CN116119973B - 一种钢渣活性激发剂及其制备方法与应用 - Google Patents

一种钢渣活性激发剂及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及建筑材料外加剂领域，尤其是涉及一种钢渣活性激发剂及其制备方法与应用，通过以氨基酸、葡萄糖和有机溶剂为原料合成一种富含更多络合基团的糖胺，并调整与醇胺和无机盐的比例组成一种钢渣活性激发剂，对于提高转炉钢渣在建材领域中的应用有着积极的促进作用。

Description

一种钢渣活性激发剂及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及建筑材料外加剂领域，尤其是涉及一种钢渣活性激发剂及其制备方法与应用。
背景技术
钢渣是冶炼钢铁过程中产生的固体废弃物，产量为粗钢产量的15％-20％，2021年我国粗钢产量为10.3524亿吨，按每年粗钢产量10亿吨计算，每年钢渣产量在1.5-2亿吨左右。而目前我国钢渣资源化利用率不足40％，主要是钢渣的活性低和安定性差导致的。其中，关于钢渣安定性的问题通过粉磨能得到极大缓解，钢渣的活性低是目前限制其应用的主要问题。而在众多活化钢渣的方法中，相对于高温调制、机械活化、酸活化、碱活化等，醇胺活化是一种相对节能且有害作用小的方法，但目前现有的醇胺对于钢渣活性的激发和强度的提升作用有限，还不能达到使得钢渣大规模应用的要求。国内外关于在络合活化基础上进一步提升钢渣强度的研究非常少，且大多数研究主要集中在水泥体系或者水泥-矿渣、水泥-粉煤灰体系中。
本发明针对醇胺对于钢渣活性激发、强度提升有限这一问题，提供了一种基于络合平衡的提升钢渣力学性能的三元外加剂，对于提高转炉钢渣在建材领域中的应用有着积极的促进作用。
发明内容
本发明要解决的问题在于提供一种能够进一步提高钢渣复合水泥浆体强度的三元外加剂。通过在合成的具有更多络合基团的糖胺的基础上，再加入已被证明的具有良好的络合作用的醇胺与具有调节络合平衡作用的无机盐两种组分来得到一种具有更好的激发钢渣活性、提升其强度的三元外加剂-钢渣活性激发剂。
为实现以上目的，本发明提供了一种以氨基酸、葡萄糖和有机溶剂为原料合成一种富含更多络合基团的糖胺，并调整与醇胺和无机盐的比例组成一种钢渣活性激发剂，具体的，本发明钢渣活性激发剂的制备方法，包括如下制备步骤：
1)在反应容器中加入氨基酸、葡萄糖和有机溶剂，加热搅拌；
2)当反应液转为深棕色后继续反应3-6h后冷却，得糖胺；
3)向糖胺中加入醇胺、NaSCN，混合均匀，即得；
优选的，所述氨基酸、葡萄糖和有机溶剂摩尔比为1:(0.5-2):(1-6),更优选为1:1:(2-5)。
优选的，所述糖胺、醇胺和NaSCN质量比为1:(0.5-2):(0.1-1)。
优选的，所述氨基酸、葡萄糖和有机溶剂摩尔比为1:1:(3-4)。
优选的，所述糖胺、醇胺和NaSCN质量比为1:1:0.5。
优选的，步骤1)加热搅拌采用电磁搅拌，油浴加热，加热过程为在0.5h内加热到110℃。
优选的，步骤2)继续反应条件为在110-120℃继续反应3h。
优选的，步骤2)继续反应条件为在100-105℃继续反应6h。
优选的，所述氨基酸为丝氨酸、甘氨酸、丙氨酸、半胱氨酸中的至少一种。
优选的，所述醇胺为二乙醇单异丙醇胺、三乙醇胺的至少一种。更优选的，所述醇胺为二乙醇单异丙醇胺。
优选的，所述有机溶剂为1，3-丁二醇，1，3-丙二醇，1，2-丙二醇中的至少一种。
本发明糖胺的合成示意过程如下，其中R1代表基团为-CH2OH、-H、-CH3、-CH2SH等：
本发明还涉及钢渣活性激发剂，其由上述制备方法制备得到。
本发明还涉及上述钢渣活性激发剂在激发钢渣活性中的应用，钢渣活性激发剂添加量为钢渣质量的0.01-0.05％。
钢渣中的主要矿物包括C3S、C2S、C2F以及RO相，其中提供胶凝活性的主要是C3S和C2S，而当在钢渣中通过加入醇胺，例如二乙醇单异丙醇胺，发挥其络合作用从而促进钢渣中的矿物进一步溶解生成更多的水化产物，其中，醇胺能够发挥络合作用的关键在于其分子结构中存在的N原子和-OH，能够与矿物相中的Ca2+、Fe3+等络合，从而促进矿物相溶解，进而起到激发钢渣活性，提高强度的目的。目前存在的有机酸加醇胺来激发钢渣活性的组合还有待于进一步优化，有机酸主要是对钢渣起到酸蚀的作用，由于水泥或者是钢渣水化是处在碱性环境中进行的，因而用酸蚀的方法激发钢渣时，有机酸的掺量难以控制且对于整体强度增强不足。
本发明基于络合活化能激发钢渣的活性、提升钢渣力学性能，并在醇胺分子结构中的N原子和-OH具有的络合作用的基础上，选取含有N原子的氨基酸和有较多-OH的葡萄糖合成糖胺，比普通醇胺具有更多的络合性官能团或原子，且氨基酸是一种两性物质，合成的糖胺不会破坏水化环境的pH，从而进一步激发钢渣的胶凝活性，达到进一步提升钢渣的力学性能的作用。同时，在合成的多络合基团外加剂基础上，组合醇胺与NaSCN能更好的实现钢渣力学性能的激发，NaSCN的作用在于调节多络合基团糖胺和醇胺的作用的液相环境，其中NaSCN的Na+存在与钢渣中的金属阳离子的竞争络合醇胺或者糖胺的作用，而SCN-又存在与醇胺或糖胺竞争钢渣中金属阳离子的作用，起到调节络合平衡与水化产物生成的过程，相对于加入有机酸对早期和后期强度能达到更好的激发作用。
由于本发明采取了以上技术方案，达到了如下技术效果：
本发明制备的三元外加剂对于钢渣-水泥浆体的强度提升效果要优于普通醇胺外加剂的提升效果，可提高30％钢渣替代水泥浆体3d力学强度3.3-4.9MPa，7d力学强度可提高4.0-5.7MPa，7d的活性激发比普通醇胺还要高2％-5％，28d力学强度可提高5.4-6.9MPa，28d活性激发比普通醇胺要高1％-3％。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达预定目的所采用的技术手段以及功效，下面结合实施例和应用案例对本发明的限定。
在以下实施例中，所有的原料均为质量份。
实施例1：
取丝氨酸157.6g、葡萄糖270g、1,3-丙二醇420g加入三口瓶中，电磁搅拌，油浴加热，在0.5h内加热到110℃，当反应液转为深棕色后在115℃继续反应3h，冷却后，得糖胺，取糖胺2份与2份二乙醇单异丙醇胺与1份NaSCN组合成钢渣活性激发剂。
实施例2：
取甘氨酸112.6g、葡萄糖270g、1,3-丙二醇420g加入三口瓶中，电磁搅拌，油浴加热，在0.5h内加热到110℃，当反应液转为深棕色后在115℃继续反应3h，冷却后，得糖胺，取糖胺2份与2份二乙醇单异丙醇胺与1份NaSCN组合成钢渣活性激发剂。
实施例3：
取丙氨酸133.6g、葡萄糖270g、1,3-丙二醇420g加入三口瓶中，电磁搅拌，油浴加热，在0.5h内加热到110℃，当反应液转为深棕色后在115℃继续反应3h，冷却后，得糖胺，取糖胺2份与2份二乙醇单异丙醇胺与1份NaSCN组合成钢渣活性激发剂。
实施例4：
取半胱氨酸181.7g、葡萄糖270g、1,3-丙二醇420g加入三口瓶中，电磁搅拌，油浴加热，在0.5h内加热到110℃，当反应液转为深棕色后在115℃继续反应3h，冷却后，得糖胺，取糖胺2份与2份二乙醇单异丙醇胺与1份NaSCN组合成钢渣活性激发剂。
对实施例1-4制备得到的钢渣活性激发剂进行检测，以空白样和二乙醇单异丙醇胺为对照例，胶凝材料选择30％钢渣-70％水泥，激发剂掺量均为0.02％，采用的钢渣为转炉钢渣，其具体化学组成如表1所示，采用的水泥为基准水泥，其具体化学组成如表2所示。分别在钢渣-水泥浆体中加入上述外加剂，按照GBT17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》对钢渣-水泥浆体进行力学强度检测，按照《GB/T 20491-2017》中钢渣活性进行检测，所得结果如表3、表4所示：
表1 钢渣化学组成(％)
CaO SiO2 Al2O3 MgO SO3 Fe2O3 TiO2 Na2O L.O.I
41.55 16.60 3.95 4.61 0.63 21.87 0.84 0.46 1.50
表2 基准水泥化学组成(％)
CaO SiO2 Al2O3 MgO SO3 Fe2O3 f-CaO Na2O L.O.I
63.43 20.84 4.68 3.29 2.30 3.56 0.78 0.55 1.48
表3 钢渣-水泥浆体力学强度(MPa)
表4钢渣活性的影响结果(％)
从表3可以看出，本发明制备的钢渣活性激发剂比普通醇胺对钢渣的的强度提升效果更好，且有好的力学强度提升效果，3d和7d最高分别提升4.9MPa和5.7Ma，28d提升效果也较好，最高提升6.2Ma，从表4可以看出本发明相比普通醇胺激发钢渣7d活性还要高2％-5％，28d活性还要高1％-3％，制备的外加剂表现出了良好的应用效果。
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 (10)

1.一种钢渣活性激发剂的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：
1)在反应容器中加入氨基酸、葡萄糖和有机溶剂，加热搅拌；
2)当反应液转为深棕色后继续反应3-6h后冷却，得糖胺；
3)向糖胺中加入醇胺、NaSCN，混合均匀，即得；
所述氨基酸、葡萄糖和有机溶剂摩尔比为1:1:(2-5),所述糖胺、醇胺和NaSCN质量比为1:(0.5-2):(0.1-1)。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氨基酸、葡萄糖和有机溶剂摩尔比为1:1:(3-4)。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述糖胺、醇胺和NaSCN质量比为1:1:0.5。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)加热搅拌采用电磁搅拌，油浴加热，加热过程为在0.5h内加热到110℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)继续反应条件为在110-120℃继续反应3h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)继续反应条件为在100-105℃继续反应6h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氨基酸为丝氨酸、甘氨酸、丙氨酸、半胱氨酸中的至少一种，所述醇胺为二乙醇单异丙醇胺、三乙醇胺的至少一种。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为1，3-丁二醇，1，3-丙二醇，1，2-丙二醇中的至少一种。
9.钢渣活性激发剂，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所述钢渣活性激发剂在激发钢渣活性中的应用，其特征在于，钢渣活性激发剂添加量为钢渣质量的0.01-0.05％。
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