CN115784651A

CN115784651A - 一种钢渣基抗冻地聚物及其制备方法

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Publication number: CN115784651A
Application number: CN202211717697.5A
Authority: CN
Inventors: 康博; 王岩; 卢磊; 戴欣; 宋洪霞; 杨海涛; 李宁; 马光; 刁亚飞; 任吉源; 尤昊星
Original assignee: Hebei Shuangsheng Traffic Survey And Design Co ltd; Hebei Expressway Group Engineering Consulting Co ltd; Shijiazhuang Tiedao University
Current assignee: Hebei Shuangsheng Traffic Survey And Design Co ltd; Hebei Expressway Group Engineering Consulting Co ltd; Shijiazhuang Tiedao University
Priority date: 2022-12-29
Filing date: 2022-12-29
Publication date: 2023-03-14
Anticipated expiration: 2042-12-29
Also published as: CN115784651B

Abstract

本发明涉及钢渣基抗冻地聚物及其制备方法，针对钢渣基地聚物的浆料特性，利用分散液对微纳米级SAP颗粒进行改性，得到的改性SAP颗粒在钢渣基地聚物浆体中分散性好，形成均匀分布的微纳米级孔隙，高度分散的微纳米级SAP孔提高了钢渣基地聚物的抗冻性能。

Description

一种钢渣基抗冻地聚物及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，尤其是涉及一种钢渣基抗冻地聚物及其制备方法。

背景技术

钢渣是钢铁生产中产量极大的工业固体废弃物，目前钢渣的处理方式主要还是采用堆存，钢渣的堆积不仅会破坏土地和植被，其中的有害物质还会污染土壤和水源，如果采用钢渣制备地聚物，可以获得一种新型的低碳建筑材料：钢渣基地聚物，与混凝土相比，钢渣基地聚物制备过程的碳排放仅为混凝土制备过程的30％-40％，故钢渣可以有效降低碳排放。此外，采用钢渣制备钢渣基地聚物可以提高钢渣的利用率，从而解决钢渣堆存引发的环境问题。

目前提高建筑材料抗冻性的方法主要有：添加防冻剂、引气剂等，文献1(YuanYuan,Renda Zhao,Rui Li,Yongbao Wang,Zhengqing Cheng,Fuhai Li,Zhongguo JohnMa,Frost resistance of fiber-reinforced blended slag and Class F fly ash-based geopolymer concrete under the coupling effect of freeze-thaw cyclingand axial compressive loading,Construction and Building Materials,2020,118831)中公布了一种利用纤维提高地聚物抗冻性的方法，该方法是通过改变纤维类型和掺量以提升地聚物基体的密实性，从而提升地聚物的抗冻性能，文献2(Rui He,Zhe Yang,Vincent J.L.Gan,Huaxin Chen,DongweiCao,Mechanism of nano-silica to enhancethe robustness and durability of concrete in low airpressure for sustainablevivilinfrastructures,Journal of Cleaner Production,2021,128783,0959-6526)中公布了一种利用纳米二氧化硅和引气剂共同形成气孔体系以提高地聚物抗冻性的方法，该方法是通过纳米二氧化硅吸附在气泡壳体上，通过影响气泡到气孔的演化过程进而影响气孔的孔径和间距，此外，纳米二氧化硅的存在可以产生更致密的水化产物，使地聚物基体的孔结构更加致密，从而进一步提升地聚物的抗冻性能；文献3(Xianghui Deng,Yiyuan Liu,Rui Wang,Investigating freeze-proof durability of air-entrained C30 recycledcoarse aggregate concrete,Archives of Civil Engineering,2021,137182)中公布了一种添加引气剂以提高地聚物抗冻性的方法，该方法是通过添加适量的引气剂以避免冻害在地聚物中诱发微裂缝，同时可以减少地聚物中孔隙的数量，从而使地聚物基体内部孔隙结构更加致密，进而改善地聚物的抗冻性能。

上述技术的不足在于：(1)文献1中在地聚物中掺入纤维的方法，并没有改善地聚物基体的特性，而且纤维掺量过多会导致纤维之间发生团聚，使其不能在地聚物基体中分散均匀，从而降低地聚物的和易性，此外，纤维掺量的提高也增大了纤维的比表面积，导致需要更多的地聚物对纤维进行握裹，使得纤维与地聚物基体之间的薄弱界面增多，从而导致地聚物抗拉强度降低。(2)文献2中纳米二氧化硅水化时的需水量较大，会加快地聚物早期水化的放热速率，缩短地聚物的凝结时间，纳米二氧化硅的掺入会提高地聚物的自收缩应变值，自收缩的加大对地聚物的体积稳定性有不利影响，此外，过多纳米二氧化硅的掺入容易产生团聚，纳米二氧化硅与水反应形成的凝胶也会包裹地聚物颗粒，同时封闭一些孔隙，阻碍水化反应，造成地聚物强度的下降，纳米二氧化硅的掺量越多，地聚物强度下降越明显。(3)文献3中掺入引气剂产生的微小气泡的表面自由能较高，在地聚物搅拌过程中，微小气泡倾向于合成大气泡，此外，由于气泡的密度小于地聚物的密度，因此气泡会从地聚物中溢出，掺入引气剂产生的气孔在地聚物长时间的制备工艺中，会损失大量气泡，从而导致无法利用引气剂精准调控地聚物中的气孔体系，进而无法优化地聚物的抗冻性能。

SAP是一种新型建筑材料外加剂，SAP可在地聚物拌合阶段吸水膨胀，在地聚物养护阶段释水收缩，从而形成分布均匀、稳定的SAP孔结构，这些SAP孔与气孔的功能类似，具有提升地聚物抗冻性的潜力。现有技术中添加SAP制备地聚物主要是为了利用其吸水能力降低地聚物收缩，对利用SAP提高地聚物抗冻性的记载较少。本发明针对地聚物的浆体特性，引入微纳米级SAP孔可减少冻融循环阶段地聚物因冻害引发的质量损失和动弹模量损失，从而提高地聚物的抗冻性。

发明内容

本发明提供了一种钢渣基抗冻地聚物的制备方法，根据地聚物的浆料特性，通过引入高度分散的微纳米级SAP孔，进而提高钢渣基地聚物的抗冻性能。

具体的，本发明钢渣基抗冻地聚物的制备方法，包括如下步骤：

1)将SAP大颗粒进行粉碎，得到微纳米级SAP颗粒，将微纳米级SAP颗粒置于分散液中浸泡，随后烘干，得改性SAP颗粒，所述分散液为聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯、丙烯酸苄酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯的聚合物水溶液，

2)将钢渣进行研磨、筛分得到钢渣粉，

3)将氢氧化钠溶解至水玻璃溶液中，得到碱激发剂，

4)将改性SAP颗粒和钢渣粉置于搅拌机干拌均匀后，加入减水剂、碱激发剂和水继续搅拌至均匀，得地聚物浆料，

5)将地聚物浆料成型、养护，得到钢渣基抗冻地聚物。

实验过程中发现，普通SAP颗粒直接添加或保水后添加至钢渣基地聚物后，SAP颗粒容易团聚，不易分散均匀，影响抗冻效果的提高，钢渣基地聚物浆体由于碱度更高，且钢渣颗粒表面特性与水泥存在差异，因此SAP颗粒在钢渣基地聚物中的使用不同于在水泥基材料中的使用。本发明为提高SAP颗粒的使用效果，首先对SAP大颗粒进行研磨至微纳米级的细度，并将其浸泡在特制的分散液吸饱聚合物分散剂后进行干燥得到改性SAP颗粒，研究表明，干燥状态的改性SAP颗粒相较于饱水的改性SAP颗粒对钢渣基地聚物的抗冻效果提高效果更佳，改性SAP颗粒和钢渣粉首先进行干拌，再加入其它原料进行拌合，制备得到的钢渣基地聚物浆体流动性好，改性SAP颗粒在浆体中均匀分散，抗冻效果提高更为显著。

优选的，所述SAP大颗粒为聚丙烯酸交联丙烯酰胺型SAP。

优选的，所述微纳米级SAP颗粒粒径为0.5-5μm。

优选的，所述步骤1)中聚合物中聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯、丙烯酸苄酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯质量比为70-90:3-5:5-10。

优选的，所述步骤1)中聚合物由单体经水热聚合而成。

优选的，所述步骤1)中聚合物由单体经氧化-还原水热法聚合而成。

本发明中聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯、丙烯酸苄酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯经聚合得到分散性聚合物，其与SAP颗粒亲和性良好，当改性SAP颗粒在钢渣基地聚物浆体中拌合时，吸水后的SAP颗粒发生膨胀，分散性聚合物的存在可提高SAP颗粒在强碱性溶液中的适应性，发挥类似空间位阻效应促使SAP颗粒的均匀分散，待浆体硬化后形成均匀的圆孔型封闭孔，在保证试件力学性能基础上提高抗冻能力。

优选的，可利用《Recommendation of RILEM TC 260-RSC:testing sorption bysuperabsorbent polymers(SAP)prior to implementation in cement-basedmaterials》中建议的茶袋法测定改性SAP颗粒在碱激发剂中的膨胀能力。

优选的，所述改性SAP颗粒的干燥密度为1.2g/cm³，吸水膨胀后改性SAP颗粒的密度为1.1g/cm³。

优选的，所述步骤2)中研磨采用高速球磨机，研磨时间为0.5-2h。

优选的，所述钢渣粉粒径为80-200μm。

优选的，所述地聚物各原料重量比为：钢渣粉：碱激发剂：减水剂：水：改性SAP颗粒＝100:5-10:0.8-1.5:30-40:0.5-1.2。

优选的，所述减水剂为聚羧酸系减水剂。

优选的，所述养护条件为标准养护，温度为20±2℃，湿度＞95％。

本发明还涉及钢渣基抗冻地聚物，其由上述制备方法制备得到。

优选的，本发明地聚物中SAP孔径范围为0.8-10μm，SAP孔间距为0.05-5μm。改性SAP颗粒在钢渣基地聚物拌合阶段吸水膨胀、养护阶段释水收缩，形成微纳米级SAP孔体系，通过改变改性SAP颗粒的粒径和掺量可以改变所设计微纳米级SAP孔体系的孔间距。

本发明的特点及优良效果如下：

1.本发明制备方法简单、易操作，成本低；

2.经预处理得到的改性SAP颗粒在钢渣基地聚物浆体中分散性好，形成均匀分布的微纳米级孔隙；

3.本发明微纳米级SAP孔体系的可设计性强，通过改变改性SAP颗粒的粒径和掺量，可以改变所设计微纳米级SAP孔体系的孔径和孔间距；

4.改性SAP颗粒可与钢渣粉干拌使用，避免饱水湿拌引起的力学性能损失。

具体实施方式

为表征本发明钢渣基地聚物的抗冻效果，实验过程采用快冻法，抗冻性能测试按照普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GB/T50082-2009)进行测试，经50、100、150、200、250、300次冻融循环后分别测定其动弹性模量与重量损失率，并评价钢渣基地聚物试件的抗冻性能。

实施例1

钢渣基抗冻地聚物，配合比为：钢渣粉：碱激发剂：减水剂：水：改性SAP颗粒＝100:6:1.2:35:0.8。

制备方法包括如下步骤：1)将SAP大颗粒进行粉碎，得到微纳米级SAP颗粒，将微纳米级SAP颗粒置于分散液中浸泡，随后烘干，得改性SAP颗粒，所述分散液为聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯、丙烯酸苄酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯质量比为80:3:6的聚合物水溶液，2)将钢渣进行研磨、筛分得到钢渣粉，3)将氢氧化钠溶解至水玻璃溶液中，得到碱激发剂，4)将改性SAP颗粒和钢渣粉置于搅拌机干拌均匀后，加入减水剂、碱激发剂和水继续搅拌至均匀，得地聚物浆料，5)将地聚物浆料成型、养护，得到钢渣基抗冻地聚物。

经检测，试件经50、100、150、200、250、300次冻融循环后试件残余相对动弹性模量百分比分别为99％、97％、96％、95％、93％、91％，质量损失百分比分别为0.1％、0.3％、0.5％、0.8％、1.0％、1.2％。

对比例1

钢渣基地聚物，配合比为：钢渣粉：碱激发剂：减水剂：水

＝100:6:1.2:35。

制备方法包括如下步骤：1)将钢渣进行研磨、筛分得到钢渣粉，2)将氢氧化钠溶解至水玻璃溶液中，得到碱激发剂，3)将钢渣粉置于搅拌机，加入减水剂、碱激发剂和水继续搅拌至均匀，得地聚物浆料，4)将地聚物浆料成型、养护，得到钢渣基地聚物。

经检测，试件经50、100、150、200、250、300次冻融循环后试件残余相对动弹性模量百分比分别为85％、79％、75％、71％、64％、62％，质量损失百分比分别为3.2％、4.9％、6.0％、6.7％、7.9％、8.6％。

对比例2

钢渣基抗冻地聚物，配合比为：钢渣粉：碱激发剂：减水剂：水：SAP颗粒＝100:6:1.2:35:0.8。

制备方法包括如下步骤：1)将钢渣进行研磨、筛分得到钢渣粉，2)将氢氧化钠溶解至水玻璃溶液中，得到碱激发剂，3)将SAP颗粒和钢渣粉置于搅拌机干拌均匀后，加入减水剂、碱激发剂和水继续搅拌至均匀，得地聚物浆料，4)将地聚物浆料成型、养护，得到钢渣基地聚物。

经检测，试件经50、100、150、200、250、300次冻融循环后试件残余相对动弹性模量百分比分别为92％、86％、81％、78％、73％、71％，质量损失百分比分别为2.1％、3.0％、3.3％、3.9％、4.6％、5.2％。

对比例3

钢渣基抗冻地聚物，配合比为：钢渣粉：碱激发剂：减水剂：水：微纳米级SAP颗粒＝100:6:1.2:35:0.8。

制备方法包括如下步骤：1)将SAP大颗粒进行粉碎，得到微纳米级SAP颗粒，2)将钢渣进行研磨、筛分得到钢渣粉，3)将氢氧化钠溶解至水玻璃溶液中，得到碱激发剂，4)将微纳米级SAP颗粒和钢渣粉置于搅拌机干拌均匀后，加入减水剂、碱激发剂和水继续搅拌至均匀，得地聚物浆料，5)将地聚物浆料成型、养护，得到钢渣基地聚物。

经检测，试件经50、100、150、200、250、300次冻融循环后试件残余相对动弹性模量百分比分别为95％、92％、85％、83％、79％、76％，质量损失百分比分别为1.1％、1.9％、2.2％、3.0％、3.4％、3.9％。

最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。

Claims

1.一种钢渣基抗冻地聚物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2)将钢渣进行研磨、筛分得到钢渣粉，

3)将氢氧化钠溶解至水玻璃溶液中，得到碱激发剂，

5)将地聚物浆料成型、养护，得到钢渣基抗冻地聚物。

2.根据权利要求1所述的钢渣基抗冻地聚物的制备方法，其特征在于，所述SAP大颗粒为聚丙烯酸交联丙烯酰胺型SAP。

3.根据权利要求1所述的钢渣基抗冻地聚物的制备方法，其特征在于，所述微纳米级SAP颗粒粒径为0.5-5μm。

4.根据权利要求1所述的钢渣基抗冻地聚物的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中聚合物中聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯、丙烯酸苄酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯质量比为70-90:3-5:5-10。

5.根据权利要求4所述的钢渣基抗冻地聚物的制备方法，其特征在于，所述聚合物由单体经水热聚合而成。

6.根据权利要求1所述的钢渣基抗冻地聚物的制备方法，其特征在于，所述钢渣粉粒径为80-200μm。

7.根据权利要求1所述的钢渣基抗冻地聚物的制备方法，其特征在于，所述地聚物各原料重量比为：钢渣粉：碱激发剂：减水剂：水：改性SAP颗粒＝100:5-10:0.8-1.5:30-40:0.5-1.2。

8.根据权利要求1所述的钢渣基抗冻地聚物的制备方法，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸系减水剂。

9.一种钢渣基抗冻地聚物，其特征在于，由权利要求1-8任一项制备方法制备得到。

10.根据权利要求9所述的地聚物，其特征在于，地聚物中SAP孔径范围为0.8-10μm，SAP孔间距为0.05-5μm。