CN116986857A - 高强抗裂型钢渣基地聚物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其是涉及一种高强抗裂型钢渣基地聚物及其制备方法。通过向钢渣基地聚物中引入特殊工艺制备的具有高分散性的微纳米级石英粉配合高分散性微米级SAP，提高室温养护条件下钢渣基地聚物的力学性能和抗裂效果。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其是涉及一种高强抗裂型钢渣基地聚物及其制备方法。
背景技术
目前，水泥已成为建筑业用量最大的胶凝材料，伴随着生产需求的日益增加，生产过程中的高污染高能耗问题也日益严重。
随着生态环境保护意识的提高，建筑业胶凝材料应追求绿色环保，低碳排放的发展理念。
从原料的角度出发，采用钢渣作为胶凝材料可实现利用工业固体废弃物、减少水泥用量、降低碳排放的目的。
钢渣基地聚物的利用有助于实现节能减排，加快工业废料的循环利用，也有助于实现我国建筑行业的绿色发展。
钢渣基地聚物是以钢渣等富含硅铝物质为主要原料，虽自身具有水硬性，在碱性激发剂作用下可激发活性。
但是，室温养护下钢渣的聚合反应速度很缓慢，导致钢渣基地聚物的力学性能较差，这限制了钢渣在固废基地聚物中的大量应用，并且，在提高钢渣基地聚物力学性能的同时，其抗裂性并未得到保障，前期发明人对添加SAP的地聚物进行了研究，但在增强力学性能方面仍有加强空间。
文献1（杨永民,李兆恒,张同生,等.活性氧化镁补偿无机聚合物浆体收缩的作用机制[J].华南理工大学学报(自然科学版),2017,45(09):102-109.）公布了一种提高地聚物力学性能，降低自收缩的方法。
该方法向聚合物中引入活性MgO，通过生成蠕虫状的Mg(OH)2，产生均匀微膨胀，达到补偿浆体收缩的目的。
同时，活性MgO的加入也使得地聚物的孔径细化，基体密实程度提高，从而提升地聚物的力学性能。
文献2（孙鹏,吴宇,汪远波.玄武岩纤维增强地质聚合物性能的研究[J].工程与建设,2021,35(01):143-147.）公布了一种玄武岩纤维增强地聚物力学性能和降低自收缩的方法。
该方法是向偏高岭土中加入玄武岩纤维，由于玄武岩纤维具有较高的抗拉强度和弹性模量，在地聚物中与基体紧密结合，阻碍了裂缝的产生和发展，提高了力学性能。
同时，玄武岩纤维也在一定程度上阻塞毛细孔，降低了毛细孔的连通性，增强水分迁移的难度，从而降低了地聚物的自收缩。
上述技术的不足在于：
（1）文献1中活性MgO的掺量在一定范围内才能提升地聚物的力学性能和体积稳定性，并且其提高程度有限。
虽然活性MgO拥有高活性，低细度的特性，但只有在凝胶大量生成并形成胶凝骨架后，活性MgO才会对地聚物进行收缩补偿。
由于早期活性MgO反应速度低于地质聚合反应速度，导致地聚物仍会产生收缩甚至开裂，同时这也是活性MgO使地聚物力学性能早期提高，后期倒缩的原因。
此外，制备地聚物时需根据实际环境对活性MgO进行充分分散，使其均匀分布，否则会导致活性MgO团聚，进而在地聚物基体中形成孔洞，造成基体的微观结构不致密，同样不利于地聚物力学性能的后期发展。
（2）文献2中在地聚物配置过程中，随着玄武岩纤维长度的增加，地聚物的力学性能提高，自收缩降低，但地聚物基体的性能并没有提升。
若地聚物抗拉强度低于玄武岩纤维抗拉强度，在一定拉力条件下玄武岩纤维还未屈服，地聚物的基体便会出现裂缝甚至破坏。
此外，添加纤维的方式对偏高岭土基地聚物力学性能的提升程度非常有限。
同时，玄武岩纤维大量存在会产生纤维聚集，使其不能在基体中均匀分散。
虽然搅拌前会对玄武岩纤维进行分散处理，但受其纤维长度的影响，搅拌过程中容易结团，从而使基体密度的降低；同时也会使地聚物的工作性降低，不利于早期强度发展。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种高强抗裂型钢渣基地聚物，通过向钢渣基地聚物中引入特殊工艺制备的具有高分散性的微纳米级石英粉配合高分散性微米级SAP，提高室温养护条件下钢渣基地聚物的力学性能和抗裂效果。
具体的，本发明高强抗裂型钢渣基地聚物的制备方法，包括如下制备步骤：
1）将钢渣进行研磨、筛分、干燥，获得粒径50-150μm的钢渣粉，
2）按照3:1:2:14的质量比将二乙二醇、氧化锆、聚醚醇胺和水混合均匀制备助磨剂悬浮液，将助磨剂悬浮液按1-3%质量比掺入到石英砂中进行研磨，筛析，清洗，干燥，得0.1-10μm微纳米级石英粉，
3）将羟丙基甲基纤维素醚按2%质量掺量加入SAP颗粒中搅拌均匀，利用超声波气流磨研磨，利用负压筛析仪进行筛析，干燥，得50-200μm微米级SAP，
4）将调整模数后的水玻璃作为碱性激发剂，
5）按质量份将100份钢渣粉、0.5-3份微纳米石英粉和0.3-0.5份微米级SAP，加入3-5份碱性激发剂，搅拌，随后加入300-400份骨料、6-9份减水剂、0.5-1份引气剂、0.5-1份消泡剂、0.5-1份增稠剂、30-50份水，搅拌均匀，
6）将拌合物成型，表面覆盖薄膜后进行养护。
优选的，步骤1）研磨采用行星式球磨机，型号为XQM-4L，转速为3000r/min，研磨时间为60-80min。
优选的，步骤2）研磨采用行星式球磨机，型号为QM-DK12，转速为2500r/min，研磨时间为20-30min。
优选的，步骤3）SAP颗粒为聚丙烯酰胺型SAP，粒径为0.1-1mm。
优选的，步骤3）超声波气流磨型号为US-25PBS，转速24000r/min，研磨时间为30-40min。
优选的，步骤4）水玻璃模数为1.4-1.6。
优选的, 步骤5）骨料包括粗骨料和细骨料，粗骨料和细骨料质量比为2:3。
更优选的，粗骨料选用碎石，粒径为5-16mm，细骨料选用河砂，粒径为0.5-2mm，级配骨料的选取在于提升钢渣基地聚物的工作性能。
优选的，步骤5）减水剂为聚羧酸高性能减水剂。
优选的，消泡剂为有机硅消泡剂或聚乙烯醇消泡剂，引气剂为松香酸钠，增稠剂为羟丙基甲基纤维素醚。
优选的， 步骤6）采用浇筑成型，标准养护。
更优选的，所用模具尺寸为40mm×40mm×40mm，拌合物入模之前，试模内要刷一层矿物油，以便于脱模。
当钢渣基地聚物在室温下聚合反应缓慢时，影响聚合反应程度的关键因素是如何引入额外的硅源来促进C-S-H凝胶的生成。
本发明通过引入微纳米级石英粉的方法，其中微纳米级石英粉提高胶凝材料的接触面积和反应活性，使地聚物内部更多的纳米颗粒参与聚合反应，提高室温养护下地聚物中C-S-H凝胶的生成量；但在提升地聚物力学性能的同时，发现其自收缩也随之增大，于是采用引入微米级SAP作为内养护剂的方法，利用微米级SAP在地聚物中释水坍缩的特性，使地聚物的内部相对湿度得到提高，孔径细化，毛细孔压力降低，从而减小自收缩。
本发明方法操作简单易行，可对含微纳米级石英粉和微米级SAP的钢渣基地聚物的聚合产物特性进行深度设计，从而进一步提升室温养护下钢渣基地聚物的力学性能和体积稳定性。
本发明还涉及高强抗裂型钢渣基地聚物，具体的，由上述制备方法制备得到。
本发明具有以下技术优势：
1）试验方法简单，操作易行。
钢渣粉、微纳米级石英粉和微米级SAP干拌一次消除团聚，本发明采用特殊工艺制备微纳米级石英粉和微米级SAP，两者在钢渣基地聚物中具有良好分散效果，无需超声分散即可使得粉料在碱性激发剂中分布的很均匀，
2）通过湿法研磨石英砂，将二乙二醇、氧化锆和聚醚醇胺混合形成助磨剂悬浮液，将这可有效地降低研磨过程中温度的上升，减少研磨工具的磨损有利于提高研磨质量和研磨效率，同时明显降低了粉尘量，对研磨颗粒的粒度大小和分布可以更好地控制，
3）羟丙基甲基纤维素醚是一种水溶性聚合物，能与水形成胶体溶液，具有良好的保湿性能。
当HPMC与SAP一同粉磨时，可以将SAP颗粒包裹在内部，这样可以形成一种保护层，延缓SAP颗粒的水分释放速度，提高其持水能力；同时调节了SAP的释水性能。
在需要释放水分的特定时间段内，HPMC可以逐渐溶解，释放出SAP中储存的水分，有助于在内养护过程中保持适当的湿度水平，从而进一步提升室温养护下钢渣基地聚物的力学性能和体积稳定性，同时可提高SAP在钢渣基地聚物中的分散效果，
4）微纳米级石英粉和微米级SAP的可设计性强，可通过改变微纳米级石英粉和微米级SAP的粒径和掺量，对地质聚合产物的特性进行设计，进而调整不同环境下钢渣基地聚物的力学性能和体积稳定性，
5）通过添加减水剂、消泡剂和增稠剂，可调整拌合物的流动性，消除多余的气泡孔，获得兼具优异力学性能和工作性能的钢渣基地聚物。
具体实施方式
为表征本发明技术效果，制备高强抗裂型钢渣基地聚物并进行力学性能检测。
实施例1
高强抗裂型钢渣基地聚物，制备方法包括如下制备步骤：
1）将钢渣进行研磨、筛分、干燥，获得粒径50-150μm的钢渣粉，
2）按照3:1:2:14的质量比将二乙二醇、氧化锆、聚醚醇胺和水混合均匀制备助磨剂悬浮液，将助磨剂悬浮液按3%质量比掺入到石英砂中进行研磨，筛析，清洗，干燥，得0.1-10μm微纳米级石英粉，
3）将羟丙基甲基纤维素醚按2%质量掺量加入SAP颗粒中搅拌均匀，利用超声波气流磨研磨，利用负压筛析仪进行筛析，干燥，得50-200μm微米级SAP，
4）将模数1.5的水玻璃作为碱性激发剂，
5）按质量份将100份钢渣粉、3份微纳米石英粉和0.4份微米级SAP，加入4份碱性激发剂，搅拌，随后加入144份碎石、216份河砂、8份减水剂、0.6份松香酸钠、0.5份有机硅消泡剂、0.7份羟丙基甲基纤维素醚、46份水，搅拌均匀，
6）将拌合物成型，表面覆盖薄膜后进行养护。
经检测，通过湿法研磨后的微纳米级石英粉粒径为100 nm ~ 10 μm，且大多数分布在700nm到1500nm的区间内，助磨剂的添加可减少研磨工具的磨损有利于提高研磨质量和研磨效率，同时明显降低了粉尘量，研磨得到的颗粒的粒度大小和分布相较于干法研磨有很大的提升；而且羟丙基甲基纤维素醚的掺入有效和SAP相结合，在拌合物中SAP可以被包覆在HPMC的胶体溶液中，从而形成一种保水层，并控制地聚物在干燥过程中的收缩和开裂，提升养护效果，从而进一步提升室温养护下钢渣基地聚物的力学性能和体积稳定性，试件28d抗压强度为49.6MPa，28d抗折强度为5.2MPa，试件表面无微裂纹。
对比例1
与实施例1相比，区别为步骤2）不添加助磨剂悬浮液，其他条件相同。
经检测，通过干法研磨后的石英粉粒径为700nm-10μm，且大多数分布在2500nm到5500nm的区间内，研磨产生大量粉尘，内部孔隙率比湿法研磨高20%，试件28d抗压强度为35.7MPa，28d抗折强度为3.1MPa，试件表面无裂纹。
对比例2
与实施例1相比，区别为步骤2）按照3:3:14的质量比将二乙二醇、氧化锆和水混合均匀制备助磨剂悬浮液，其他条件相同。
经检测，研磨后的石英粉粒径为500nm-10μm，且大多数分布在2-5μm区间，试件28d抗压强度为30.4MPa，28d抗折强度3.7MPa，试件表面无裂纹。
对比例3
与实施例1相比，区别为步骤3）研磨过程中不添加羟丙基甲基纤维素醚，其他条件相同。
经检测，试件28d抗压强度34.3MPa，抗折强度3.1MPa，试件表面出现2条微裂纹。
SAP的添加可以带来一定吸水-释水效果，发挥内养护作用降低收缩，由于地聚物养护工程中SAP颗粒释水较快，所以没有实施例1添加HPMC的效果好。
对比例4
与实施例1相比，区别为不进行步骤2）-3），步骤5）中舍去微纳米石英粉和微米级SAP，其他条件相同。
经检测，试件28d抗压强度17.0MPa，抗折强度2.6MPa，试件表面出现较多细微裂纹。
对比例5
与实施例1相比，区别为不进行步骤3），步骤5）中舍去微米级SAP，其他条件相同。
经检测，试件28d抗压强度为32.5MPa，抗折强度3.2MPa，试件表面出现5条微裂纹。
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)
1.一种高强抗裂型钢渣基地聚物的制备方法，其特征在于,包括如下制备步骤：
1）将钢渣进行研磨、筛分、干燥，获得粒径50-150μm的钢渣粉，
2）按照3:1:2:14的质量比将二乙二醇、氧化锆、聚醚醇胺和水混合均匀制备助磨剂悬浮液，将助磨剂悬浮液按1-3%质量比掺入到石英砂中进行研磨，筛析，清洗，干燥，得0.1-10μm微纳米级石英粉，
3）将羟丙基甲基纤维素醚按2%质量掺量加入SAP颗粒中搅拌均匀，利用超声波气流磨研磨，利用负压筛析仪进行筛析，干燥，得50-200μm微米级SAP，
4）将调整模数后的水玻璃作为碱性激发剂，
5）按质量份将100份钢渣粉、0.5-3份微纳米石英粉和0.3-0.5份微米级SAP，加入3-5份碱性激发剂，搅拌，随后加入300-400份骨料、6-9份减水剂、0.5-1份引气剂、0.5-1份消泡剂、0.5-1份增稠剂、30-50份水，搅拌均匀，
6）将拌合物成型，表面覆盖薄膜后进行养护。
2.根据权利要求1所述高强抗裂型钢渣基地聚物的制备方法，其特征在于,步骤1）研磨采用行星式球磨机，转速为3000r/min，研磨时间为60-80min。
3.根据权利要求1所述高强抗裂型钢渣基地聚物的制备方法，其特征在于,步骤2）研磨采用行星式球磨机，转速为2500r/min，研磨时间为20-30min。
4.根据权利要求1所述高强抗裂型钢渣基地聚物的制备方法，其特征在于,步骤3）SAP颗粒为聚丙烯酰胺型SAP，粒径为0.1-1mm。
5.根据权利要求1所述高强抗裂型钢渣基地聚物的制备方法，其特征在于,步骤3）超声波气流磨转速24000r/min，研磨时间为30-40min。
6.根据权利要求1所述高强抗裂型钢渣基地聚物的制备方法，其特征在于, 步骤5）骨料包括粗骨料和细骨料，粗骨料和细骨料质量比为2:3。
7.根据权利要求1所述高强抗裂型钢渣基地聚物的制备方法，其特征在于,步骤5）减水剂为聚羧酸高性能减水剂。
8.根据权利要求1所述高强抗裂型钢渣基地聚物的制备方法，其特征在于,消泡剂为有机硅消泡剂或聚乙烯醇消泡剂，引气剂为松香酸钠，增稠剂为羟丙基甲基纤维素醚。
9.根据权利要求1所述高强抗裂型钢渣基地聚物的制备方法，其特征在于, 步骤6）采用浇筑成型，标准养护。
10.高强抗裂型钢渣基地聚物，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述制备方法制备得到。
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