CN117623655A

CN117623655A - 便于现场施工的地聚合物前驱粉体及制备方法和施工方法

Info

Publication number: CN117623655A
Application number: CN202311492948.9A
Authority: CN
Inventors: 包申旭; 邱志明; 张一敏
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2023-11-10
Filing date: 2023-11-10
Publication date: 2024-03-01

Abstract

本发明公开一种便于现场施工的地聚合物前驱粉体及制备方法和施工方法。该便于现场施工的地聚合物前驱粉体的制备方法，包括以下步骤：将花岗岩石粉、粉煤灰和固体碱混合均匀，随后经高温煅烧，得到活化粉体；将活化粉体和高炉矿渣混合均匀，得到便于现场施工的地聚合物前驱粉体。本发明通过热‑化学活化提高花岗岩石粉的反应活性，使其能够参与到地聚合反应中，然后协同粉煤灰和高炉矿渣制备了一种“类水泥”的地聚合物胶凝材料，使用时仅需往地聚合物前驱粉体中加水便能在室温下制备早期强度高的地聚合物胶凝材料。通过以上技术可解决现有技术花岗岩石粉利用率低、室温固化缓慢以及地聚合物现场施工困难的难题。

Description

便于现场施工的地聚合物前驱粉体及制备方法和施工方法

技术领域

本发明涉及固废资源化利用领域，具体涉及一种便于现场施工的地聚合物前驱粉体及制备方法和施工方法。

背景技术

花岗岩石粉是指石材在切割、抛光过程中产生的粉末废弃物。据统计，每生产1吨的花岗岩板材约产生0.6吨的花岗岩石粉。一般来说，这些废弃物通过掩埋或直接倾倒到生态系统中。这种不适当的处理方式对环境存在巨大的安全隐患。当花岗岩石粉与水混合后会形成胶体废弃物，导致土地板结和地下水污染。此外，花岗岩石粉通常由大量的微细颗粒组成，当人长期吸入花岗岩石粉会导致呼吸系统疾病，如支气管炎、哮喘等。粉煤灰是燃煤发电厂中随烟气从锅炉中排出的由细颗粒组成的固体残留物之一，根据其氧化钙含量，粉煤灰可分为C类粉煤灰和F类粉煤灰。F类粉煤灰钙含量较低，SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃的总含量超过70wt％。除了含Si、Al、Fe和Ca外，粉煤灰中还含有许多重金属元素，包括铅、镉、汞和铬等。因此，粉煤灰被认为是一种危险物质，处理不当不仅会增加土地占用，还会恶化环境和生态。高炉矿渣是钢铁冶炼过程中产生的副产品，主要由CaO、SiO₂、Al₂O₃和MgO组成。高炉矿渣中含有重金属和有害物质，如铅、镉、铬等，如果大量堆存不仅过度占用土地资源，而且污染环境。

地聚合物是由硅氧四面体和铝氧四面体通过桥接氧相连形成的一种具有三维网络状结构的无机胶凝材料。与由硅酸盐水泥制备的粘合剂相比，地聚合物胶凝材料可以设计成更优异的性能，即更好的耐酸性、抗硫酸盐性、耐热性、更低的干燥收缩和蠕变以及更高的强度，因此被认为是硅酸盐水泥的理想替代品，应用前景广泛。此外，地聚合物具备优异的重金属固封性能，可有效固封粉煤灰和高炉矿渣中的重金属离子。虽然花岗岩石粉中富含硅、铝组分，是制备地聚合物的潜在原料，但是其硅、铝组分主要存在于石英、长石等高结晶度的惰性矿物相中，很难参与到地聚合反应过程中，在胶凝材料常作为细骨料掺入，一般仅占胶凝材料的10％～20％，极大程度地限制了花岗岩石粉的大规模处置利用。此外，地聚合物通常由硅铝酸盐原料和强碱溶液混合制备，在现场施工过程中存在许多问题，例如，使用的具有腐蚀性和粘性的强碱性溶液难以处理和存储，对操作员和环境安全构成严重的威胁，且操作员使用时需要精确调控原料配比和碱含量以避免地聚合物的“泛霜”。此外，地聚合物通常在室温下固化缓慢，若想获得较高的早期强度地聚合物往往需要经历高温预养护流程，这限制了地聚合物的应用场景。因此，研究人员尝试在制备地聚合物过程中添加CaO或Ca(OH)₂等化学药剂用于改善地聚合物的早期强度。但是，这类分析纯化学药剂溶于水后会大量放热，导致浆体固化速率过快，地聚合物内部形成大量的不良孔洞，严重制约地聚合物强度的进一步提升。上述缺点限制了地聚合物胶凝材料的大规模工业应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种便于现场施工的地聚合物前驱粉体及制备方法和施工方法，解决现有技术中制备地聚合物时花岗岩石粉利用率低、室温固化缓慢以及现场施工困难的技术问题。

第一方面，本发明提供一种便于现场施工的地聚合物前驱粉体的制备方法，包括以下步骤：

热-化学活化：将花岗岩石粉、粉煤灰和固体碱混合均匀，随后经高温煅烧，得到活化粉体；

地聚合物前驱粉体的制备：将活化粉体和高炉矿渣混合均匀，得到便于现场施工的地聚合物前驱粉体。

第二方面，本发明提供一种便于现场施工的地聚合物前驱粉体，该便于现场施工的地聚合物前驱粉体通过本发明第一方面提到的便于现场施工的地聚合物前驱粉体的制备方法得到。

第三方面，本发明提供一种便于现场施工的地聚合物前驱粉体的施工方法，包括以下步骤：

将上述地聚合物前驱粉体与水混合均匀，得到浆体；

将浆体注入模具中，成型后经室温密封预养护后脱模，随后继续室温密封养护至规定龄期。

第四方面，本发明提供一种便于现场施工的地聚合物胶凝材料，该地聚合物胶凝材料通过本发明第三方面提供的便于现场施工的地聚合物前驱粉体的施工方法得到。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

本发明通过热-化学活化提高花岗岩石粉的反应活性，使其能够参与到地聚合反应中，然后协同粉煤灰和高炉矿渣制备了一种“类水泥”的地聚合物胶凝材料，使用时仅需往地聚合物前驱粉体中加水便能在室温下制备早期强度高的地聚合物胶凝材料。通过以上技术可解决现有技术花岗岩石粉利用率低、室温固化缓慢以及地聚合物现场施工困难的难题。

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。

本发明中，将花岗岩石粉和粉煤灰进行热-化学活化的目的是增强原料的反应活性。虽然花岗岩石粉中富含大量的硅、铝组分，但是这些组分多数以石英、钠长石、正长石等矿物相形式存在。这些矿物相结晶良好，晶体结构稳定，与碱溶液的反应速度缓慢，因此显示出极低的反应活性。花岗岩石粉在胶凝材料中通常作为细骨料掺入，掺入量极低，这严重限制了其在胶凝材料中的大规模使用。花岗岩石粉是一种“高硅低铝”的工业固废，在地聚合过程中合适Si/Al可以使得地聚合物形成更稳定的三维网络状凝胶。粉煤灰作为辅助胶凝材料既能提供铝组分，调节前驱粉体中的硅铝比至合适的范围，使得地聚合物形成稳定的三维网络状结构，又能发挥“减水效应”，降低浆体的液固比，使得地聚合物的微观结构更为致密，从而增强地聚合物的力学性能。热-化学活化是指将花岗岩石粉、粉煤灰和固体碱一起高温焙烧，高温下花岗岩石粉和粉煤灰中的石英、长石和莫来石等高结晶度的矿物相会与氢氧化钠颗粒反应形成大量的可溶性硅酸盐，从而增强原料的反应活性。传统的地聚合物是通过硅铝原料和碱性溶液混合制备，使用时需要现场配置强碱性溶液，不利于操作人员现场使用。通过热-化学活化除了能增强原料的反应活性，还能实现地聚合物前驱粉体的一体化制备，使用时仅需往前驱粉体中加入适量的水便能制备地聚合物，极大便利了现场施工。地聚合物的反应机制可归因于前驱粉体中的可溶性硅酸盐在水中溶解释放大量活性硅、铝组分及OH^-，然后在碱性环境下硅、铝单体发生聚合、缩聚反应形成三维网络凝胶。

虽然通过热-化学活化，花岗岩石粉和粉煤灰中可溶性硅、铝组分的含量显著增高，但是两种固废制备的地聚合物胶凝材料主要凝胶相是N-A-S-H凝胶，室温下固化缓慢，因此地聚合物通常需要经历高温预养护流程，这严重限制了地聚合物的应用范围。研究人员发现在地聚合物制备过程中通过掺入CaO或Ca(OH)₂等化学药剂可以显著改善地聚合物的早期强度。地聚合反应中Ca²⁺的掺入会诱导富钙水化产物的形成，这些富钙水化产物具有沉淀速率快的特点，同时可为其他水化产物的沉淀提供成核位点，加快浆体的固化速率以实现地聚合物的室温固化。但是这类分析纯药剂在使用过程中会快速吸水并释放大量热量，导致浆体固化过快，内部形成更多的不良孔洞，严重制约地聚合物强度的进一步提升。此外，这类药剂的大量掺入会导致地聚合物凝胶(N-A-S-H凝胶)三维网络状结构的破坏，因为Ca²⁺比Na⁺和K⁺更加活泼，会优先与Si-O-Si或[SiO₄]^4-反应形成C-S-H凝胶。高炉矿渣作为另一辅助胶凝材料具有以下优势：一是高炉矿渣中的钙以化合物的形式存在，与分析纯CaO和Ca(OH)₂等化学药剂溶于水迅速放热同时电离产生Ca²⁺不同，高铝矿渣中Ca²⁺的释放是一个含钙化合物在碱性环境下缓慢溶解的过程，水化热较低。此外，高炉矿渣中还含有较高的Al₂O₃含量，在地聚合反应中Al³⁺会取代C-S-H凝胶中的部分Si⁴⁺诱导C-(A)-S-H凝胶的形成，从而延缓C-S-H凝胶的形成速率，避免了C-S-H凝胶的大量形成对N-A-S-H凝胶三维结构的破坏。二是高炉矿渣中含有高浓度的Mg，在地聚合过程中Mg²⁺会像Al³⁺一样取代Si⁴⁺以促进N-A(M)-S-H凝胶相的形成，多种凝胶相的交织使得地聚合物微观结构更为致密，宏观上表现为地聚合物的力学性能显著增强。

本发明中，花岗岩石粉的主要化学成分质量百分比为：SiO₂ 50％～75％，Al₂O₃10％～20％，Fe₂O₃ 0.5％～3％，CaO 0％～3％；进一步地，花岗岩石粉的中值粒径为5～20μm。

本发明中，粉煤灰为F类粉煤灰，主要化学成分质量百分比为：SiO₂30％～55％，Al₂O₃ 20％～30％，Fe₂O₃ 3％～6％，CaO 3％～6％，SO₃ 0.5％～3％；进一步地，粉煤灰的中值粒径为5～20μm。

本发明中，高炉矿渣的主要化学成分质量百分比为：CaO 35％～40％，Al₂O₃ 15％～20％，MgO 8％～15％；进一步地，高炉矿渣的中值粒径为5～20μm。

本发明中，活化粉体中，花岗岩石粉与粉煤灰的质量比为(1.5～4)：1，进一步为(2～3)：1，更进一步为(2～2.5)：1；固体碱占粉煤灰和花岗岩石粉总质量的15％～35％，进一步为20％～30％，更进一步为25％～30％。

本发明中，地聚合物前驱粉体中，活化粉体与高炉矿渣的质量比为(0.5～9)：1，进一步为(1～3)：1，更进一步为1.5：1。

在本发明的一些具体实施方式中，固体碱为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾中的至少一种。

本发明中，采用马弗炉进行高温煅烧，煅烧温度为550～750℃，进一步为650～750℃，更进一步为700℃；煅烧时间为0.5～2小时，进一步为1～1.5小时，更进一步为1.5小时。

本发明中，采用振动研磨机研磨的方式将原料混合均匀。

在本发明的一些具体实施方式中，振动研磨机的转速为600～1500转/分钟，研磨时间为0.5～6分钟。

在本发明的一些更具体实施方式中，振动研磨机的转速为800转/分钟。

将上述地聚合物前驱粉体与水混合均匀，得到浆体；

本发明中，需要说明的是，本发明的养护温度包括但不仅限于室温，本领域技术人员可以在地聚合物养护过程中适当提高养护温度。本发明与现有的其他前驱粉体的优势在于，即使是在室温条件下养护也能够获得具有高早期强度和高后期强度的地聚合物胶凝材料。

本发明中，浆体的液固比为(0.25～0.35)mL/g，进一步为0.275mL/g。

本发明中，室温下密封预养护的时间为12～36小时，进一步为24小时。

本发明对养护时间不作限制，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择，例如可以为3天、7天、28天等。

为避免赘述，本发明以下各实施例和对比例中，部分原料总结如下：

花岗岩石粉的中值粒径为10.51μm，主要化学成分质量百分比为：SiO₂70.01％，Al₂O₃ 16.32％，Fe₂O₃ 1.78％，CaO 1.27％；

粉煤灰为F类粉煤灰，中值粒径为15.83μm，其主要化学成分质量百分比为：SiO₂50.47％，Al₂O₃ 27.54％，Fe₂O₃ 4.83％，CaO 3.45％，SO₃ 0.65％。

高炉矿渣的中值粒径为11.49μm，主要化学成分质量百分比为：CaO39.06％，Al₂O₃16.22％，MgO 9.08％。

实施例1

(1)热-化学活化：将花岗岩石粉、粉煤灰和氢氧化钠颗粒置于振磨机内研磨30秒得到混合粉末，随后将混合粉末置于马弗炉中在700℃下煅烧1.5小时得到烧结粉体，再将烧结粉体冷却后置于振磨机内研磨150秒得到活化粉体，其中活化粉体中各组分按重量份配比为：花岗岩石粉70份，粉煤灰30份，氢氧化钠15份；

(2)地聚合物前驱粉体的制备：将活化粉体和高炉矿渣置于振磨机内研磨30秒得到前驱粉体，其中前驱粉体各组分按重量份配比计(共100份)为：活化粉体70份，高炉矿渣30份；

(3)成型养护：将上述前驱体粉末与水搅拌均匀后得到浆体，其中浆体的液固比为0.275mL/g，然后将浆体注入模具中振动成型，振动成型后的模具用自封试样袋密封室温下养护24小时，最后脱模后将试块继续置于自封袋密封室温养护至规定龄期。

本实施例中地聚合物胶凝材料的3天和28天的抗压强度值分别为12.20MPa和24.45MPa。

实施例2

(1)热-化学活化：将花岗岩石粉、粉煤灰和氢氧化钠颗粒置于振磨机内研磨30秒得到混合粉末，随后将混合粉末置于马弗炉中在700℃下煅烧1.5小时得到烧结粉体，再将烧结粉体冷却后置于振磨机内研磨150秒得到活化粉体，其中活化粉体中各组分按重量份配比为：花岗岩石粉70份，粉煤灰30份，氢氧化钠20份；

本实施例中地聚合物胶凝材料的3天和28天的抗压强度值分别为29.95MPa和49.25MPa。

实施例3

(1)热-化学活化：将花岗岩石粉、粉煤灰和氢氧化钠颗粒置于振磨机内研磨30秒得到混合粉末，随后将混合粉末置于马弗炉中在700℃下煅烧1.5小时得到烧结粉体，再将烧结粉体冷却后置于振磨机内研磨150秒得到活化粉体，其中活化粉体中各组分按重量份配比为：花岗岩石粉70份，粉煤灰30份，氢氧化钠30份；

本实施例中地聚合物胶凝材料的3天和28天的抗压强度值分别为45.40MPa和53.10MPa。

实施例4

(2)地聚合物前驱粉体的制备：将活化粉体和高炉矿渣置于振磨机内研磨30秒得到前驱粉体，其中前驱粉体各组分按重量份配比计(共100份)为：活化粉体60份，高炉矿渣40份；

本实施例中地聚合物胶凝材料的3天和28天的抗压强度值分别为53.45MPa和68.50MPa。

由实施例1～3可知，随着碱用量由15％增加至30％，地聚合物的力学性能显著增强，3天的抗压强度值增长33.20MPa，28天的抗压强度值增长了28.65MPa。在热-化学活化过程中，增加碱用量可加速花岗岩石粉和粉煤灰中石英、长石和莫来石等惰性矿物相的溶解，提高活化粉体中活性硅、铝组分的含量，以便在地聚合反应过程中形成更多的凝胶产物，增强地聚合物的力学性能。且由实施例3～4可知，随着高炉矿渣的掺量由30份提高至40份，地聚合物的抗压强度提升明显。掺入高炉矿渣后，地聚合物中会形成各种富钙的水化产物，如C-A-S-H凝胶和C-S-H凝胶，这些富钙水化产物具有沉淀速度快的特性，同时可为其他水化产物提供成核位点，加速浆体的硬化。此时，地聚合物的主要凝胶相是富钙水化产物和N-A-S-H凝胶交织形成的C(N)-A-S-H凝胶。因此掺入高炉矿渣后，可以发现浆体的固化时间缩短，地聚合物的微观结构更加致密，这有利于增强地聚合物的力学性能。

对比例1

对比例1中地聚合物前驱粉体中不含高炉矿渣，其余条件均与实施例1相同，包括以下步骤：

(2)地聚合物前驱粉体的制备：将活化粉体继续置于振磨机内研磨30秒得到前驱粉体；

本对比例中地聚合物胶凝材料的3天和28天的抗压强度值分别为0.50MPa和11.45MPa。

由对比例1可知，未掺入高炉矿渣的前驱粉体制备的地聚合物显示出极差的力学性能。由于未掺高炉矿渣，地聚合物仅由单一的N-A-S-H凝胶提供强度，而N-A-S-H凝胶室温下固化缓慢，如果养护前期不提高养护温度很难为地聚合物提供较高的早期强度；且由于前驱粉体中未掺入高炉矿渣，体系碱含量过高，地聚合物养护过程中多余的Na⁺会逐渐迁移到地聚合物表面并与空气中的CO₂反应形成Na₂CO₃从而恶化地聚合物的微观结构。

对比例2

对比例2中花岗岩石粉和粉煤灰未热-化学活化，其余条件均与实施例2相同，包括以下步骤：

(1)地聚合物前驱粉体的制备：将花岗岩石粉、粉煤灰和高炉矿渣置于振磨机内研磨180秒得到前驱粉体，其中前驱粉体各组分按重量份配比计(共100份)：花岗岩石粉46.224份、粉煤灰19.812份、高炉矿渣33.964份；

(2)配置碱激发剂：将氢氧化钠颗粒溶于水配置成碱激发剂，其中氢氧化钠颗粒与前驱粉体的质量比为0.132；

(3)成型养护：将上述前驱体粉末与碱激发剂搅拌均匀后得到浆体，其中浆体的液固比为0.275mL/g，然后将浆体注入模具中振动成型，振动成型后的模具用自封试样袋密封室温下养护24小时，最后脱模后将试块继续置于自封袋密封室温养护至规定龄期。

本对比例中地聚合物胶凝材料的3天和28天的抗压强度值分别为9.70MPa和22.45MPa。

由对比例2可知，当花岗岩石粉和粉煤灰未经热-化学活化，地聚合物表现出较差的力学性能，3天和28天的抗压强度分别下降了20.25MPa和26.80MPa。花岗岩石粉主要由石英、钠长石、正长石等惰性矿物相组成，这类矿物相与碱激发剂反应速率缓慢，因此很难参与到地聚合反应中，在胶凝材料中仅作为细骨料掺入，此时地聚合物的强度主要由粉煤灰和高炉矿渣在碱性环境下形成的凝胶提供，极大地制约了地聚合物的力学性能。

对比例3

对比例3中活化粉体中不含粉煤灰，其余条件均与实施例4相同，包括以下步骤：

(1)热-化学活化：将花岗岩石粉和氢氧化钠颗粒置于振磨机内研磨30秒得到混合粉末，随后将混合粉末置于马弗炉中在700℃下煅烧1.5小时得到烧结粉体，再将烧结粉体冷却后置于振磨机内研磨150秒得到活化粉体，其中活化粉体中各组分按重量份配比为：花岗岩石粉100份，氢氧化钠30份；

(2)地聚合物前驱粉体的制备：将活化粉体和高炉矿渣置于振磨机内研磨30秒得到前驱粉体，其中前驱粉体各组分按重量份配比计(共100份)：活化粉体60份，高炉矿渣40份；

本对比例中地聚合物胶凝材料的3天和28天的抗压强度值分别为25.80MPa和34.50MPa。

由对比例3可知，当前驱粉体中不含粉煤灰时，地聚合物3天和28天的抗压强度分别下降了27.65MPa和34.00MPa。花岗岩石粉是一种“高硅低铝”的工业固废，由于未掺入粉煤灰，前驱粉体中缺乏活性铝源，在地聚合过程中高炉矿渣溶解释放的Ca²⁺会快速与体系中的[SiO₄]^4-结合形成大量的C-S-H凝胶，一方面这会导致胶凝材料体系中凝胶种类单一，另一方面C-S-H的大量形成会导致浆体快速凝固，胶凝材料内部存在许多不良孔洞。

对比例4～5

对比例4和对比例5仅改变了前驱粉体中高炉矿渣的掺量，其余条件均分别与实施例1和实施例4相同。

对比例4

对比例4中前驱粉体各组分按重量份配比计(共100份)：活化粉体50份，高炉矿渣50份，其余条件均与实施例1相同。

本对比例中地聚合物胶凝材料的3天和28天的抗压强度值分别为11.05MPa和20.30MPa。

对比例5

对比例5中前驱粉体各组分按重量份配比计(共100份)：活化粉体50份，高炉矿渣50份，其余条件均与实施例4同。

本对比例中地聚合物胶凝材料的3天和28天的抗压强度值分别为57.10MPa和58.05MPa。

由对比例4～5可知，掺入过量的高炉矿渣会恶化地聚合物的力学性能。在地聚合反应中硅、铝单体发生聚合、缩聚反应形成三维凝胶，由于Ca²⁺比Na⁺和K⁺更活泼，会优先与[SiO₄]^4-和[AlO₄]^5-结合形成C-S-H或C-A-S-H凝胶，因此地聚合物中引入过量的Ca²⁺会不利于N-A-S-H凝胶的形成。通常N-A-S-H凝胶具备更优异的性能，因此当高炉矿渣掺量过高时，地聚合物中的主要凝胶相将转变为C-S-H凝胶，这不利于提高其抗压强度。另一方面，C-S-H凝胶的大量形成会导致胶凝材料凝固过快，内部存在许多不良孔洞。因此，掺入过量的高炉矿渣会降低地聚合物抗压强度。

对比例6～7

对比例6和对比例7中分别用与实施例1和4同样钙含量的分析纯氧化钙代替高炉矿渣制备地聚合物前驱粉体。

对比例6

(1)热-化学活化：将花岗岩石粉、粉煤灰和氢氧化钠颗粒置于振磨机内研磨30秒得到混合粉末，然后将混合粉末置于马弗炉中在700℃下煅烧1.5小时得到烧结粉体，烧结粉体冷却后置于振磨机内研磨150秒得到活化粉体，其中活化粉体中各组分按重量份配比为：花岗岩石粉70份，粉煤灰30份，氢氧化钠15份；

(2)地聚合物前驱粉体的制备：将活化粉体和氧化钙置于振磨机内研磨30秒得到前驱粉体，其中前驱粉体各组分按重量份配比计(共100份)：活化粉体份85.66份，氧化钙14.34份；

(3)成型养护：将上述前驱体粉末与水搅拌均匀后得到浆体，原液固比(0.275mL/g)下浆体固化过快难以浇注成型，因此为了保证浆体的流动性将液固比调整为0.35mL/g，随后将浆体注入模具中振动成型，振动成型后的模具用自封试样袋密封室温下养护24小时，最后脱模后将试块继续置于自封袋密封室温养护至规定龄期。

本实施例中地聚合物胶凝材料的3天和28天的抗压强度值分别为11.35MPa和16.85MPa。

对比例7

(1)热-化学活化：将花岗岩石粉、粉煤灰和氢氧化钠颗粒置于振磨机内研磨30秒得到混合粉末，然后将混合粉末置于马弗炉中在700℃下煅烧1.5小时得到烧结粉体，烧结粉体冷却后置于振磨机内研磨150秒得到活化粉体，其中活化粉体中各组分按重量份配比为：花岗岩石粉70份，粉煤灰30份，氢氧化钠30份；

(2)地聚合物前驱粉体的制备：将活化粉体和氧化钙置于振磨机内研磨30秒得到前驱粉体，其中前驱粉体各组分按重量份配比计(共100份)：活化粉体79.34份，氧化钙20.66份；

(3)成型养护：将上述前驱体粉末与水搅拌均匀后得到浆体，原液固比(0.275mL/g)下浆体固化过快难以浇注成型，因此为了保证浆体的流动性将液固比调整为0.4mL/g，随后将浆体注入模具中振动成型，振动成型后的模具用自封试样袋密封室温下养护24小时，最后脱模后将试块继续置于自封袋密封室温养护至规定龄期。

本实施例中地聚合物胶凝材料的3天和28天的抗压强度值分别为32.45MPa和44.58MPa。

由对比例6～7可知，用同样钙含量的分析纯氧化钙代替高炉矿渣制备地聚合物时，地聚合物的强度均出现不同程度的下降，这归因于以下原因：一是，分析纯氧化钙药剂溶于水后会释放大量热量，导致在原液固比下浆体固化过快难以浇注成型，因此往往需要提高液固比以保证浆体的流动性，而在高液固比下地聚合物内部会形成大量的不良孔洞，这会限制地聚合物强度的提升；二是，Ca²⁺比Na⁺和K⁺更活泼，会优先与浆体中的游离[SiO₄]^4-结合形成大量的C-S-H凝胶，从而抑制N-A-S-H凝胶的形成；三是，高炉矿渣中还含有较高含量的Al₂O₃和MgO，在地聚合物反应过程中可诱导C-(A)-S-H和类水滑石等水化产物的形成，因此以高炉矿渣为辅助胶凝材料制备的地聚合物可获得更高的强度。

为了更好的体现本申请的效果，现将本发明实施例和对比例所得胶凝材料的性能总结至表1。

表1

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)花岗岩石粉主要由石英、长石等惰性矿物相组成，反应活性低，难以参与地聚合反应，本发明通过热-化学活化可加速花岗岩石粉中惰性矿物相的溶解，提高其活性硅、铝组分含量，从而实现惰性固废的高效活化，且利用该技术制备的地聚合物前驱粉体使用时仅需加水便能硬化，避免了操作人员现场配置强碱性溶液，极大地便利了现场施工。

(2)本发明选择粉煤灰和高炉矿渣作为辅助胶凝材料可以实现三种固废的高效协同利用：

粉煤灰：粉煤灰中含有大量的活性铝组分，而花岗岩石粉是一种高硅低铝的工业固废，通过掺入粉煤灰可以调节前驱粉体的硅铝比至合适的范围，使得地聚合物形成更稳定的三维网络状凝胶(N-A-S-H)；此外，粉煤灰中含有大量的玻璃微珠，作为掺合料掺入可以改善浆体流动性，降低胶凝材料的液固比，从而致密化地聚合物的微观结构。

高炉矿渣：高炉矿渣中含有丰富的无定型含钙化合物，在碱性环境下炉渣中的含钙化合物会逐渐溶解释放Ca²⁺，随后Ca²⁺可以为水化产物提供成核位点从而加速浆体硬化以实现胶凝材料的室温固化，而且Ca²⁺会与体系中的[SiO₄]^4-和[AlO₄]^5-结合形成C-S-H或C-(A)-S-H凝胶从而丰富地聚合物的凝胶相。此外，高炉矿渣中含有高浓度的Mg，在地聚合过程中Mg²⁺会像Al³⁺一样取代Si⁴⁺以促进N-A(M)-S-H凝胶相的形成，多种凝胶相的交织有利于增强地聚合物的强度。

(3)本发明制备的地聚合物胶凝材料可以实现室温固化，且具备早期强度高的优点，最佳条件下制备的地聚合物的抗压强度值可达到《通用硅酸盐水泥》GB 175-2007中62.5R硅酸盐水泥的标准，可应用于道路和机场的抢修和维护及水利工程的建设。

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

1.一种便于现场施工的地聚合物前驱粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

地聚合物前驱粉体的制备：将所述活化粉体和高炉矿渣混合均匀，得到便于现场施工的地聚合物前驱粉体。

2.根据权利要求1所述便于现场施工的地聚合物前驱粉体的制备方法，其特征在于，所述活化粉体中，所述花岗岩石粉与所述粉煤灰的质量比为(1.5～4)：1，所述固体碱占所述粉煤灰和所述花岗岩石粉总质量的15％～35％；所述地聚合物前驱粉体中，活化粉体与高炉矿渣的质量比为(0.5～9)：1。

3.根据权利要求1所述便于现场施工的地聚合物前驱粉体的制备方法，其特征在于，所述活化粉体中，所述花岗岩石粉与所述粉煤灰的质量比为(2～3)：1，所述固体碱占所述粉煤灰和所述花岗岩石粉总质量的20％～30％；所述地聚合物前驱粉体中，所述活化粉体与所述高炉矿渣的质量比为(1～3)：1。

4.根据权利要求1所述便于现场施工的地聚合物前驱粉体的制备方法，其特征在于，所述固体碱为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾中的至少一种。

5.根据权利要求1所述便于现场施工的地聚合物前驱粉体的制备方法，其特征在于，所述花岗岩石粉的主要化学成分质量百分比为：SiO₂ 50％～75％，Al₂O₃ 10％～20％，Fe₂O₃0.5％～3％，CaO 0％～3％；所述粉煤灰为F类粉煤灰，主要化学成分质量百分比为：SiO₂30％～55％，Al₂O₃ 20％～30％，Fe₂O₃3％～6％，CaO 3％～6％，SO₃ 0.5％～3％；所述高炉矿渣的主要化学成分质量百分比为：CaO 35％～40％，Al₂O₃ 15％～20％，MgO 8％～15％。

6.根据权利要求1所述便于现场施工的地聚合物前驱粉体的制备方法，其特征在于，所述高温煅烧的温度为550～750℃，所述高温煅烧的时间为0.5～2小时。

7.根据权利要求1所述便于现场施工的地聚合物前驱粉体的制备方法，其特征在于，采用振动研磨机研磨的方式将原料混合均匀；所述振动研磨机的转速为600～1500转/分钟，研磨时间为0.5～6分钟。

8.一种便于现场施工的地聚合物前驱粉体，其特征在于，所述便于现场施工的地聚合物前驱粉体通过权利要求1～7中任一项所述便于现场施工的地聚合物前驱粉体的制备方法得到。

9.一种如权利要求8所述便于现场施工的地聚合物前驱粉体的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述地聚合物前驱粉体与水混合均匀，得到浆体；

将所述浆体注入模具中，成型后经室温密封预养护后脱模，随后继续室温密封养护至规定龄期；其中，

所述浆体的液固比为(0.25～0.35)mL/g。

10.一种便于现场施工的地聚合物胶凝材料，其特征在于，所述地聚合物胶凝材料通过权利要求9所述便于现场施工的地聚合物前驱粉体的施工方法得到。