拌，得到所述胶凝材料；
其中，所述第一粉煤灰和所述第二粉煤灰中各自含有CaO，所述第一粉煤灰中CaO的含量小于所述第二粉煤灰中CaO的含量。
本发明一些实施方式中，优选地，以所述第一粉煤灰的总重量为基准，所述第一粉煤灰中CaO的含量为10-15重量％，优选为12-14重量％；以所述第二粉煤灰的总重量为基准，所述第二粉煤灰中CaO的含量为40-45重量％，优选为42-44重量％。
本发明制备胶凝材料的方法通过将具有不同CaO含量的两种粉煤灰原料进行复配，其中，第一粉煤灰中CaO的含量小于第二粉煤灰中CaO的含量，两者之间协同作用，使得在胶凝材料的制备过程中，粉体无需粉磨、粉煤灰用量大、硅酸盐水泥用量大大减少的同时，制得的胶凝材料兼具良好的流动度和抗压强度。
本发明一些实施方式中，优选地，以所述第一粉煤灰的总重量为基准，所述第一粉煤灰还含有50-60重量％的SiO2，10-25重量％的Al2O3和3-7重量％的Fe2O3；
更优选地，以所述第一粉煤灰的总重量为基准，所述第一粉煤灰还含有54-56重量％的SiO2，18-20重量％的Al2O3和4.5-6重量％的Fe2O3。
本发明一些实施方式中，优选地，以所述第二粉煤灰的总重量为基准，所述第二粉煤灰还含有15-25重量％的SiO2，5-15重量％的Al2O3和3-15重量％的Fe2O3；
更优选地，以所述第二粉煤灰的总重量为基准，所述第二粉煤灰还含有19-22重量％的SiO2，9-11重量％的Al2O3和8-10重量％的Fe2O3。
本发明一些实施方式中，优选地，所述第一粉煤灰的平均粒径为10-20微米，所述第二粉煤灰的平均粒径为15-25微米。
本发明一些实施方式中，优选地，所述第一粉煤灰中球形形貌颗粒的含量为90-95重量％，非球形形貌颗粒的含量为5-10重量％；
所述第二粉煤灰中球形形貌颗粒的含量为2-5重量％，非球形形貌颗粒的含量为95-98重量％。
本发明一些实施方式中，由于所述第一粉煤灰含有大量的球形形貌颗粒，可以有效提高浆体流动性，所述第二粉煤灰中的高含量CaO可以促进水化，提高浆体的抗压强度，两者之间协同作用，用大量的粉煤灰配以少量的硅酸盐水泥，制得的胶凝材料兼具良好的流动度和抗压强度。
本发明中，所述球形形貌颗粒是指球形度在0.7以上的固体颗粒。
本发明一些实施方式中，以所述胶凝材料的总重量为基准，所述第一粉煤灰、第二粉煤灰、硅酸盐水泥和水的用量使得到的所述胶凝材料中包含1-30wt％的第一粉煤灰、35-65wt％的第二粉煤灰、2-5wt％的硅酸盐水泥和25-42wt％的水；
优选地，以所述胶凝材料的总重量为基准，所述第一粉煤灰、第二粉煤灰、硅酸盐水泥和水的用量使得到的所述胶凝材料中包含3-24wt％的第一粉煤灰、38-59wt％的第二粉煤灰、3-4wt％的硅酸盐水泥和29-38wt％的水。
本发明中，胶凝材料中各组分含量限定在上述范围内既可以保证浆体的流动度又可以保证其28d抗压强度在4MPa以上，制得的胶凝材料兼具良好的流动度和抗压强度。
本发明一些实施方式中，优选地，所述第一粉煤灰和所述第二粉煤灰的重量比为1：2-19，更优选为1：2.5-9。
本发明中，粉煤灰复配比例限定在上述范围内既可以保证浆体的流动度又可以保证其28d抗压强度在4MPa以上，制得的胶凝材料兼具良好的流动度和抗压强度。
本发明一些实施方式中，优选地，所述复配粉煤灰和所述硅酸盐水泥的总重量与水的重量比为1：0.45-0.55。
本发明中，水灰比限定在上述范围内既可以保证浆体的流动度又可以保证其28d抗压强度在4MPa以上，制得的胶凝材料兼具良好的流动度和抗压强度。
本发明一些实施方式中，步骤(2)中，对所述搅拌的条件没有特别地限制，只要能够使得所述复配粉煤灰与硅酸盐水泥、水混合均匀即可，可以采用常规的方法进行所述搅拌。优选地，所述搅拌具体为先慢速搅拌，再快速搅拌；其中，所述慢速搅拌的条件包括：转速为135-145转/分钟，时间为10-20秒；所述快速搅拌的条件包括：转速为275-295转/分钟，时间为20-30秒。
本发明第三方面提供一种如上所述的胶凝材料组合物或由如上所述的方法制备得到的胶凝材料在建筑材料领域中的应用。本发明的胶凝材料组合物和胶凝材料可应用于建筑材料领域，制成填筑材料应用于矿井回填，不仅能够解决粉煤灰堆积问题，减少了粉煤灰堆存对大气、水、生态等环境的污染，还能降低粉煤灰堆存的日常管理维护的费用，实现了粉煤灰的资源化利用，具有良好的社会效益和经济效益。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例和对比例中：
1、抗压强度：按照GB/T 50448-2015的规定，将胶凝材料搅拌均匀后倒入磨具中，磨具尺寸为20mm×20mm×20mm，然后将磨具放置于养护箱中(温度为20±2℃，湿度为98±1％)分别养护1d和28d后，测试其抗压强度；
2、流动度：按照GB/T 2419-94《水泥胶砂流动度测定方法》的规定，采用跳桌法测试胶凝材料的流动度；
3、泌水率：按照DL/T 5150-2001《水工混凝土试验规程》的规定进行测试，要求泌水率不大于3％；
4、第一粉煤灰和第二粉煤灰中的球形形貌颗粒的含量参数通过马尔文激光粒度仪MS2000测定。
以下实施例和对比例中：
第一粉煤灰为锦界电厂提供的煤粉炉粉煤灰，其平均粒径为15.5微米，其组成为：55.3重量％的SiO2，18.8重量％的Al2O3，13.4重量％的CaO和5.2重量％的Fe2O3；
第二粉煤灰为上湾电厂提供的循环流化床粉煤灰，其平均粒径为18.9微米，其组成为：20.2重量％的SiO2，10.5重量％的Al2O3，43.3重量％的CaO和8.8重量％的Fe2O3；
硅酸盐水泥为购自山东鲁城水泥有限公司的42.5基准水泥。
实施例1
(1)将32重量份的煤粉炉粉煤灰和128重量份的循环流化床粉煤灰均匀混合，得到复配粉煤灰；
(2)将160重量份的复配粉煤灰与10重量份的硅酸盐水泥充分混合均匀，即可得到灰组份，再加入88重量份的水，经过搅拌机先在140转/分钟的转速下慢速搅拌10s，再在285转/分钟的转速下快速搅拌20s，得到胶凝材料。
实施例2
按照实施例1的方法制备胶凝材料，不同的是，复配粉煤灰中，煤粉炉粉煤灰为16重量份，循环流化床粉煤灰为144重量份。
实施例3
按照实施例1的方法制备胶凝材料，不同的是，复配粉煤灰中，煤粉炉粉煤灰为8重量份，循环流化床粉煤灰为152重量份。
实施例4
按照实施例1的方法制备胶凝材料，不同的是，复配粉煤灰中，煤粉炉粉煤灰为64重量份，循环流化床粉煤灰为96重量份。
实施例5
按照实施例1的方法制备胶凝材料，不同的是，步骤(2)中，加入68重量份的水。
实施例6
按照实施例1的方法制备胶凝材料，不同的是，步骤(2)中，加入102重量份的水。
对比例1
按照实施例1的方法制备胶凝材料，不同的是，复配粉煤灰为160重量份的煤粉炉粉煤灰。
对比例2
按照实施例1的方法制备胶凝材料，不同的是，复配粉煤灰为160重量份的循环流化床粉煤灰。
实施例1-6和对比例1-4中胶凝材料组合物中各组分的含量如表1所示。
表1
将实施例1-6和对比例1-4得到的胶凝材料进行抗压强度、泌水率以及流动度的测试，结果如表2所示。
表2
注：*泌水率：按照DL/T 5150-2001《水工混凝土试验规程》的规定，要求泌水率不得大于3％。
通过表2的结果可以看出，本发明的胶凝材料兼具良好的抗压强度和流动度，其抗压强度大于2.5MPa，优选大于4MPa，明显优于使用单一煤粉炉粉煤灰所制备的胶凝材料；此外，本发明的胶凝材料的泌水率和流动性明显优于使用单一循环流化床粉煤灰所制备的胶凝材料。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (16)
1.一种胶凝材料组合物，其特征在于，该组合物包括：第一粉煤灰、第二粉煤灰、水和硅酸盐水泥，其中，所述第一粉煤灰和所述第二粉煤灰中各自含有CaO，所述第一粉煤灰中CaO的含量小于所述第二粉煤灰中CaO的含量。
2.根据权利要求1所述的胶凝材料组合物，其中，以所述第一粉煤灰的总重量为基准，所述第一粉煤灰中CaO的含量为10-15重量％，优选为12-14重量％；
以所述第二粉煤灰的总重量为基准，所述第二粉煤灰中CaO的含量为40-45重量％，优选为42-44重量％。
3.根据权利要求1或2所述的胶凝材料组合物，其中，以所述第一粉煤灰的总重量为基准，所述第一粉煤灰还含有50-60重量％的SiO2，10-25重量％的Al2O3和3-7重量％的Fe2O3；
优选地，以所述第一粉煤灰的总重量为基准，所述第一粉煤灰还含有54-56重量％的SiO2，18-20重量％的Al2O3和4.5-6重量％的Fe2O3。
4.根据权利要求1或2所述的胶凝材料组合物，其中，以所述第二粉煤灰的总重量为基准，所述第二粉煤灰还含有15-25重量％的SiO2，5-15重量％的Al2O3和3-15重量％的Fe2O3；
优选地，以所述第二粉煤灰的总重量为基准，所述第二粉煤灰还含有19-22重量％的SiO2，9-11重量％的Al2O3和8-10重量％的Fe2O3。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的胶凝材料组合物，其中，所述第一粉煤灰的平均粒径为10-20微米，所述第二粉煤灰的平均粒径为15-25微米；
优选地，所述第一粉煤灰中球形形貌颗粒的含量为90-95重量％，非球形形貌颗粒的含量为5-10重量％；
所述第二粉煤灰中球形形貌颗粒的含量为2-5重量％，非球形形貌颗粒的含量为95-98重量％。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的胶凝材料组合物，其中，以所述组合物的总重量为基准，所述第一粉煤灰的含量为1-30wt％，所述第二粉煤灰的含量为35-65wt％，所述硅酸盐水泥的含量为2-5wt％，所述水的含量为25-42wt％；
优选地，以所述组合物的总重量为基准，所述第一粉煤灰的含量为3-24wt％，所述第二粉煤灰的含量为38-59wt％，所述硅酸盐水泥的含量为3-4wt％，所述水的含量为29-38wt％。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的胶凝材料组合物，其中，所述第一粉煤灰和所述第二粉煤灰的重量比为1：2-19，优选为1：2.5-9；
优选地，所述第一粉煤灰、所述第二粉煤灰和所述硅酸盐水泥的总重量与水的重量比为1：0.45-0.55。
8.一种制备胶凝材料的方法，其特征在于，该方法包括：
(1)将第一粉煤灰和第二粉煤灰混合，得到复配粉煤灰；
(2)将所述复配粉煤灰与硅酸盐水泥混合，然后加入水搅拌，得到所述胶凝材料；
其中，所述第一粉煤灰和所述第二粉煤灰中各自含有CaO，所述第一粉煤灰中CaO的含量小于所述第二粉煤灰中CaO的含量。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，以所述第一粉煤灰的总重量为基准，所述第一粉煤灰中CaO的含量为10-15重量％，优选为12-14重量％；
以所述第二粉煤灰的总重量为基准，所述第二粉煤灰中CaO的含量为40-45重量％，优选为42-44重量％。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，以所述第一粉煤灰的总重量为基准，所述第一粉煤灰还含有50-60重量％的SiO2，10-25重量％的Al2O3和3-7重量％的Fe2O3；
优选地，以所述第一粉煤灰的总重量为基准，所述第一粉煤灰还含有54-56重量％的SiO2，18-20重量％的Al2O3和4.5-6重量％的Fe2O3。
11.根据权利要求8或9所述的方法，其中，以所述第二粉煤灰的总重量为基准，所述第二粉煤灰还含有15-25重量％的SiO2，5-15重量％的Al2O3和3-15重量％的Fe2O3；
优选地，以所述第二粉煤灰的总重量为基准，所述第二粉煤灰还含有19-22重量％的SiO2，9-11重量％的Al2O3和8-10重量％的Fe2O3。
12.根据权利要求8-11中任意一项所述的方法，其中，所述第一粉煤灰的平均粒径为10-20微米，所述第二粉煤灰的平均粒径为15-25微米；
优选地，所述第一粉煤灰中球形形貌颗粒的含量为90-95重量％，非球形形貌颗粒的含量为5-10重量％；
所述第二粉煤灰中球形形貌颗粒的含量为2-5重量％，非球形形貌颗粒的含量为95-98重量％。
13.根据权利要求8-12中任意一项所述的方法，其中，以所述胶凝材料的总重量为基准，所述第一粉煤灰、第二粉煤灰、硅酸盐水泥和水的用量使得到的所述胶凝材料中包含1-30wt％的第一粉煤灰、35-65wt％的第二粉煤灰、2-5wt％的硅酸盐水泥和25-42wt％的水；
优选地，以所述胶凝材料的总重量为基准，所述第一粉煤灰、第二粉煤灰、硅酸盐水泥和水的用量使得到的所述胶凝材料中包含3-24wt％的第一粉煤灰、38-59wt％的第二粉煤灰、3-4wt％的硅酸盐水泥和29-38wt％的水。
14.根据权利要求8-13中任意一项所述的方法，其中，所述第一粉煤灰和所述第二粉煤灰的重量比为1：2-19，更优选为1：2.5-9；
优选地，所述复配粉煤灰和所述硅酸盐水泥的总重量与水的重量比为1：0.45-0.55。
15.根据权利要求8-14中任意一项所述的方法，其中，步骤(2)中，所述搅拌具体为：先慢速搅拌，再快速搅拌；
其中，所述慢速搅拌的条件包括：转速为135-145转/分钟，时间为10-20秒；所述快速搅拌的条件包括：转速为275-295转/分钟，时间为20-30秒。
16.一种如权利要求1-7中任意一项所述的胶凝材料组合物或按照权利要求8-15中任意一项所述的方法制备得到的胶凝材料在建筑材料领域中的应用。
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