CN116553865A - 一种掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆及其制备方法和应用。掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆按质量百分比计，由以下组分组成：胶凝材料30％～45％；石英砂30％～45％；碱激发剂10％～20％；水8％～15％；缓凝剂0.2％～0.5％；磷酸0.2％～0.5％；所述胶凝材料为磷石膏、矿渣和硅灰三者的混合物；所述低水胶比为水与胶凝材料的质量比为1：(3～4)。本发明利用工业副产品、环境污染物磷石膏和磷酸的复合作用，解决了磷石膏难以用于提高低水胶比矿渣地聚物强度的问题，制备出的掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆凝结时间为8～15min，抗压强度≥100MPa，其制备工艺简单易操作，具有良好的应用前景，能应用于建筑材料中。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，更具体地，涉及一种掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆及其制备方法和应用。
背景技术
磷石膏主要成分为CaSO4·2H2O，以及一些难溶的杂质，是湿法磷酸工艺中产生的固体废弃物，其主要处置方法为堆放处理。磷石膏的随意排放堆积严重破坏了生态环境，不仅污染地下水资源，还造成土地资源的浪费。因此，对磷石膏的综合利用具有很重要的资源和环境意义，将工业副产品利用到建筑行业中变废为宝是一个很好的消纳办法。目前，用磷石膏制备建筑材料的制品强度不高，且对磷石膏的预处理工艺复杂。
地质聚合物(地聚物)是一种由富含SiO2和Al2O3的前驱体碱活化而成的新型无机粘结剂，是水泥基材料的重要替代品，具有优良的机械性能和耐酸碱、耐火、耐高温的性能。现有技术中公开了一种常规水胶比的磷石膏基地聚合物及其制备方法，该方法将磷石膏、粉煤灰以及矿渣混合成胶凝材料，与缓凝剂以及碱激发剂相互作用形成稳定性优异以及耐久性佳的材料，能替代水泥，达到减少水泥使用的作用，制品强度最高达60MPa左右，强度依然不高，且未能实现磷石膏在高强度胶凝材料中的应用。
将磷石膏应用于高强度胶凝材料如低水胶比矿渣地聚物的难度在于，低水胶比矿渣地聚物的反应速率比常规水胶比矿渣地聚物的反应速率快，凝结时间短，抗压强度高，在低水胶比矿渣地聚物中掺入磷石膏更会促进地质聚合反应的速率，大幅缩短凝结时间至出现“闪凝”现象，凝结时间不易控制。在掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物中加入大量缓凝剂虽然可以控制凝结时间，但是对其强度有较大的负面影响。
发明内容
本发明的首要目的在于解决上述现有技术中磷石膏难以用于提高低水胶比矿渣地聚物强度的问题，提供一种掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆。该掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆凝结时间短，但不会出现“闪凝”现象，且抗压强度高。
本发明的进一步目的是提供一种掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆的制备方法。
本发明的第三个目的是提供一种掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆在制备建筑材料中的应用。
本发明的上述目的是通过以下技术方案予以实现的：
一种掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆，所述低水胶比矿渣地聚物砂浆按质量百分比计，由以下组分组成：
所述胶凝材料为磷石膏、矿渣和硅灰三者的混合物；
所述低水胶比为水与胶凝材料的质量比为1：(3～4)。
本发明所述掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆利用工业副产品、环境污染物磷石膏作为原材料，将适量的磷石膏掺入到矿渣为主的胶凝材料中，矿渣中活性的CaO、SiO2和Al2O3，在碱液的条件下(强碱)溶解形成Ca2+、Si4+和Al3+，而磷石膏为反应体系提供Ca2+，促进了地质聚合反应的速率，且SO4 2-参与反应形成钙矾石，有利于胶凝材料强度的提升。掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆的反应速率快，凝结时间短，易出现“闪凝”现象，仅加入缓凝剂并不能够既有效控制凝结时间又提升强度，而加入磷酸后，磷酸与磷石膏作用减缓了地质聚合反应的进行，控制了凝结时间，且不影响磷石膏对低水胶比矿渣地聚物砂浆强度的提高。
本发明利用磷石膏和磷酸的复合作用，既有效控制了凝结时间，使其达到快速凝结而不至于出现“闪凝”现象，又提高了低水胶比矿渣地聚物砂浆的强度，实现了磷石膏在高强度胶凝材料中的应用。
本发明所述掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆需控制各组分含量，胶凝材料含量过多时，反应速率过快，凝结时间不易控制，易出现“闪凝”现象；胶凝材料的含量对低水胶比矿渣地聚物砂浆的强度有较大影响，含量过少时，低水胶比矿渣地聚物砂浆的强度较低。缓凝剂的含量过多时，虽然能够解决“闪凝”问题，控制凝结时间，但是对低水胶比矿渣地聚物砂浆的强度有较大的负面影响；含量过少时，无法控制以矿渣为主的胶凝材料地质聚合反应的速率，凝结时间短，易出现“闪凝”现象。磷酸含量过低时，无法解决因掺入磷石膏造成的“闪凝”问题；含量过高时，虽然能够控制凝结时间，但对掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆的强度造成不利的影响。
在具体实施方式中，掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆中，各组分按照质量份数，具体可以参照如下：
磷石膏53～151份，矿渣184～888份，硅灰89～108份，石英砂1000～1080份，碱激发剂416～448份，水280～306份，缓凝剂8～12份，磷酸9～13份。
更优选地，按照质量份数，由以下组分组成：
磷石膏100～108份，矿渣830～860份，硅灰100～105份，石英砂1000～1080份，碱激发剂416～448份，水280～306份，缓凝剂10～12份，磷酸10～12份。
具体地，所述缓凝剂为氯化钡、硼砂、葡萄糖酸钠中的一种或几种。
所述缓凝剂主要针对矿渣的缓凝，对磷石膏的缓凝效果不佳。
具体地，所述碱激发剂为Na2O·nSiO2，模数n为溶液中SiO2与Na2O的物质的量比，其模数n常规选择为1～1.15。
在具体实施方式中，所述碱激发剂的模数n可以为1.25。
进一步地，所述磷石膏占胶凝材料质量的5％～15％。
磷石膏的掺入能够提升低水胶比矿渣地聚物砂浆的强度，但需要控制磷石膏在以矿渣为主的胶凝材料中的含量，掺入量低时无法有效提高低水胶比矿渣地聚物砂浆的强度，掺入量高时反应速率过快，凝结时间不易控制，且低水胶比矿渣地聚物砂浆的强度降低。
优选地，所述磷石膏占胶凝材料质量的9％～11％。
优选地，所述矿渣与硅灰的质量比为(1～10)：1。
控制矿渣与硅灰的质量比主要是为了调整胶凝材料中Ca和Si的比例，比例过大过小都会对胶凝材料的强度有负面影响。
优选地，所述胶凝材料与石英砂的质量比为(0.9～1.1)：1。
控制胶凝材料与石英砂的质量比可以优化粒径组成，提高材料颗粒填充密度，从而提高低水胶比矿渣地聚物砂浆的强度。
进一步地，所述磷酸与磷石膏质量比为(0.5～2.5)：10。
利用磷石膏和磷酸的复合作用提升低水胶比矿渣地聚物砂浆的抗压强度需控制磷石膏和磷酸的比例，磷酸含量过低无法有效控制反应时间，含量过高反应速率减慢但掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆的强度降低。
优选地，所述磷酸与磷石膏质量比为(1～1.5)：10。
本发明所述掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆的制备方法，包括以下步骤：
S1.将磷石膏、矿渣、硅灰、石英砂和缓凝剂充分混合，均匀搅拌120～180s，制得干料混合物；
S2.将碱激发剂、水与磷酸混合，充分搅拌30～60s，制得减水剂溶液；
S3.将S2制得的减水剂溶液倒入到干料混合物中，充分搅拌2～3min，得到所述掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆。
本发明所述掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆的制备工艺易操作，将减水剂溶液倒入干料混合物中搅拌充分反应后制备得到掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆。
进一步地，所述磷石膏经过烘干处理，烘干温度为100℃～110℃。
本发明所述制备方法对磷石膏的预处理工艺简单，磷石膏的主要组分为二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)，烘干的主要目的是去除磷石膏中的自由水，但保留二水硫酸钙的结合水，当烘干温度超过110℃时二水硫酸钙会脱水变成半水硫酸钙(CaSO4·0.5H2O)。半水硫酸钙遇水重新变成二水硫酸钙，反应过程中大量放热，且反应速率快，反应时间不易控制，不利于胶凝材料强度的提升。
优选地，所述磷石膏烘干温度为100℃～115℃。
更优选地，所述磷石膏烘干温度为105℃～115℃。
进一步地，所述磷石膏粒度≤150目。
控制磷石膏粒度可以控制其反应活性，粒度越小，反应活性越高，反应速率越快。
优选地，所述烘干后的磷石膏粒度为150～200目。
优选地，步骤S3所述搅拌时间为3min。
搅拌时间过短，减水剂溶液与干料混合物混合不均匀，反应不充分；搅拌时间过长，不利于掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆的凝结。
本发明还保护所述掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆在制备建筑材料中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆及其制备方法和应用，利用工业副产品、环境污染物磷石膏和磷酸的复合作用，有效地控制低水胶比矿渣地聚物砂浆的凝结时间使其达到快速凝结而不闪凝，同时提高低水胶比矿渣地聚物砂浆的强度，得到的掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆凝结时间为8～15min，抗压强度≥100MPa，实现了磷石膏在高强度胶凝材料中的应用，制备工艺简单，具有良好的应用前景，能应用于制备建筑材料中。
具体实施方式
为了更清楚、完整的描述本发明的技术方案，以下通过具体实施例进一步详细说明本发明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，可以在本发明权利限定的范围内进行各种改变。
除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。
实施例1～6
一种掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆，由如下表1所列质量份数的原料制备得到：
表1
其中实施例1所述掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆的制备方法，包括如下步骤：
S1.将磷石膏、矿渣、硅灰、石英砂和氯化钡充分混合，均匀搅拌180s，制得干料混合物；
S2.将碱激发剂、水与磷酸混合，充分搅拌60s，制得减水剂溶液；
S3.将S2制得的减水剂溶液倒入到干料混合物中，充分搅拌3min，得到掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆。
实施例2～6所述掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆的制备方法和实施例1相同。
对比例1
一种低水胶比矿渣地聚物砂浆，由如下表2所列质量份数的原料制备得到：
表2
| 样品 | 磷石膏 | 矿渣 | 硅灰 | 石英砂 | 碱激发剂 | 水 | 氯化钡 | 磷酸 |
| 对比例1 | 0 | 986 | 105 | 1046 | 436 | 292 | 10 | 0 |
对比例1所述低水胶比矿渣地聚物砂浆的制备方法，包括如下步骤：
S1.将矿渣、硅灰、石英砂和氯化钡充分混合，均匀搅拌180s，制得干料混合物；
S2.将碱激发剂与水混合，充分搅拌60s，制得减水剂溶液；
S3.将S2制得的减水剂溶液倒入到干料混合物中，充分搅拌3min，得到低水胶比矿渣地聚物砂浆。
对比例2～3
一种掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆，由如下表3所列质量份数的原料制备得到：
表3
对比例2～3所述掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆的制备方法和实施例1相同。
对比例4～6
一种掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆，由如下表4所列质量份数的原料制备得到：
表4
| 样品 | 磷石膏 | 矿渣 | 硅灰 | 石英砂 | 碱激发剂 | 水 | 氯化钡 | 磷酸 |
| 对比例4 | 105 | 836 | 105 | 1046 | 436 | 292 | 10 | 0 |
| 对比例5 | 105 | 836 | 105 | 1046 | 436 | 292 | 20 | 0 |
| 对比例6 | 105 | 836 | 105 | 1046 | 436 | 292 | 30 | 0 |
其中对比例4所述掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆的制备方法，包括如下步骤：
S1.将磷石膏、矿渣、硅灰、石英砂和氯化钡充分混合，均匀搅拌180s，制得干料混合物；
S2.将碱激发剂与水混合，充分搅拌60s，制得减水剂溶液；
S3.将S2制得的减水剂溶液倒入到干料混合物中，充分搅拌3min，得到掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆。
对比例5～6所述掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆的制备方法和对比例4相同。
对比例7
一种掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆，由如下表5所列质量份数的原料制备得到：
表5
| 样品 | 磷石膏 | 矿渣 | 硅灰 | 石英砂 | 碱激发剂 | 水 | 氯化钡 | 硼砂 |
| 对比例1 | 105 | 836 | 105 | 1046 | 436 | 292 | 10 | 11 |
对比例1所述掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆的制备方法，包括如下步骤：
S1.将磷石膏、矿渣、硅灰、石英砂和氯化钡充分混合，均匀搅拌180s，制得干料混合物；
S2.将碱激发剂、水与硼砂混合，充分搅拌60s，制得减水剂溶液；
S3.将S2制得的减水剂溶液倒入到干料混合物中，充分搅拌3min，得到掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆。
对比例8
一种掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆，由如下表6所列质量份数的原料制备得到：
表6
对比例8所述掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆的制备方法，包括如下步骤：
S1.将磷石膏、矿渣、硅灰、石英砂和氯化钡充分混合，均匀搅拌180s，制得干料混合物；
S2.将碱激发剂、水与蔗糖化钙混合，充分搅拌60s，制得减水剂溶液；
S3.将S2制得的减水剂溶液倒入到干料混合物中，充分搅拌3min，得到掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆。
性能测试及结果分析
对实施例1～6和对比例2～8中的掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆及对比例1中的低水胶比矿渣地聚物砂浆进行性能检测，其中凝结时间、抗压强度的检测方法参照JGJ/T 10-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》，检测结果见表1。
表1
从上述检测结果可以看出，实施例1～6中所述掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆的凝结时间为8～15min，抗压强度≥100MPa，性能优越，能应用于制备建筑材料中。通过比较实施例1～6和对比例1～2的检测结果可以看出，在低水胶比矿渣地聚物砂浆中掺入磷石膏能够提升矿渣地聚物砂浆的强度，但磷石膏的掺入量过多而减少了矿渣用量时，矿渣地聚物砂浆的凝结时间短且抗压强度降低。通过比较实施例3和对比例3的检测结果可以看出，加入磷酸可以有效解决因掺入磷石膏造成的“闪凝”问题，且不影响磷石膏对低水胶比矿渣地聚物砂浆抗压强度的提高，磷石膏提高了低水胶比矿渣地聚物砂浆约10％的抗压强度。但需要控制磷酸和磷石膏的质量比，过量的磷酸会对低水胶比矿渣地聚物砂浆的强度造成不利的影响。通过比较实施例3和对比例4～8的检测结果可以看出，在低水胶比矿渣地聚物砂浆掺入磷石膏后，磷石膏促进了地质聚合反应的速率，大幅缩短了凝结时间出现“闪凝”现象，增加矿渣缓凝剂氯化钡的用量虽然能够解决“闪凝”的问题，但是不能实现磷石膏对低水胶比矿渣地聚物砂浆抗压强度的提高。在与实施例3其他原料质量份数相同的情况下，添加与磷酸质量份数等量的其他缓凝剂也不能解决因掺入磷石膏造成的“闪凝”问题。本发明为磷石膏在制备建筑材料领域资源化利用提供了一种可行的方式，磷石膏和磷酸的复合使用实现了对低水胶比矿渣地聚物砂浆凝结时间的控制和抗压强度的提升，实现了磷石膏在高强度胶凝材料中的应用。本发明所述掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆制备方法简单，具有良好的应用前景，能应用于建筑材料中。
显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。本领域技术人员应当理解，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆，其特征在于，所述低水胶比矿渣地聚物砂浆按质量百分比计，由以下组分组成：
所述胶凝材料为磷石膏、矿渣和硅灰三者的混合物；
所述低水胶比为水与胶凝材料的质量比为1：(3～4)。
2.根据权利要求1所述掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆，其特征在于，所述磷石膏占胶凝材料质量的5％～15％。
3.根据权利要求1所述掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆，其特征在于，所述磷酸与磷石膏质量比为(0.5～2.5)：10。
4.根据权利要求3所述掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆，其特征在于，所述磷酸与磷石膏质量比为(1～1.5)：10。
5.一种权利要求1～4任意一项所述掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将磷石膏、矿渣、硅灰、石英砂和缓凝剂充分混合，均匀搅拌120～180s，制得干料混合物；
S2.将碱激发剂、水与磷酸混合，充分搅拌30～60s，制得减水剂溶液；
S3.将S2制得的减水剂溶液倒入到干料混合物中，充分搅拌2～3min，得到所述掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆。
6.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述磷石膏经过烘干处理，烘干温度为100℃～110℃。
7.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述磷石膏粒度≤150目。
8.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述烘干后的磷石膏粒度为150～200目。
9.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，步骤S3所述搅拌时间为3min。
10.权利要求1～4任意一项所述掺入磷石膏的低水胶比矿渣地聚物砂浆在制备建筑材料中的应用。
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