CN117326828A - 基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料及其制备方法。该制备方法包括以下步骤：将氧化钙、氢氧化钙、磷酸铝混合均匀，得到复配激发剂；将燃煤渣、废旧聚丙烯纤维与复配激发剂混合均匀，得到混合料；将混合料进行粉磨，得到前驱粉体；将前驱粉体与水混合均匀，得到净浆；将净浆进行成型养护，得到固化成型的胶凝材料。本发明通过利用机械粉磨作用于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维，使多孔燃煤渣和尺度不均、难分散的废旧聚丙烯纤维在机械力的作用下被挤压、充填进燃煤渣的多孔结构中，在不进行任何改性处理的基础上，实现了两种固体废弃物的均匀混合、填补。本发明制备的胶凝材料抗压强度、抗渗性以及湿润环境下稳定性良好。
Description
技术领域
本发明涉及胶凝材料的制备技术领域，尤其是涉及一种基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料及其制备方法。
背景技术
地聚合物是以SiO2和Al2O3为主要化学成分的胶凝材料，利用碱激发的方式制备，形成具有三维网状结构的胶凝材料，常用于建材行业对高CO2排放的水泥进行优化替代。常见的地聚合物制备技术都需要常温养护甚至高温养护，如中国专利CN202211698448.6需要55～65℃的养护温度，中国专利CN202310527147.5需要常温养护。低温环境下由于热量的缺乏地聚合反应很难进行，这极大程度限制了地聚合物在高山高原及北方寒冷地区等低寒气候下的应用发展。
地聚合物的原材料随着相关技术的发展已经逐渐扩展到包括矿渣、粉煤灰、脱硫石膏和垃圾焚烧飞灰等在内的工业废弃物，但这些原材料相对而言活性硅铝组分较高。目前，对燃煤渣等经过高温烧结的低活性产物在地聚合物制备技术中的应用仍是一大难题。燃煤渣为工业燃煤锅炉行业中煤在燃煤锅炉中燃烧后残余的废渣。这种大宗固体废弃物由于经过高温煅烧，活性很低，通常的处理方式是作填充土壤、道路基层和填埋场的材料，以改善土壤的稳定性和抗压能力。此外，燃煤渣的硅铝组分被固定在石英、莫来石等晶格当中，在高温下尚需大量强碱激发剂溶解其中的硅铝组分，在低温环境下的综合利用更需要突破技术难点。因此，需要寻求一种在低寒气候实现燃煤渣的大规模利用的方法。此外，燃煤渣含有大量的硅铝组分，这使得它有成为地聚合物原材料的潜力。但其由于多孔质脆的特性使其需要长时间的粉磨才能实现原料颗粒结构孔隙的降低，制备的地聚合物在微观结构上往往含有大量孔隙导致在湿润环境下抗压强度容易受到显著破坏。
废旧聚丙烯纤维包括聚丙烯长丝生产过程中的废料(如过渡丝等)、化工厂生产聚丙烯的过程中产生5％-10％非结晶性无规聚丙烯副产物、废旧编织袋二次回收制备的纤维等。废旧聚丙烯存量大、回收率低、资源浪费严重。同时，聚丙烯纤维不亲水，在混凝土中分散不好、与混凝土结合不强，一般需要高成本对其表面进行改性处理，这就限制了聚丙烯纤维的推广使用。针对废旧聚丙烯纤维这种杂质含量高、性能不稳定、尺寸复杂的固体废弃物的利用更为困难。中国专利CN 202211596834.4中通过利用纤维作为防裂增强剂，仅利用了其韧性来抑制地聚合物材料因收缩而引起的开裂，对于纤维难以均匀分散的问题也仍未解决，相比于物理性能较差且更难利用的废旧纤维也更不适用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料及其制备方法，解决现有技术中燃煤渣基地聚合物在湿润环境下抗压强度容易受到显著破坏的技术问题。
第一方面，本发明提供一种基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
配制化学药剂：将氧化钙、氢氧化钙、磷酸铝按比例混合均匀，得到复配激发剂；
混合原料：将燃煤渣、废旧聚丙烯纤维与复配激发剂混合均匀，得到混合料；
机械粉磨：将混合料进行粉磨，得到前驱粉体；
制备净浆：将前驱粉体与水混合均匀，得到净浆；
成型养护：将净浆进行成型养护，得到固化成型的基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料。
第二方面，本发明提供一种基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料，该基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料通过本发明第一方面提供的基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料的制备方法得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
本发明通过利用机械粉磨作用于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维，使多孔燃煤渣和尺度不均、难分散的废旧聚丙烯纤维在机械力的作用下被挤压、充填进燃煤渣的多孔结构中，在不进行任何改性处理的基础上，实现了两种固体废弃物的均匀混合、填补。本发明具有简便安全、成本低、能耗较小、固废利用率高、环境友好以及适应性强的特点；本发明制备的胶凝材料抗压强度、抗渗性以及湿润环境下稳定性良好。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了克服燃煤渣和废旧聚丙烯纤维两种固体废弃物各自的缺陷，本发明通过机械粉磨的方式实现“自镶嵌分散体系”，解决了燃煤渣颗粒结构缺陷大和废旧聚丙烯纤维分散不均的问题。
基于此，提出本发明。
第一方面，本发明提供一种基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、配制化学药剂：将氧化钙K1、氢氧化钙K2、磷酸铝K3按比例混合均匀，得到复配激发剂A；
S2、混合原料：将燃煤渣、废旧聚丙烯纤维与复配激发剂A混合均匀，得到混合料B；
S3、机械粉磨：将混合料B进行粉磨，得到前驱粉体；
S4、制备净浆：将前驱粉体与水混合均匀，得到净浆；
S5、成型养护：将净浆进行成型养护，得到固化成型的基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料。
本发明中，燃煤渣起到提供硅铝原料反应形成胶凝材料的作用，聚丙烯纤维针对地聚合物起到填充、减少微观缺陷的作用，上述两种固体废弃物的引入能够实现缺陷互补。本发明通过燃煤渣和废旧聚丙烯纤维两种固体废弃物的协同利用，实现两种固废的缺陷互补，并使得制备的地聚合物结构更加致密，针对燃煤渣多孔质脆以及聚丙烯纤维纤细多尺寸的特点，在磨矿阶段利用机械力作用将纤维镶嵌到燃煤渣颗粒中形成“自镶嵌分散体系”，既可以快速减少颗粒孔隙也可以实现纤维的高度分散，解决了燃煤渣粉磨时间长、纤维在混凝土中分散不好、易团聚的问题。
在本发明的一些具体实施方式中，燃煤渣的主要化学成分是：CO2烧失量为4wt％～10wt％，SiO2含量为43wt％～64wt％，Al2O3含量为20wt％～40wt％，Fe2O3含量为2wt％～6wt％，CaO含量为1wt％～3wt％；燃煤渣的初始粒径为5目及以下。
本发明中，按重量百分比计，复配激发剂A由以下组分组成：氧化钙30％～60％、氢氧化钙20％～50％、磷酸铝5％～30％。
本发明进一步利用联合钙激发的方式促进低寒气候下硅铝组分的溶出与聚合。发明人在试验过程中发现，传统氢氧化钠激发会在发生反应的瞬间释放大量热量，在低寒气候下不具备可持续性且会造成大量损耗，早期易发生开裂和鼓胀现象。而通过氢氧化钙和磷酸铝对氧化钙放热反应的抑制性可以有效调控过程中的反应热，使得地聚合反应能够在低温环境下持续进行，为地聚合物在低寒气候下的应用提供了发展方向。本发明在多钙体系下对燃煤渣进行化学激发，氧化钙与氢氧化钙作为化学反应的启动因子可以为化学反应的发生提供有利环境，使用磷酸铝和氢氧化钙作为调控剂，一方面能够减缓凝固速率，防止出现过早硬化、鼓胀和开裂等现象，另一方面在低寒环境中可以有效减缓其热量损失，保证地聚合反应所需的热量是持续被释放利用，而且保障对地聚合反应不会受到磷酸铝的负面影响。这种多组分的协同激发作用，丰富了凝胶相的数量与种类，并抑制钙化产生的负面效应，保证了反应热的持续供应。
本发明所用化学药剂中各组分在体系中具体作用为：
氧化钙：氧化钙在地聚合水化过程中会放出热量，这种热量不仅推动了反应的进行，而且保证了低寒气候下所需反应热的供给；同时氧化钙与水反应形成的氢氧化钙在溶解时使水溶液呈碱性，可以加速燃煤渣中活性硅铝组分的溶出；氢氧化钙同时也具有一定的胶凝性质，为整体强度的提升增加了更多有用的化学组分和结构组分；钙离子的引入可以生成水化产物(C-S-H或C-(A)-S-H凝胶)，使得早期强度迅速攀升。同时钙离子为聚合度更高的地聚合反应产物(N-A-S-H凝胶)的形成提供成核位点，使得地聚合物的早期强度、抗冻性、吸水性、耐腐蚀性等性能得到进一步的提升。
氢氧化钙：在钙激发过程中，氢氧化钙是其中一个主要的水化产物，这种水化产物可以促进地聚合物早期强度的发展。同时氢氧化钙也是氧化钙放热反应的主要产物，加入氢氧化钙可以抑制氧化钙放热反应，同时氢氧化钙在地聚合反应中与活性硅铝组分相结合逐渐消耗，使得氧化钙放热反应的持续正向进行，补充了新的氢氧化钙和热量，保证了低寒气候下地聚合反应的稳定进行，因而实现了反应过程热量的持续性而不是瞬时放出造成的损耗。同时，氢氧化钙可根据环境温度的不同来替换氧化钙，防止出现热量过高引起地聚合物材料出现膨胀、开裂等负面现象。氢氧化钙有强碱性，可以促进其他矿物质的反应，影响其化学性质和性能，加速地聚合物的早期强度发展。在地聚合物硬化的早期阶段，氢氧化钙通过与矿物和水产生化学反应，形成硬化产物，增强地聚合物砂浆的强度。适当的pH值还可以影响砂浆中其他添加剂和成分的活性。
磷酸铝：钙源的大量引入使得浆料的和易性显著降低，导致C-S-H凝胶的水化速率失控，大量包裹体产生阻碍了后期地聚合反应的进行，磷酸铝在其中可以作为地聚合物反应过程的调控剂，一方面能够减缓凝固速率，防止出现过早硬化、鼓胀和开裂等现象。另一方面磷酸铝在低温环境中可以有效减缓其热量的快速损失，保证地聚合反应所需热量的持续供给。磷酸铝的水解会使溶液偏碱性，为可溶性硅铝成分的溶解提供有利环境；在磷酸铝的作用下，铝硅酸盐前驱体也可以被聚合生成Si-Al-P凝胶，同时可以与组分中的钙源进行聚合反应形成更为复杂的凝胶相。磷酸铝可以作为地聚合物吸水性能的调控剂，调整其吸水速度、吸水量和保水能力，这样就进一步改善了氧化钙吸水放热的速度不会出现局部温度过高以及热量迅速产生并散失到环境中去的弊端。此外，磷酸铝的添加可以增强地聚合物凝胶的稳定性和持久性，磷酸铝与地聚合物中的聚合物链相互作用，形成交联结构，增强了凝胶的结构稳定性，防止其脱水或分解；磷酸根的引入使地聚合物具有更光滑、更致密的凝胶结构和低泛霜性、低介电损耗的优点，显著提高了胶凝材料的应用性能。
在本发明的一些具体实施方式中，复配激发剂A中，氧化钙与氢氧化钙的质量比为1：(0.4～1.5)。该过程中，可以通过调节氧化钙与氢氧化钙的质量比来适应不同温度的低寒气候，氧化钙所占比例随环境温度的降低而升高。
在本发明的一些更具体实施方式中，复配激发剂A中，氧化钙与氢氧化钙的质量比为1：(0.6～1)。
在本发明的一些更具体实施方式中，按重量百分比计，复配激发剂A由以下组分组成：氧化钙40％～50％、氢氧化钙30％～40％、磷酸铝10％～20％。
本发明中，按重量百分比计，混合料B包括以下组分：燃煤渣70％～80％、废旧聚丙烯纤维1％～6％、复配激发剂A18％～25％。
在本发明的一些具体实施方式中，按重量百分比计，混合料B包括以下组分：燃煤渣73％～76％、废旧聚丙烯纤维2％～6％、复配激发剂A20％～23％。
本发明中，水与前驱粉体的液固比为0.28～0.41mL：1g，优选为0.30～0.35mL：1g。
本发明中，前驱粉体的D90粒径为300目及以下。
在本发明的一些具体实施方式中，粉磨时间为2～4min。
本发明中，成型的方式为：将净浆浇注到模具中振动成型。
本发明中，养护的方式为：将装有振动成型后试样的模具密封后，养护18～24h后脱模，随后继续密封养护至规定期龄，得到固化成型的基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料。
在本发明的一些优选实施方式中，规定期龄为7～28天。
本发明方法所指的低寒气候不仅包括环境温度，还包含所处环境下介质的温度，即在相应的低温水介质中也可适用。
在本发明的一些具体实施方式中，水介质及养护温度不低于0℃，避免水出现凝固，更具体为5～15℃。
第二方面，本发明提供一种基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料，该基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料通过本发明第一方面提供的基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料的制备方法得到。
为避免赘述，现将本发明以下各实施例和对比例中所涉及部分原料的统一描述如下：
燃煤渣是指工业燃煤锅炉行业中煤在燃煤锅炉中燃烧后残余的废渣，主要化学成分是：CO2烧失量为6.684wt％，SiO2含量为53.976wt％，Al2O3含量为30.310wt％，Fe2O3含量为4.204wt％，CaO含量为1.769wt％。
废旧聚丙烯纤维包括聚丙烯长丝生产过程中的废料(如过渡丝等)、从化工厂生产聚丙烯的过程中，产生5％-10％非结晶性无规聚丙烯副产物、废旧编织袋二次回收制备的纤维等，直径大致在10～50μm之间，长度在30～150mm不等。
实施例1
实施例1提供了一种基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)配制化学药剂：将氧化钙K1、氢氧化钙K2、磷酸铝K3按m(氧化钙)：m(氢氧化钙)：m(磷酸铝)＝3：2：1混合均匀，配制成复配激发剂A；
(2)混合原料：将燃煤渣(初始粒径为5目以下)和废旧聚丙烯纤维放在烘箱中，烘至质量不再变化，冷却至室温后按m(燃煤渣)：m(废旧聚丙烯纤维)：m(复配激发剂A)＝3.4：0.1：1混合均匀得到混合料B；
(3)机械粉磨：混合料B放入振磨机中粉磨3min至D90粒径小于300目，得到前驱粉体；
(4)制备净浆：向上述前驱粉体中加入5℃的水，搅拌均匀，得到净浆；其中水的体积(mL)与前驱粉体的质量(g)比为0.30；
(5)成型养护：将上述净浆浇注到模具中振动成型，得到试样，随后将振动成型后的试样用自封袋密封后在5℃的温度下养护24h后脱模，脱模后继续密封在5℃的环境温度中养护至第28天，即可得到固化成型的胶凝材料。
实施例2
实施例2提供了一种基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)配制化学药剂：将氧化钙K1、氢氧化钙K2、磷酸铝K3按m(氧化钙)：m(氢氧化钙)：m(磷酸铝)＝3：2：1混合均匀，配制成复配激发剂A；
(2)混合原料：将燃煤渣(初始粒径为5目以下)和废旧聚丙烯纤维放在烘箱中，烘至质量不再变化，冷却至室温后按m(燃煤渣)：m(废旧聚丙烯纤维)：m(复配激发剂A)＝3.4：0.2：1混合均匀得到混合料B；
(3)机械粉磨：混合料B放入振磨机中粉磨3min至D90粒径小于300目，得到前驱粉体；
(4)制备净浆：向上述前驱粉体中加入5℃的水，搅拌均匀，得到净浆；其中水的体积(mL)与前驱粉体的质量(g)比为0.34；
(5)成型养护：将上述净浆浇注到模具中振动成型，得到试样，随后将振动成型后的试样用自封袋密封后在5℃的温度下养护24h后脱模，脱模后继续密封在5℃的环境温度中养护至第28天，即可得到固化成型的胶凝材料。
实施例3
实施例3提供了一种基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)配制化学药剂：将氧化钙K1、氢氧化钙K2、磷酸铝K3按m(氧化钙)：m(氢氧化钙)：m(磷酸铝)＝2：2：1混合均匀，配制成复配激发剂A；
(2)混合原料：将燃煤渣(初始粒径为5目以下)和废旧聚丙烯纤维放在烘箱中，烘至质量不再变化，冷却至室温后按m(燃煤渣)：m(废旧聚丙烯纤维)：m(复配激发剂A)＝3.5：0.2：1混合均匀得到混合料B；
(3)机械粉磨：混合料B放入振磨机中粉磨3min至D90粒径小于300目，得到前驱粉体；
(4)制备净浆：向上述前驱粉体中加入15℃的水，搅拌均匀，得到净浆；其中水的体积(mL)与前驱粉体的质量(g)比为0.32；
(5)成型养护：将上述净浆浇注到模具中振动成型，得到试样，随后将振动成型后的试样用自封袋密封后在15℃的温度下养护24h后脱模，脱模后继续密封在15℃的环境温度中养护至第28天，即可得到固化成型的胶凝材料。
对比例1
对比例1与实施例1相比，区别仅在于复配激发剂A中各组分含量不一致，具体如下：
配制化学药剂：将氧化钙K1、氢氧化钙K2、磷酸铝K3按m(氧化钙)：m(氢氧化钙)：m(磷酸铝)＝0：2：1混合均匀，配制成复配激发剂A。
对比例2
对比例2与实施例1相比，区别仅在于复配激发剂A中各组分含量不一致，具体如下：
配制化学药剂：将氧化钙K1、氢氧化钙K2、磷酸铝K3按m(氧化钙)：m(氢氧化钙)：m(磷酸铝)＝10：2：1混合均匀，配制成复配激发剂A。
对比例3
对比例3与实施例1相比，区别仅在于复配激发剂A中各组分含量不一致，具体如下：
配制化学药剂：将氧化钙K1、氢氧化钙K2、磷酸铝K3按m(氧化钙)：m(氢氧化钙)：m(磷酸铝)＝3：0：1混合均匀，配制成复配激发剂A。
对比例4
对比例4与实施例1相比，区别仅在于复配激发剂A中各组分含量不一致，具体如下：
配制化学药剂：将氧化钙K1、氢氧化钙K2、磷酸铝K3按m(氧化钙)：m(氢氧化钙)：m(磷酸铝)＝3：10：1混合均匀，配制成复配激发剂A。
对比例5
对比例5与实施例1相比，区别仅在于复配激发剂A中各组分含量不一致，具体如下：
配制化学药剂：将氧化钙K1、氢氧化钙K2、磷酸铝K3按m(氧化钙)：m(氢氧化钙)：m(磷酸铝)＝3：2：0混合均匀，配制成复配激发剂A。
对比例6
对比例6与实施例1相比，区别仅在于复配激发剂A中各组分含量不一致，具体如下：
配制化学药剂：将氧化钙K1、氢氧化钙K2、磷酸铝K3按m(氧化钙)：m(氢氧化钙)：m(磷酸铝)＝3：2：10混合均匀，配制成复配激发剂A。
对比例7
对比例7与实施例1相比，区别仅在于复配激发剂A中用氢氧化钠替代实施例1中的氧化钙，具体如下：
配制化学药剂：将氢氧化钠K4、氢氧化钙K2、磷酸铝K3按m(氢氧化钠)：m(氢氧化钙)：m(磷酸铝)＝3：2：1混合均匀，配制成复配激发剂A。
对比例8
对比例8与实施例1相比，区别仅在于混合料B中各组分配比不一样，具体如下：
混合原料：将燃煤渣(初始粒径为5目以下)和废旧聚丙烯纤维放在烘箱中，烘至质量不再变化，冷却至室温后按m(燃煤渣)：m(废旧聚丙烯纤维)：m(复配激发剂A)＝5：0.1：1混合均匀得到混合料B。
对比例9
对比例9与实施例1相比，区别仅在于混合料B中各组分配比不一样，具体如下：
混合原料：将燃煤渣(初始粒径为5目以下)和废旧聚丙烯纤维放在烘箱中，烘至质量不再变化，冷却至室温后按m(燃煤渣)：m(废旧聚丙烯纤维)：m(复配激发剂A)＝2：0.1：1混合均匀得到混合料B。
对比例10
对比例10与实施例1相比，区别仅在于混合料B中各组分配比不一样，具体如下：
混合原料：将燃煤渣(初始粒径为5目以下)和废旧聚丙烯纤维放在烘箱中，烘至质量不再变化，冷却至室温后按m(燃煤渣)：m(废旧聚丙烯纤维)：m(复配激发剂A)＝3.4：1：1混合均匀得到混合料B。
对比例11
对比例11与实施例1相比，区别仅在于混合料B中各组分配比不一样，具体如下：
混合原料：将燃煤渣(初始粒径为5目以下)和废旧聚丙烯纤维放在烘箱中，烘至质量不再变化，冷却至室温后按m(燃煤渣)：m(废旧聚丙烯纤维)：m(复配激发剂A)＝3.4：0：1混合均匀得到混合料B。
对比例12
对比例12与实施例1相比，区别仅在于，制备净浆的水温及成型养护的环境温度不同，具体如下：
制备净浆：向前驱粉体中加入35℃的水，搅拌均匀，得到净浆；其中水的体积(mL)与前驱粉体的质量(g)比为0.32；
成型养护：将上述净浆浇注到模具中振动成型，得到试样，随后将振动成型后的试样用自封袋密封后在35℃的温度下养护24h后脱模，脱模后继续密封在35℃的环境温度下养护至第28天，即可得到固化成型的胶凝材料。
对比例13
对比例13与实施例1相比，区别仅在于，废旧聚丙烯纤维不参与机械粉磨，而是在制备净浆阶段与水同时加入并搅拌，具体如下：
混合原料：将燃煤渣(初始粒径为5目以下)放在烘箱中，烘至质量不再变化，冷却至室温后按m(燃煤渣)：m(复配激发剂A)＝3.4：1混合均匀得到混合料B；
机械粉磨：混合料B放入振磨机中粉磨3min至D90粒径小于200目，得到前驱粉体；
制备净浆：向上述前驱粉体中加入废旧聚丙烯纤维(m(废旧聚丙烯纤维)：m(复配激发剂A)＝0.2：1)和5℃的水，搅拌均匀，得到净浆；其中水的体积(mL)与前驱粉体和废旧聚丙烯纤维的总质量(g)的比为0.34。
试验组
采用《GB 175-2007通用硅酸盐水泥》、《GB 50164-2011混凝土质量控制标准》中规定的测试标准对上述实施例1～3及对比例1～13所得基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维基胶凝材料进行性能测试，结果见表1。
表1
通过表1的数据可以看出，采用本发明实施例1～3中的方法，均能在低寒气候下制备出基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料，且制备出的胶凝材料具有良好的抗压强度和较低的干湿强度变化率，可以适用于低寒气候下建筑胶凝材料的应用。
与实施例1对比，对比例1中复配激发剂A未掺氧化钙的试样抗压强度下降明显。这是因为氧化钙是激发剂的主体，仅靠着氢氧化钙及磷酸铝的作用，一方面不能提供足够的碱性环境使得燃煤渣中的硅铝组分溶解，另一方面氧化钙的缺失导致其热量供应不足，在低寒气候中很难发生水化反应，提供强度的凝胶结构无法形成，材料的抗压强度几乎全部丧失。对比例2中复配激发剂A掺入过量氧化钙的试样抗压强度明显下降。这是因为氧化钙过量掺入虽然可以提高早期地聚合反应程度，但过快的反应速率以及局部反应热过高导致胶凝材料存在大量的孔洞与结构缺陷，使得地聚合物的强度出现明显的下降。在低寒气候下后期的养护中还表现出不适应性，即胶凝材料的孔洞、裂痕进一步扩张导致试样易开裂。
与实施例1对比，对比例3中复配激发剂A未掺氢氧化钙的试样抗压强度有所下降。氢氧化钙本身就是一种水化产物，具有一定的胶凝性质，能够有效促进地聚合物钙激发体系早期强度的发展。氢氧化钙的缺失使得反应环境碱性降低，生成的水化产物减少从而使得反应产物的抗压强度降低。对比例4中复配激发剂A过量掺入氢氧化钙的试样抗压强度下降明显，在引入的钙离子一定的条件下，过量掺入氢氧化钙会导致氧化钙相对含量直线下降，而在低寒气候下没有氧化钙的持续放热，各种化学反应难以进行，制备的地聚合物性能较差。
与实施例1对比，对比例5中复配激发剂A未掺磷酸铝的试样，在脱模过程中就出现了明显的裂纹，强度测试的结果也表明试样抗压能力较弱。磷酸铝的缺失导致氧化钙在早期的放热反应中缺少调控，早期水化反应过于迅速，热量损失大，在低寒气候下易出现过早硬化使地聚合物反应提前终止和开裂的现象。同时磷酸铝的缺失使得水化产物向C-S-H凝胶变化，缺乏更致密的凝胶结构，其稳定性降低。对比例6中复配激发剂A过量掺入磷酸铝，氧化钙和氢氧化钙作为主要起激发作用的成分大量减少，仅靠盐类调控剂磷酸铝难以启动地聚合反应的发生，因而其抗压强度急剧下降。
与实施例1相比，对比例7中的复配激发剂A使用氢氧化钠对氧化钙进行替代，有很明显的泛霜现象产生。此外，传统的氢氧化钠在低寒气候下激发得到的试样抗压强度明显不足，这是由于低温下抑制了地聚合反应的发生与持续进行。
与实施例1相比，对比例8中显著增加燃煤渣与复配激发剂A的配比。这使得复配激发剂A的相对用量不足，大量燃煤渣无法得到激发，活性硅铝组分未能溶出，生成的凝胶产物大量减少。对比例9中显著减少燃煤渣与复配激发剂A的配比。这使得被激发的燃煤渣原料显著减少，可以形成的活性硅铝组分明显不足。生成的胶凝产物减少的同时复配激发剂A浓度过高使得地聚合物缺陷较多，从而影响地聚合物的性能。
与实施例1相比，对比例10中显著降低了燃煤渣与废旧聚丙烯纤维的配比，这使得废旧聚丙烯纤维的相对用量过多，超过机械粉磨时能产生的“自镶嵌分散”的需求量，因此多的废旧聚丙烯在试样内部出现局部聚集分散不均的情况影响了试样的抗压强度。对比例11中未掺加废旧聚丙烯纤维，这使得地聚合物的致密性下降，生成的试样抗压强度出现轻微降低。值得注意的是，在干湿强度的性能上劣化显著，浸湿后的地聚合物试样抗压强度减少了15％，微观结构缺陷的增多导致的大量水分可以深入试样内部产生破坏作用。
与实施例1相比，对比例12中制备净浆的水温及成型养护的环境温度由5℃进一步提高到35℃，环境温度的提高理论上更适合地聚合物反应的进行，但是由于氧化钙的掺加量并未对应做出调整，导致局部温度过高，试样出现明显的开裂、鼓包等结构缺陷，因此制备得到的胶凝材料抗压强度反而出现明显下降。
与实施例1相比，对比例13中将废旧聚丙烯纤维和水一起加入搅拌，在不参与机械粉磨的条件下，出现了明显的不亲水、分散性差的特征，在养护后制得的地聚合物内部切面上也可以观察到废旧聚丙烯纤维聚集的现象，因此制备得到的胶凝材料抗压强度出现明显下降。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明以燃煤渣和废旧聚丙烯纤维为原料制备胶凝材料，能够大规模对燃煤渣和废旧聚丙烯纤维这两种固废进行高效资源化利用，减少废弃物的排放和对自然资源的依赖。同时可以降低燃煤渣和废旧聚丙烯纤维对环境的潜在危害，将有害物质固化在胶凝材料中，减少其对环境的释放风险。无需煅烧或者高温养护，使用环境友好的化学反应代替传统的物理过程，从而降低了制备过程的能源消耗。
(2)本发明在机械粉磨阶段成功克服两种固体废物原料各自的缺陷，包括燃煤渣的多孔质脆以及废旧聚丙烯纤维的杂质含量高、性能不稳定、尺寸复杂。在短时间的粉磨过程中由于废旧聚丙烯纤维的纤细及尺寸多样的特性使其很容易镶嵌到燃煤渣颗粒的孔洞中，然后在机械力的高强度挤压下被固定分散在燃煤渣的粉末中。使废旧聚丙烯纤维在不通过任何改性剂和预处理的条件下实现均匀分布的同时，减少了燃煤渣的结构缺陷。显著提高磨矿效果和地聚合物试样的致密程度并降低生产成本。
(3)本发明配制的复配激发剂A，可以有效提高反应活性，在地聚合反应中发挥各组分之间的互补作用，协同活化、相互配合，使得反应过程能够被准确调控，得到更理想的胶凝材料的品质和性能。复配激发剂A溶解后的碱性环境，有助于活性硅铝组分的溶出，形成复杂多相的水化产物。氧化钙的水化反应放热加速凝胶相在低寒气候中的形成，磷酸铝能防止水化速率失控，延缓热量损失，同时防止过早硬化和优化凝胶结构，氢氧化钙在与磷酸铝协同抑制氧化钙水化放热的同时，还兼具提供钙离子和碱性环境的作用，避免地聚合反应被磷酸铝抑制，同时可以根据环境温度实现最优复配激发剂A的快速调节。
(4)本发明使用燃煤渣在低寒气候下制备出的胶凝材料的抗压强度达到《GB 175-2007通用硅酸盐水泥》中规定的32.5R等级，对地聚合物材料在低寒气候中的应用提供了新的思路，拓宽了地聚合物作为水泥替代材料的应用场景。
(5)本发明制备出的基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料，能够适用于低寒气候下建筑材料的简单制备及快速成型，可以根据环境温度调控复合激发剂的配比及用量以达到工业要求，通过调节复配激发剂A比例可以促进低寒气候下地聚合反应的快速启动和持续进行。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
配制化学药剂：将氧化钙、氢氧化钙、磷酸铝按比例混合均匀，得到复配激发剂；
混合原料：将燃煤渣、废旧聚丙烯纤维与所述复配激发剂混合均匀，得到混合料；
机械粉磨：将所述混合料进行粉磨，得到前驱粉体；
制备净浆：将所述前驱粉体与水混合均匀，得到净浆；
成型养护：将所述净浆进行成型养护，得到固化成型的基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料。
2.根据权利要求1所述基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料的制备方法，其特征在于，按重量百分比计，所述复配激发剂由以下组分组成：氧化钙30％～60％、氢氧化钙20％～50％、磷酸铝5％～30％。
3.根据权利要求1所述基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料的制备方法，其特征在于，按重量百分比计，所述复配激发剂由以下组分组成：氧化钙40％～50％、氢氧化钙30％～40％、磷酸铝10％～20％。
4.根据权利要求1所述基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料的制备方法，其特征在于，按重量百分比计，所述混合料包括以下组分：燃煤渣70％～80％、废旧聚丙烯纤维1％～6％、复配激发剂18％～25％。
5.根据权利要求1所述基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料的制备方法，其特征在于，所述水与前驱粉体的液固比为0.28～0.41mL：1g。
6.根据权利要求1所述基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料的制备方法，其特征在于，所述前驱粉体的D90粒径为300目及以下。
7.根据权利要求1所述基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料的制备方法，其特征在于，所述燃煤渣的主要化学成分是：CO2烧失量为4wt％～10wt％，SiO2含量为43wt％～64wt％，Al2O3含量为20wt％～40wt％，Fe2O3含量为2wt％～6wt％，CaO含量为1wt％～3wt％；所述燃煤渣的初始粒径为5目及以下。
8.根据权利要求1所述基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料的制备方法，其特征在于，所述粉磨的时间为2～4min；所述成型的方式为：将净浆浇注到模具中振动成型；所述养护的方式为：将装有振动成型后试样的模具密封后，养护18～24h后脱模，随后继续密封养护至规定期龄，得到固化成型的基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料。
9.根据权利要求1所述基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料的制备方法，其特征在于，水及养护温度不低于0℃。
10.一种基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料，其特征在于，所述基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料通过权利要求1～9中任一项所述基于燃煤渣和废旧聚丙烯纤维的胶凝材料的制备方法得到。
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