CN117550841A - 低收缩地聚物砂浆及其制备方法和应用、低收缩地聚物养护砂浆 - Google Patents

低收缩地聚物砂浆及其制备方法和应用、低收缩地聚物养护砂浆 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低收缩地聚物砂浆及其制备方法和应用、低收缩地聚物养护砂浆，涉及胶凝材料技术领域。本发明加入红砖砂代替细骨料，利用红砖砂吸水、放水的内养护功能，减缓地聚物砂浆内部相对湿度的降低速率，改善砂浆的孔结构，有效降低砂浆的干缩，使砂浆的干缩水平降低到和传统硅酸盐砂浆一致，且抗压强度并未发生显著降低，解决了地聚物材料在工程使用中高干缩问题。此外，红砖砂的加入还可以提高该砂浆的流动性，改善地聚物砂浆的施工性能，实现废弃红砖的资源化利用，兼具环保和经济效益，对地聚物材料在工程中的应用具有重要的助推意义。

Description

低收缩地聚物砂浆及其制备方法和应用、低收缩地聚物养护 砂浆
技术领域
本发明属于胶凝材料技术领域，具体涉及一种低收缩地聚物砂浆及其制备方法和应用、低收缩地聚物养护砂浆。
背景技术
地聚物是指采用天然矿物或固体废弃物及人工硅铝化合物为原料，与碱性激发剂反应，制备的硅氧四面体与铝氧四面体三维网络聚合凝胶。地聚物胶凝材料相较于传统普通硅酸盐水泥(OPC)，具备多方面优良性能，如快凝高强、水化热低、抗渗性抗冻性好，是一种低成本、高性能的环保型胶凝材料。粉煤灰和矿渣是两种常用的地聚物胶凝材料，单独使用矿渣制备砂浆时存在凝结时间过短、和易性差不便施工等问题，粉煤灰在常温下难以硬化需高温养护，若是将二者结合起来各自的缺陷将得到有效的改善，粉煤灰/矿渣复合地聚物胶凝材料更有应用前景。然而地聚物胶凝材料制备的砂浆的干燥收缩率是OPC砂浆的1.6～3倍，阻碍了地聚物胶凝材料的广泛应用。
中国专利CN112479674A公开了一种碱激发再生红砖微粉协同矿渣基的再生混凝土，由再生红砖微粉、矿渣、粉煤灰、天然河砂、天然粗骨料、再生粗骨料、氢氧化钠固体、水玻璃、碳酸钠和水制备而成，再生红砖微粉细度达到RFP-II级及以上标准，水胶比(水的质量比上再生红砖微粉、矿渣和粉煤灰的质量和)0.40～0.52，其中水包括水玻璃中所含的水以及外加水。然而，上述碱激发材料的干缩性能差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低收缩地聚物砂浆及其制备方法和应用、低收缩地聚物养护砂浆。本发明提供的低收缩地聚物砂浆和低收缩地聚物养护砂浆的干缩性能优异。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种低收缩地聚物砂浆，以质量份数计，包括以下制备原料：胶凝材料1份，细骨料2～2.5份，碱性激发剂0.4～0.5份；
所述胶凝材料包括粉煤灰和矿渣，所述胶凝材料中粉煤灰的质量分数为20～70％；
所述细骨料包括砂子和红砖砂，所述细骨料中红砖砂的质量分数为15～25％，所述红砖砂的粒径为≤8mm，所述砂子的粒径≤4.75mm。
优选的，所述红砖砂的粒径为0.2～8mm；
所述红砖砂包括干红砖砂或浸水红砖砂；所述浸水红砖砂的含水率为18～22wt％。
优选的，所述砂子为连续级配砂。
优选的，所述粉煤灰为低钙粉煤灰，所述粉煤灰的粒径为0.3～300μm；
所述矿渣为高炉矿渣，所述矿渣的粒径为0.3～350μm。
优选的，所述碱性激发剂包括氢氧化钠、水玻璃和水；所述碱性激发剂的模数为1～1.5，碱当量为0.4～0.8。
优选的，所述低收缩地聚物砂浆的密度为1800～2200kg/m3。
本发明提供了上述技术方案所述低收缩地聚物砂浆的制备方法，包括以下步骤：将粉煤灰、矿渣、砂子、红砖砂和碱性激发剂混合，得到低收缩地聚物砂浆。
优选的，所述碱性激发剂配制完毕，先静置12～48h后再使用。
本发明提供了一种低收缩地聚物养护砂浆，由低收缩地聚物砂浆经浇筑成型后养护得到；所述低收缩地聚物砂浆为上述技术方案所述的低收缩地聚物砂浆或上述技术方案所述制备方法制得的低收缩地聚物砂浆。
本发明提供了上述技术方案所述的低收缩地聚物砂浆、上述技术方案所述制备方法制得的低收缩地聚物砂浆或上述技术方案所述的低收缩地聚物养护砂浆在建筑材料中的应用。
地聚物砂浆聚合反应消耗自由水量较低，干燥过程中大量自由水随着外界干燥蒸发，水分从凝胶孔的表面去除而体积发生收缩。本发明采用的红砖是一种多孔的材料，具有优越的吸水性和蓄水性能，在高相对湿度下可以保持水分缓慢的散失，在相对湿度降低时能够及时的释放水分。本发明将红砖砂引入地聚物砂浆，发挥内养护的作用，减缓地聚物内部相对湿度的降低速率，改善地聚物砂浆的孔结构，显著降低地聚物砂浆的干缩，有助于解决地聚物材料在工程使用中高干缩问题，对地聚物砂浆的干缩在工程中的应用有重要的助推意义。本发明利用业固废粉煤灰和矿渣替代水泥，制备绿色低聚物砂浆，可以减少对水泥材料的需求，缓解水泥资源的紧缺，减轻水泥生产过程中产生的高碳排放。利用废弃红砖来减缓地聚物砂浆的收缩，可以同时实现对工业固体废弃物和建筑垃圾的资源化利用，原料来源广泛且经济环保，对社会具有显著的环保和经济效益。
本发明通过添加水浸红砖砂能够提高砂浆的流动性，这是因为水浸红砖砂在搅拌过程中，部分储存在红砖砂中的水分，会在搅拌机旋转产生的离心力作用下从红砖砂中脱离并进入砂浆，使浆体的实际拌和水量增加，流动度提高。因此，加入红砖砂能够明显提高地聚物砂浆的流动性，改善了地聚物砂浆的施工性能。
附图说明
图1为实施例1～4和对比例1制备的地聚物砂浆的干缩性能测试结果；
图2为不同粒径的红砖砂的吸水率结果图；
图3为不同粒径的红砖砂的湿敏释水率结果图。
具体实施方式
本发明提供了一种低收缩地聚物砂浆，以质量份数计，包括以下制备原料：胶凝材料1份，细骨料2～2.5份，碱性激发剂0.4～0.5份；
所述胶凝材料包括粉煤灰和矿渣，所述胶凝材料中粉煤灰的质量分数为20～70％；
所述细骨料包括砂子和红砖砂，所述细骨料中红砖砂的质量分数为15～25％，所述红砖砂的粒径≤8mm，所述砂子的粒径≤4.75mm。
在本发明中，若无特殊说明，使用的材料和设备均为本领域市售商品。
以质量份数计，本发明提供的低收缩地聚物砂浆的制备原料包括胶凝材料1份。在本发明中，所述胶凝材料包括粉煤灰和矿渣，所述胶凝材料中粉煤灰的质量分数为20～70％，优选为50～70％，更优选为60～70％。在本发明中，所述粉煤灰优选为低钙粉煤灰，更优选为一级低钙粉煤灰；所述粉煤灰的粒径优选为0.3～300μm，在本发明中，所述矿渣优选为高炉矿渣，更优选为一级磨细粒化高炉矿渣；所述矿渣的粒径优选为0.3～350μm。
以质量份数计，本发明提供的低收缩地聚物砂浆的制备原料包括细骨料2～2.5份，优选为2～2.3份，更优选为2～2.2份。在本发明中，所述细骨料包括砂子和红砖砂，所述细骨料中红砖砂(即干红砖砂或浸水红砖砂)的质量分数为15～25％，更优选为21～25％。在本发明中，所述红砖砂的粒径≤8mm，优选为0.2～8mm，更优选为0.2～5mm或5～8mm。在本发明中，所述红砖砂包括干红砖砂或浸水红砖砂；所述浸水红砖砂的含水率优选为18～22wt％，更优选为19～21wt％，进一步优选为20wt％。在本发明中，所述干红砖砂优选由红砖经粉碎得到。
在本发明中，所述浸水红砖砂的制备方法优选包括以下步骤：将干红砖砂进行水浸，取出后擦至饱和面干状态，得到浸水红砖砂。在本发明中，所述水浸的温度优选为20～25℃，所述水浸的时间优选为48～72h，更优选为60～72h。本发明对干红砖砂进行水浸的目的是使红砖砂饱水，后期在砂浆内部干燥的时候能释放出提前储存于红砖砂中的水，减缓材料内部相对湿度降低速率，从而进一步减少材料的干缩。在本发明中，所述砂子的粒径≤4.75mm，所述砂子优选为连续级配砂；所述砂子优选包括河砂和/或海砂。
地聚物砂浆聚合反应消耗自由水量较低，干燥过程中大量自由水随着外界干燥蒸发，水分从凝胶孔的表面去除而体积发生收缩。内养护的目的是通过内养护材料向砂浆内部引入额外的水，随着水化反应进行孔隙内部水被消耗，内养护材料会向基体释放额外水分以补偿内部相对湿度的下降，降低毛细孔力从而减缓收缩。本发明在制备地聚物砂浆时，将废弃红砖破碎成颗粒状(红砖砂)代替部分细骨料作为养护材料，加入到地聚物砂浆中。在干燥环境中，当基体内部失水相对湿度降低时，红砖砂可以释放水分填充孔隙起到内养护作用，减缓砂浆内部相对湿度降低速率，改善砂浆孔隙结构，减少毛细孔压从而降低砂浆干缩。红砖砂的引入可以有效降低地聚物砂浆的干缩，使地聚物砂浆的干缩与传统OPC砂浆处于相同水平，同时改善地聚物砂浆的流动性，实现对废弃红砖的资源化利用，兼具环保和经济效益，对地聚物材料的工程应用有重要助推意义。
以质量份数计，本发明提供的低收缩地聚物砂浆的制备原料包括碱性激发剂0.4～0.5份，更优选为0.44～0.5份。在本发明中，所述碱性激发剂优选包括氢氧化钠、水玻璃和水；所述碱性激发剂的模数优选为1～1.5，更优选为1.1～1.4，进一步优选为1.2～1.3；所述碱性激发剂的碱当量优选为0.4～0.8，更优选为0.5～0.7，进一步优选为0.6。
在本发明中，所述低收缩地聚物砂浆的密度优选为1800～2200kg/m3，更优选为1850～2100kg/m3，进一步优选为1900～2000kg/m3。
本发明提供了上述技术方案所述低收缩地聚物砂浆的制备方法，包括以下步骤：将粉煤灰、矿渣、砂子、红砖砂和碱性激发剂混合，得到低收缩地聚物砂浆。
在本发明中，所述碱性激发剂配制完毕，优选先静置24～48h(更优选为24～30h)后再使用，碱性激发剂先静置24～48h后再使用，能够使水、水玻璃和氢氧化钠颗粒充分混合均匀。在本发明中，所述碱性激发剂的配制方法优选包括以下步骤：将氢氧化完全溶解于水中，将水玻璃与氢氧化钠溶液搅拌均匀。
在本发明中，所述混合优选为：将粉煤灰、矿渣、砂子和红砖砂第一混合，得到混合料；将所述混合料与碱性激发剂第二混合；所述第一混合的时间优选为2～5min，更优选为2～3min；所述第一混合和第二混合优选为搅拌混合；本发明对于所述第一混合的转速以及第二混合的转速和时间没有特殊限定，能够将原料混合均匀即可。在本发明的具体实施例中，所述混合按照规范JC/T 603-2004进行混合。
本发明提供了一种低收缩地聚物养护砂浆，由低收缩地聚物砂浆经浇筑成型后养护得到；所述低收缩地聚物砂浆为上述技术方案所述的低收缩地聚物砂浆或上述技术方案所述制备方法制得的低收缩地聚物砂浆。本发明对于所述浇筑成型采用的模具没有特殊限定，根据实际需要确定即可，在本发明的具体实施例中，采用40mm×40mm×160mm的不锈钢三联模具。在本发明中，所述浇筑成型优选为将低收缩地聚物砂浆优选分层装入模具内，每装入一层低收缩地聚物砂浆优选先用捣棒插实，然后再装入下一层低收缩地聚物砂浆；最后一层低收缩地聚物砂浆装入完毕后，刮去多余低收缩地聚物砂浆并放在振捣台上振捣，振捣完毕后刮平表面；所述振捣的时间优选为1～3min，更优选为1～2min。在本发明中，所述养护的温度优选为18～22℃，更优选为19～21℃，进一步优选为20℃；所述养护的时间优选为1～3天，更优选为1.5～3天，进一步优选为2～3天；所述养护的相对湿度优选≥95％，所述养护优选在标准养护室中进行。所述养护完成后拆模，得到低收缩地聚物养护砂浆。
本发明提供了上述技术方案所述的低收缩地聚物砂浆、上述技术方案所述制备方法制得的低收缩地聚物砂浆或上述技术方案所述的低收缩地聚物养护砂浆在建筑材料中的应用。
为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对低收缩地聚物砂浆及其制备方法和应用、低收缩地聚物养护砂浆进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
以下实施例和对比例中使用的各原料参数如下：
矿渣为S95级以上的一级磨细粒化高炉矿渣，粒径为0.3～300μm；
粉煤灰为F类一级低钙粉煤灰，粒径为0.3～350μm；
砂子为连续级配海砂，满足GB/T 14684-2001中规定二级配(以质量百分含量计，600μm 70～41％，1.18mm 50～10％，2.36mm 25～0％，4.75mm 10～1％)。
浸水红砖砂的制备方法：将干红砖砂浸没于水中，在20～25℃条件下浸泡72h，取出后擦至饱和面干状态，得到浸水红砖砂。
碱性激发剂：氢氧化钠5.1wt％，水玻璃39.5wt％(其中，水玻璃中，氧化钠14.95wt％，二氧化硅29.01wt％，模数2，密度50Be)，水(不包括水玻璃中的水)55.4wt％；将氢氧化钠完全溶解于水中，将水玻璃倒入所得氢氧化钠溶液中搅拌均匀，得到碱性激发剂，静置24h后再使用。
实施例1
制备原料：胶凝材料(矿渣30％，粉煤灰70％)1份，细骨料(连续级配海砂85％，干红砖砂15％)2份，碱性激发剂0.5份。红砖砂粒径为0.2～5mm。
将矿渣、粉煤灰、连续级配海砂和红砖砂置于搅拌机中搅拌2min，然后加入碱性激发剂，搅拌2min，得到低收缩地聚物砂浆。
将所述低收缩地聚物砂浆分层装入三联模具内，第一层砂浆装入模具后用小捣棒插实，特别是四角和有测钉的位置用小捣棒插实；然后装入第二层砂浆，刮去多余砂浆并放在振捣台上振捣1min，振捣完毕后刮平表面，放入温度为20±2℃，相对湿度为≥95％的标准养护室内养护3天，拆模，得到低收缩地聚物养护砂浆试件。
实施例2
按照实施例1的方法制备低收缩地聚物砂浆和低收缩地聚物养护砂浆试件，与实施例1的区别仅在于，细骨料中干红砖砂的质量分数为25％，红砖砂粒径为0.2～5mm。
实施例3
按照实施例1的方法制备低收缩地聚物砂浆和低收缩地聚物养护砂浆试件，与实施例1的区别仅在于，细骨料中红砖砂为浸水红砖砂，红砖砂粒径为5～8mm。
实施例4
按照实施例1的方法制备低收缩地聚物砂浆和低收缩地聚物养护砂浆试件，与实施例1的区别仅在于，细骨料中红砖砂为浸水红砖砂，碱性激发剂0.44份，红砖砂粒径为0.2～5mm。
对比例1
按照实施例1的方法制备低收缩地聚物砂浆和低收缩地聚物养护砂浆试件，与实施例1的区别仅在于，细骨料中不含红砖砂。
对比例2
按照中国专利CN112479674A制备砂浆。
制备原料：胶凝材料(矿渣30％，粉煤灰55％，红砖粉25％)1份，细骨料(砂子)2份，碱性激发剂0.5份，其中，红砖微粉的粒径0.3～400μm。
测试例1
将低收缩地聚物养护砂浆试件放入温度为20±2℃，相对湿度为60±2％的干缩箱内养护，按照建筑规范JC/T 603-2004对试件的干缩值进行测量。收缩补偿率＝(试验组的收缩值-对比例1的收缩值)/试验组的收缩值×100％，其中，试验组为实施例或对比例2。强度测试试验方法按照规范《GB/T-17671-1999水泥胶砂强度检验方法》进行，流动度测试方法按照《GB/T 8077-2012混凝土外加剂匀质性试验方法》进行。操作测试结果如表1和图1所示。
表1低收缩地聚物养护砂浆试件性能测试结果
由表1和图1可知，本发明以红砖砂作为部分细骨料，地聚物砂浆的收缩补偿率高，能够显著降低地聚物砂浆的干缩性能。以浸水红砖砂为作为部分细骨料，能够进一步提高地聚物砂浆的流动性。
测试例2
不同粒径红砖砂的性能测试
吸水率和湿敏释水率参考ASTM C1671规范进行测试，具体测试步骤如下：吸水率测试时首先将红砖砂放入105℃烘干箱烘干24h，之后将红砖砂放入烧杯中使水分淹没其表面，在不同时间段定时将红砖砂取出，擦到饱和面干状态后称重，根据质量变化计算其吸水率。湿敏释水率测试时，将红砖砂放入烧杯中加水浸泡72h，待其充分吸收水分后取出红砖砂擦止饱和面干状态，分别放入温度20℃、相对湿度95％、75％、60％的恒温恒湿箱中，每隔一段时间测量一下其质量，计算红砖砂在不同相对湿度下的释水性能。每组试验设置3个平行试样，结果取3个试样的平均值。
图2为不同粒径的红砖砂的吸水率结果，其中，红砖砂的粒径分别为0.2～5mm和5～8mm。由图2可知，红砖砂具有快速吸水的能力。红砖砂在10min～24h时吸水率快速增长，在24h-72h时增长速度趋于平缓，72h时大小粒径的红砖砂吸水率分别为22.62％和19.8％，说明红砖砂的最大吸水率在20％左右，随着粒径的增大会有小幅度的增长。因此，本次试验将红砖砂放在水中预浸泡72h，使红砖砂达到饱和状态。
图3为不同粒径的红砖砂在不同相对湿度下随时间变化的湿敏释水率，其中，红砖砂的粒径分别为0.2～5mm和5～8mm，相对湿度分别为60％、80％和95％。由图3可知，相同时间下相对湿度越低，红砖砂的释水率越高，说明红砖砂对相对湿度的变化具有高敏感性，同一相对湿度下大粒径红砖砂的释水率均高于小粒径的红砖砂。在相对湿度90％时，红砖砂释水率缓慢，远低于相对湿度60％和80％。浸水红砖砂孔隙呈饱和状态，在高相对湿度下释水速率缓慢，有利于红砖砂在试件凝固前和基体之间不发生水份转移。凝固之后试件内部相对湿度下降，孔隙内水分被蒸发，红砖砂开始释放预储存的水来填充孔隙，发挥内养护作用。
综上所述，本发明在制备地聚物砂浆时加入废弃红砖砂代替细骨料，利用红砖砂吸水、释水的内养护功能，减缓地聚物砂浆内部相对湿度的降低速率，改善地聚物砂浆的孔结构，有效降低地聚物砂浆的干缩，使地聚物砂浆的干缩水平降低到和传统OPC砂浆一致，且抗压强度并未发生显著降低。此外，红砖砂的加入还可以提高地聚物砂浆的流动性，改善地聚物砂浆的施工性能，实现废弃红砖的资源化利用，兼具环保和经济效益，对地聚物材料在工程中的应用具有重要的助推意义。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本发明实施例在不经创造性劳动前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (10)

1.一种低收缩地聚物砂浆，其特征在于，以质量份数计，包括以下制备原料：胶凝材料1份，细骨料2～2.5份，碱性激发剂0.4～0.5份；
所述胶凝材料包括粉煤灰和矿渣，所述胶凝材料中粉煤灰的质量分数为20～70％；
所述细骨料包括砂子和红砖砂，所述细骨料中红砖砂的质量分数为15～25％，所述红砖砂的粒径为≤8mm，所述砂子的粒径≤4.75mm。
2.根据权利要求1所述的低收缩地聚物砂浆，其特征在于，所述红砖砂的粒径为0.2～8mm；
所述红砖砂包括干红砖砂或浸水红砖砂；所述浸水红砖砂的含水率为18～22wt％。
3.根据权利要求1所述的低收缩地聚物砂浆，其特征在于，所述砂子为连续级配砂。
4.根据权利要求1所述的低收缩地聚物砂浆，其特征在于，所述粉煤灰为低钙粉煤灰，所述粉煤灰的粒径为0.3～300μm；
所述矿渣为高炉矿渣，所述矿渣的粒径为0.3～350μm。
5.根据权利要求1所述的低收缩地聚物砂浆，其特征在于，所述碱性激发剂包括氢氧化钠、水玻璃和水；所述碱性激发剂的模数为1～1.5，碱当量为0.4～0.8。
6.根据权利要求1～5任一项所述的低收缩地聚物砂浆，其特征在于，所述低收缩地聚物砂浆的密度为1800～2200kg/m3。
7.权利要求1～6任一项所述低收缩地聚物砂浆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将粉煤灰、矿渣、砂子、红砖砂和碱性激发剂混合，得到低收缩地聚物砂浆。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述碱性激发剂配制完毕，先静置12～48h后再使用。
9.一种低收缩地聚物养护砂浆，其特征在于，由低收缩地聚物砂浆经浇筑成型后养护得到；所述低收缩地聚物砂浆为权利要求1～6任一项所述的低收缩地聚物砂浆或权利要求7～8任一项所述制备方法制得的低收缩地聚物砂浆。
10.权利要求1～6任一项所述的低收缩地聚物砂浆、权利要求7～8任一项所述制备方法制得的低收缩地聚物砂浆或权利要求9所述的低收缩地聚物养护砂浆在建筑材料中的应用。
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