CN115536305A - 一种改性硅质材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于建筑材料和化学建材技术领域，具体涉及一种改性硅质材料及其制备方法与应用。所述改性硅质材料的制备方法包括如下步骤：(1)以硅质材料和碱溶液为原料，混合均匀后，烘干得羟基活化的硅质材料；(2)将所述羟基活化的硅质材料和偶联剂混合，在100～160℃下焙烧2～3h；所述偶联剂选自聚甲基氢硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、十六烷基三甲氧基硅烷、乙氧基三甲基硅烷、六甲基二硅氧烷中的一种或几种。利用上述方法制得的改性硅质材料在植生混凝土中使用时，降低混凝土pH值，同时基本不降低混凝土强度。

Description

一种改性硅质材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种改性硅质材料及其制备方法与应用。
背景技术
随着混凝土工程建设的发展，混凝土的应用范围逐渐多样化。植生混凝土主要由粗骨料、胶凝材料、外加剂和水等按比例调配拌合而成。植生混凝土孔隙率一般能达到20％～30％左右，且以连通孔隙和半连通孔隙为主。可通过渗透方式往孔隙内灌入孔隙基质，为植物提供了透水、透气的生长空间，使得植物根系能够穿透混凝土层扎入下方土体，为整个植生混凝土体系增强加筋效果。
然而，混凝土内部为强碱性，pH一般都在10以上，无法满植物的生长需求。为了降低混凝土内部的碱度。吉林省水利实业公司的董建伟通过对植生混凝土孔隙碱性的来源、其存在方式、表现形式、影响作用效果等几方面进行剖析，提出了几种植生混凝土孔隙碱性改造方法，揽括化学、物理、土壤化学、生物化学、结构、农艺、植物生理类别，为日后植生混凝土孔隙碱性改善研究提供了指导意见。重庆大学的张朝晖选择不同的水泥类型作为胶结材制备植生混凝土试块，发现磷酸盐水泥碱度最低，硫铝酸盐次之，硅酸盐水泥最高，单一采用掺合料改善胶结材以改善植生混凝土碱度的效果较差。华南理工大学的胡春明、胡勇有、虢清伟等(2006)研究了蜡封方法对植生混凝土孔隙环境碱度的影响，试验结果表明：蜡封方法简单、有效、实用，处理后的植生混凝土孔隙环境pH值较未处理的植生混凝土低0.5～1个单位。但蜡封方法石在混凝土成型后再加工，无法在混凝土制备过程中完成，增加了施工工艺，实际应用较少。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是提供一种改性硅质材料及其制备方法与应用，以该改性硅质材料为降碱剂制得的植生混凝土具有较低的pH值。
具体地，本发明提供以下技术方案：
本发明提供一种改性硅质材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)以硅质材料和碱溶液为原料，混合均匀后，烘干得羟基活化的硅质材料；
(2)将所述羟基活化的硅质材料和偶联剂混合，在100～160℃下焙烧2～3h；
所述偶联剂选自聚甲基氢硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、十六烷基三甲氧基硅烷、乙氧基三甲基硅烷、六甲基二硅氧烷中的一种或几种。
将上述表面改性后的改性硅质材料用于植生混凝土中，可以在混凝土表面形成隔绝膜层，防止混凝土胶凝材料内部碱性物质向外迁移，明显降低植生混凝土pH值，提高了植生混凝土的适植性。
为了进一步提升改性硅质材料的对混凝土表面隔绝效果，本发明对其制备方法进行了优化，具体如下：
作为优选，所述硅质材料选自石英、高岭土、滑石、云母、硅砂、硅灰石、石棉、叶蜡石中的一种或几种；优选所述硅质材料的粒径小于200目。
作为优选，所述碱溶液选自氢氧化钠水溶液、碳酸氢氨水溶液、氨水中的一种或几种；优选所述碱溶液的浓度为10～20％。
本发明中，采用上述硅质材料、及上述碱溶液更有利于制备高隔绝效果的改性硅质材料。
作为优选，步骤(1)中，所述硅质材料与所述碱溶液的质量比为10：(1～10)，更优选为10：(1～5)。
针对本发明的反应体系，当所述硅质材料与所述碱溶液的质量比为10：(1～5)时，效果最佳。
作为优选，所述偶联剂以偶联剂稀释液的形式加入。
进一步地，所述偶联剂稀释液为偶联剂的乙醇水溶液，按质量比计，在所述偶联剂稀释液中，乙醇：水：偶联剂＝1：8：1。
作为优选，步骤(2)中，所述羟基活化的硅质材料与所述偶联剂的质量比为1：(0.01～0.1)，更优选为1：(0.03～0.1)。
针对本发明的反应体系，当所述羟基活化的硅质材料与所述偶联剂的质量比为1：(0.03～0.1)时，效果最佳。
作为优选，步骤(1)中，所述烘干在120～140℃下进行。
本发明同时提供一种改性硅质材料，所述改性硅质材料利用上述的方法制得。
本发明还提供上述改性硅质材料在制备混凝土中的应用；优选在制备植生混凝土作为降碱剂的应用。
本发明还提供一种植生混凝土，其原料包括：水泥和上述的改性硅质材料。
作为优选，每立方米所述原料中包括所述改性硅质材料0.5～3kg。本发明发现，改性硅质材料在植生混凝土中的掺杂量不宜过多，超出上述用量范围，改性硅质材料结合在植生混凝土的胶凝材料表面，影响胶凝材料的凝结时间和硬化结构，进而影响植生混凝土的强度。
本发明提供的植生混凝土可阻隔水泥中水化产生的氢氧化钙向外扩散，大幅度降低植生混凝土的pH值，在不影响混凝土强度和流动性的前提下，极好地改善了植生混凝土的适植性。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提出的改性硅质材料，在植生混凝土中使用时，能够至少降低植生混凝土的pH值1～3，同时基本不降低混凝土强度。
(2)本发明提出的改性硅质材料，采用有机改性和无机载体复合结构，大大提高改性硅质材料在植生混凝土中的分散性，为城市绿化工程提供了有力的技术支持。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所做的修改或替换，均属于本发明的范围。
实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所有试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
实施例1
本实施例提供一种改性硅质材料(S)，所述改性硅质材料(S-52)的制备方法包括如下步骤：
(1)将50kg石英砂(400目)和50kg碳酸氢氨水溶液(浓度为10％)投入反应釜中，搅拌均匀后得到羟基活化的石英砂；
(2)将50kg所述羟基活化的石英石和20kg聚甲基氢硅氧烷乙醇水溶液(乙醇：水：偶联剂＝1：8：1)加入反应釜中，在120℃下焙烧2h，得到改性硅质材料(S-52)。
实施例2
本实施例提供一种改性硅质材料(S)，所述改性硅质材料(S-62)的制备方法包括如下步骤：
(1)将50kg石英砂(400目)和30kg碳酸氢氨水溶液(浓度为10％)投入反应釜中，搅拌均匀后得到羟基活化的石英砂；
(2)将50kg所述羟基活化的石英石和15kg十六烷基三甲氧基硅烷醇水溶液(乙醇：水：偶联剂＝1：8：1)加入反应釜中，在120℃下焙烧2h，得到改性硅质材料(S-62)。
实施例3
本实施例提供一种改性硅质材料(G)，所述改性硅质材料(G-62)的制备方法包括如下步骤：
(1)将50kg高岭土(1000目)和30kg氢氧化钠水溶液(浓度为10％)投入反应釜中，搅拌均匀后得到羟基活化的高岭土；
(2)将50kg所述羟基活化的高岭土和15kg十六烷基三甲氧基硅烷乙醇水溶液(乙醇：水：偶联剂＝1：8：1)加入反应釜中，在120℃下焙烧2h，得到改性硅质材料(G-62)。
实施例4
本实施例提供一种改性硅质材料(Y)，所述改性硅质材料(Y-71)的制备方法包括如下步骤：
(1)将50kg云母(1000目)和50kg氢氧化钠水溶液(浓度为10％)投入反应釜中，搅拌均匀后得到羟基活化的云母；
(2)将50kg所述羟基活化的高岭土和20kg乙氧基三甲基硅烷乙醇水溶液(乙醇：水：偶联剂＝1：8：1)加入反应釜中，在120℃下焙烧2h，得到改性硅质材料(Y-71)。
实施例5
本实施例提供一种改性硅质材料(Y)，所述改性硅质材料(Y-62)的制备方法包括如下步骤：
(1)将50kg云母(1000目)和50kg氢氧化钠水溶液(浓度为10％)投入反应釜中，搅拌均匀后得到羟基活化的云母；
(2)将50kg所述羟基活化的高岭土和20kg十六烷基三甲氧基硅烷乙醇水溶液(乙醇：水：偶联剂＝1：8：1)加入反应釜中，在120℃下焙烧2h，得到改性硅质材料(Y-62)。
对比例1
本对比例提供一种改性硅质材料(G)，所述改性硅质材料(G-55)的制备方法包括如下步骤：
(1)将50kg高岭土(1000目)和30kg氢氧化钠水溶液(浓度为10％)投入反应釜中，搅拌均匀后得到羟基活化的高岭土；
(2)将50kg所述羟基活化的高岭土和15kg 3-氨丙基三乙氧基硅烷乙醇水溶液(乙醇：水：偶联剂＝1：8：1)加入反应釜中，在120℃下焙烧2h，得到改性硅质材料(G-55)。
对比例2
对比例2采用传统的硬脂酸试剂(YSZ)。
试验例1植生混凝土性能测试
本试验例分别以实施例1～5、对比例1的改性硅质材料、对比例2的硬脂酸试剂为主要原料制备混凝土，分别记为混凝土1、混凝土2、混凝土3、混凝土4、混凝土5、混凝土6、混凝土7，并对上述七种混凝土进行性能测试，具体如下：
混凝土的原材料如下所示：
P.I 42.5水泥，石灰岩骨料(5～20mm)，聚羧酸减水剂，降碱剂(实施例1～5的改性硅质材料S-52、S-62、G-62、Y-71、Y-62，对比例1的改性硅质材料G-55，对比例2的硬脂酸试剂)。
混凝土的原料配方如表1所示。
表1混凝土的原料配合比(kg/m3)
水泥 粉煤灰 矿粉 硅灰 大石子 水 减水剂 降碱剂
152 22 33 13 1655 57 4.8 1.0
按照上述原料配方分别制得混凝土1(原料包含实施例1的改性硅质材料S-52)、混凝土2(原料包含实施例2的改性硅质材料S-62)、混凝土3(原料包含实施例3的改性硅质材料G-62)、混凝土4(原料包含实施例4的改性硅质材料Y-71)、混凝土5(原料包含实施例5的改性硅质材料Y-62)、混凝土6(原料包含对比例1的G-55)、混凝土7(原料包含对比例2的硬脂酸)，并按照DB11/T 775-2021测试方法，结果如表2所示；
表2不同降碱剂在各混凝土中的应用效果
Figure BDA0003876219250000071
由表2可知，掺加了实施例1～5的改性硅质材料的混凝土，都降低混凝土的pH值2.4～2.7，同时基本不降低混凝土强度，但采用G-55和硬脂酸的混凝土的强度降低严重。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种改性硅质材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)以硅质材料和碱溶液为原料，混合均匀后，烘干得羟基活化的硅质材料；
(2)将所述羟基活化的硅质材料和偶联剂混合，在100～160℃下焙烧2～3h；
所述偶联剂选自聚甲基氢硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、十六烷基三甲氧基硅烷、乙氧基三甲基硅烷、六甲基二硅氧烷中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅质材料选自石英、高岭土、滑石、云母、硅砂、硅灰石、石棉、叶蜡石中的一种或几种；优选所述硅质材料的粒径小于200目。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碱溶液选自氢氧化钠水溶液、碳酸氢氨水溶液、氨水中的一种或几种；优选所述碱溶液的浓度为10～20％。
4.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述硅质材料与所述碱溶液的质量比为10：(1～10)。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述偶联剂以偶联剂稀释液的形式加入；
优选地，按质量比计，在所述偶联剂稀释液中，乙醇：水：偶联剂为1：8：1。
6.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述羟基活化的硅质材料与所述偶联剂的质量比为1：(0.01～0.1)。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述烘干在120～140℃下进行。
8.一种改性硅质材料，其特征在于，利用权利要求1～7任一项所述的制备方法制得。
9.权利要求8所述的改性硅质材料在制备混凝土中的应用；优选在制备植生混凝土中作为降碱剂的应用。
10.一种植生混凝土，其特征在于，原料包括：水泥和权利要求8所述的改性硅质材料；
优选的，每立方米所述原料中包括所述改性硅质材料0.5～3kg。
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