CN117945683A - 一种利用粉煤灰制备纳米水化硅酸钙晶种早强剂的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用粉煤灰制备纳米水化硅酸钙晶种早强剂的制备方法及其应用，所述早强剂包括以下质量百分数的组分：硅源3％‑5％、钙源5％‑6％、氢氧化钠溶液34％‑35％，余量为水，所述硅源为粉煤灰。所述制备方法包括以下步骤：将硅源、钙源和研磨球按照设计的配合比加入密封的研磨罐中；量取规定的氢氧化钠溶液，并与煮沸后的水一并加入研磨罐中至充满整个研磨罐；以每分钟600‑650转的速度湿磨，每研磨1‑2小时就静置反应1天，湿磨3‑5天。本发明的早强剂对水泥基材料的早期强度明显提升，后期强度倒缩微小，无有害物质产生，解决了传统早强剂所存在的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及水泥基材料外加剂技术领域，具体涉及一种利用粉煤灰制备纳米水化硅酸钙晶种早强剂的制备方法及其应用。
背景技术
水泥基材料早强剂的广泛应用主要出于对工程进度、天气限制、早期使用和施工要求的急迫需求。在建筑领域，项目通常需要在短时间内完成，而早强剂通过加速水泥硬化过程，有效地缩短了施工周期。天气条件的不确定性，如低温或高湿度，可能会妨碍水泥的正常硬化，而早强剂的使用有助于克服这些天气限制，提高水泥基材料的早期强度。有些工程需要在水泥正常硬化之前投入使用，例如交通基础设施或紧急修复工程，早强剂确保水泥迅速达到足够强度，满足这些早期使用的紧急需求。此外，对于特定施工阶段的迅速完成要求也是促使早强剂使用的因素之一，尤其是对于关键结构或构件的提前完成，以推动整体工程的快速推进。最终，通过缩短施工周期，减少人力和设备的使用时间，水泥基材料早强剂在降低成本方面发挥了关键作用，为项目的经济效益提供了实质支持。
常见的传统早强剂由于其组分问题对施工过程和混凝土的物理性能造成了负面影响。如无机盐类早强剂虽然可以提高水泥早期强度、降低冷季施工风险，但可能会导致水泥干缩变形，后期强度不足；有机类早强剂不仅可以提高水泥的早期强度，还因为具有良好的兼容性而能和其他外加剂共同使用，但其某些有机成分对施工人员会造成健康风险，因此也无法普及使用。另外，无机盐类早强剂和有机类早强剂制备的成本都比较高昂。因此，传统的早强剂已无法满足经济、环保的要求。相较于传统早强剂，纳米晶种类早强剂因其产生的副作用小、更加环保等优点，具有更高的研究价值。纳米晶种类早强剂中的纳米C-S-H本身就是硅酸盐水泥水化后的核心产物，掺入混凝土后可以更加迅速地提高早期强度、改善水泥基材料的微观结构并且不会引入有害物质，因此在纳米晶种类早强剂中，纳米C-S-H晶种早强剂逐渐成为研究热点。
粉煤灰是煤燃烧后产生的固体废物，在过去的几十年里，作为传统的粉煤灰处理方式，露天堆积对生态环境造成了严重的威胁，因而对粉煤灰的回收利用是实现节能减排、保护环境的有效手段。粉煤灰的主要成分是二氧化硅。因此，在现有技术基础上，如何优化、调配出以粉煤灰为原料之一的纳米C-S-H晶种外加剂，用以提高水泥早期强度，调节后期强度，具有极大的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用粉煤灰制备纳米水化硅酸钙晶种早强剂的制备方法及其应用，本发明的纳米水化硅酸钙晶种早强剂对水泥基材料的早期强度明显提升，后期强度倒缩微小，无有害物质产生，具有很高的应用价值，解决了传统早强剂所存在的缺点。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种利用粉煤灰制备纳米水化硅酸钙晶种早强剂。根据本发明的实施例，所述纳米水化硅酸钙晶种早强剂包括以下质量百分数的组分：硅源3％-5％、钙源5％-6％、氢氧化钠溶液34％-35％，余量为水及不可避免的杂质，所述硅源为粉煤灰。
另外，根据本发明上述实施例的一种利用粉煤灰制备纳米水化硅酸钙晶种早强剂还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述粉煤灰中二氧化硅质量分数占比大于49％，所述粉煤灰的钙含量为3.2％，属于含碱量低的低钙粉煤灰。
在本发明的一些实施例中，所述钙源是氢氧化钙分析纯，纯度>99％。
在本发明的一些实施例中，所述氢氧化钠溶液的浓度为1mol/L。
在本发明的一些实施例中，所述水为去除二氧化碳的普通自来水。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种利用粉煤灰制备纳米水化硅酸钙晶种早强剂的制备方法。根据本发明的实施例，所述方法包括以下步骤：
(1)将硅源、钙源和研磨球按照设计的配合比加入密封的研磨罐中；
(2)量取规定的氢氧化钠溶液，并与煮沸后的水一并加入研磨罐中至充满整个研磨罐；
(3)以每分钟600-650转的速度湿磨，为了节约能耗，且保证原材料能够充分反应，每研磨1-2小时就静置反应1天，湿磨3-5天。
另外，根据本发明上述实施例的一种利用粉煤灰制备纳米水化硅酸钙晶种早强剂的制备方法，还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述步骤(1)中的球料比为4.5：1-5：1。
在本发明的另一方面，本发明提出了利用粉煤灰制备纳米水化硅酸钙晶种早强剂在制备硅酸盐水泥中的应用。
另外，根据本发明上述实施例的利用粉煤灰制备纳米水化硅酸钙晶种早强剂在制备普通硅酸盐水泥中的应用，还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，以硅酸盐水泥为主料，加入主料质量比为1％-3％的利用粉煤灰制备纳米水化硅酸钙晶种早强剂，按水灰比为0.35-0.4进行配制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明巧妙地运用固体废弃物粉煤灰，作为合成纳米水化硅酸钙晶种的原料之一，不仅成功合成了水泥基材料早强剂，更有效地缓解了粉煤灰对环境的污染问题。这一过程实现了对废弃物的高效回收利用，将原本被视为废弃的粉煤灰转化为宝贵的资源。这一创新在环境保护和资源可持续利用方面取得了显著的突破，为建设更可持续的社会作出了积极的贡献。
2)本发明采用的是低钙粉煤灰，低钙粉煤灰的活性差、聚合度高，即各种碱金属离子或者碱土金属离子等玻璃网格调整体元素含量低，所以低钙粉煤灰中硅的溶出率较低。研究表明，在氢氧化钙溶液中，常温下高钙粉煤灰和低钙粉煤灰中硅的溶出率均比较低，虽然前者比后者高，但均不超过0.05mg/g。本发明通过利用氢氧化钠溶液作为碱激发剂，增大低钙粉煤灰中的硅元素溶出率，成功实现了从粉煤灰中溶出更多硅元素，从而促进纳米水化硅酸钙晶种的合成。同时，采用机械研磨的活化技术进一步增强了粉煤灰参与反应的能力。提高碱性的过程中，晶种之间的静电斥力显著增大，有效地抑制了晶种的团聚趋势。
3)本发明使用沸水作为反应的介质不仅提高了反应温度，而且为增大晶种之间的空间位阻提供了创新性的途径。
4)本发明的早强剂主要组成部分为纳米C-S-H晶种，其为水泥颗粒提供了一种异质核心，降低了水泥水化反应的成核壁垒，促进水解产物的转化，从而提高了水泥的早期强度。纳米C-S-H的尺寸越小，其比表面能越大，但在制备的过程中越容易发生团聚，越容易失去所具备的晶种效应。本发明制备的纳米C-S-H晶种中，氢氧化钠溶液的介入促进了纳米C-S-H表面硅醇基团的电离，吸引了更多原本处于扩散层的钠离子进入吸附层与SiO-基团吸附，增大了纳米C-S-H表面吸附的正电荷，导致表面均显正电荷的晶种彼此之间的排斥力增大，降低了晶种之间团聚的趋势；另一方面本发明使用的是沸水作为反应发生的温度条件，较高的温度可以有助于促进氢氧化钙分析纯在水中的溶解度，溶液中的溶质分子越多，晶种之间发生竞争性吸附的可能性增加，多个晶种会竞争吸附溶质分子，导致晶种之间的空间位阻增大。这使得晶种在形成和生长过程中需要更多的空间来扩展。本发明利用粉煤灰制备纳米水化硅酸钙晶种早强剂，充分发挥纳米级水化硅酸钙在普通硅酸盐水泥水化早期的晶种作用。这种晶种为水泥水化反应提供了可靠的起始点，促进了水泥颗粒在早期阶段的结晶形成。这一过程有助于生成更多的水化产物，从而显著提高了水泥的早期强度。
5)本发明不仅能够显著提升水泥的早期强度，同时对后期强度只产生了较为轻微的影响。粉煤灰制备的纳米水化硅酸钙晶种，可以为水泥水化产物提供成核模版，能够在水泥硬化过程中引导更为有序的晶体生长，使水泥的整体结构更加致密和均匀，进而增强了水泥的力学性能。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
对比例和实施例中的水泥净浆试块的制备和测试过程如下：
(1)从研磨罐中取出晶种悬浮液，按照设计掺量称取晶种悬浮液，并与预先配好比例的水混合，通过强力搅拌一分钟，以确保充分均匀混合。
(2)立即将搅拌好的晶种悬浮液倒入硅酸盐水泥中，再次搅拌一分钟，以确保晶种充分掺入水泥中。
(3)将掺入晶种的水泥立即倒入40mm×40mm×40mm的模具中，然后进行均匀振动60次。
(4)将填充好的模具放入标准恒温恒湿养护箱中，确保湿度维持在95％以上，温度控制在20℃±1℃。
(5)12小时后拆除模具，对早期抗压强度的水泥净浆试块进行直接测试，使用水泥胶砂抗压抗折一体机。对后期强度的水泥净浆试块则继续放入水中进行养护，直至规定的时间后再进行测试。
对比例1
按照水灰比0.36的比例，不掺入水化硅酸钙晶种到硅酸盐水泥中，测试水泥净浆的强度，结果显示：不掺入水化硅酸钙晶种的水泥净浆12小时早期抗压强度为8.95MPa，28天后期抗压强度为84.4MPa。
实施例1
一种利用粉煤灰制备纳米水化硅酸钙晶种早强剂的制备方法，包括以下步骤：
S1、称取3.59g粉煤灰、4.41g氢氧化钙分析纯和37.2g大小均匀的研磨球于研磨罐中，再倒入26.78mL 1mol/L的氢氧化钠溶液调节pH＝13.6，然后缓缓倒入沸水并浸满整个研磨罐。所述粉煤灰中二氧化硅质量分数占比大于49％，所述粉煤灰的钙含量为3.2％。
S2、保持研磨罐转速为600r/min，研磨1小时，静置1天。
S3、重复上述操作3次，制得水化硅酸钙晶种悬浮液。
将水化硅酸钙晶种悬浮液以质量比3％的掺量加入到硅酸盐水泥中，水灰比为0.36，测试水泥净浆的强度，结果显示，掺入不加氢氧化钠的水化硅酸钙晶种的水泥净浆12小时早期抗压强度为21.9MPa。
实施例2
一种利用粉煤灰制备纳米水化硅酸钙晶种早强剂的制备方法，包括以下步骤：
S1、称取3.59g粉煤灰、4.41g氢氧化钙分析纯和37.2g大小均匀的研磨球于研磨罐中，再倒入4.28mL 1mol/L的氢氧化钠溶液调节pH＝13.0，最后缓缓倒入沸水并浸满整个研磨罐。所述粉煤灰中二氧化硅质量分数占比大于49％，所述粉煤灰的钙含量为3.2％。
S2、保持研磨罐转速为600r/min，研磨1小时，静置1天。
S3、重复上述操作5次，制得水化硅酸钙晶种悬浮液。
将水化硅酸钙晶种悬浮液以质量比2％的掺量加入到硅酸盐水泥中，水灰比为0.36，测试水泥净浆的强度，结果显示，掺入氢氧化钠调节pH＝13.0的水化硅酸钙晶种的水泥净浆28天后期抗压强度为81.0MPa。
实施例3
一种利用粉煤灰制备纳米水化硅酸钙晶种早强剂的制备方法包括以下步骤：
S1、称取3.59g粉煤灰、4.41g氢氧化钙分析纯和37.2g大小均匀的研磨球于研磨罐中，再倒入26.78mL 1mol/L的氢氧化钠溶液调节pH＝13.6，最后缓缓倒入沸水并浸满整个研磨罐。所述粉煤灰中二氧化硅质量分数占比大于49％，所述粉煤灰的钙含量为3.2％。
S2、保持研磨罐转速为600r/min，研磨1小时，静置1天。
S3、重复上述操作3次，制得水化硅酸钙晶种悬浮液。
将水化硅酸钙晶种悬浮液以质量比2％的掺量加入到硅酸盐水泥中，水灰比为0.36，测试水泥净浆的强度，结果显示，掺入氢氧化钠调节pH＝13.6的水化硅酸钙晶种的水泥净浆28天后期抗压强度为77.65MPa。
表1对比例1和实施例1-3得到的硅酸盐水泥的性能表
上表中，相对值是以对比例1的12h纯水泥净浆抗压强度、28d纯水泥净浆抗压强度数据作为分母，实施例1-3的数据作为分子，计算实施例1-3与对比例1数据的比值。
对上述3个实施例和1个对比例的数据进行分析后得出：在掺入氢氧化钠改性后的水化硅酸钙晶种情况下，硅酸盐水泥净浆的12小时早期抗压强度能够提高超过144％。在28天后期抗压强度方面，由于掺入的水化硅酸钙晶种受到不同量氢氧化钠的修饰，出现了不同程度的倒缩，但总体倒缩程度较小。这可能是因为掺入氢氧化钠改性后的水化硅酸钙晶种在水泥水化的早期阶段具有催化作用，导致水化产物堆积更加紧密。未水化的水泥熟料颗粒被周围水化产物牢固包裹，从而出现了较小的强度倒缩。通过对早期和后期抗压试验的研究，得出结论：由本发明制备的水化硅酸钙晶种在冷季混凝土浇筑以及桥梁、隧道等修复维护工程中表现出特殊的适用性。
以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种利用粉煤灰制备纳米水化硅酸钙晶种早强剂，其特征在于，包括以下质量百分数的组分：硅源3％-5％、钙源5％-6％、氢氧化钠溶液34％-35％，余量为水，所述硅源为粉煤灰。
2.根据权利要求1所述的一种利用粉煤灰制备纳米水化硅酸钙晶种早强剂，其特征在于：所述粉煤灰中二氧化硅质量分数占比大于49％，所述粉煤灰的钙含量为3.2％。
3.根据权利要求1所述的一种利用粉煤灰制备纳米水化硅酸钙晶种早强剂，其特征在于：所述钙源是氢氧化钙分析纯，纯度>99％。
4.根据权利要求1所述的一种利用粉煤灰制备纳米水化硅酸钙晶种早强剂，其特征在于：所述氢氧化钠溶液的浓度为1mol/L。
5.根据权利要求1所述的一种利用粉煤灰制备纳米水化硅酸钙晶种早强剂，其特征在于：所述水为去除二氧化碳的普通自来水。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的利用粉煤灰制备纳米水化硅酸钙晶种早强剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将硅源、钙源和研磨球按照设计的配合比加入密封的研磨罐中；
(2)量取规定的氢氧化钠溶液，并与煮沸后的水一并加入研磨罐中至充满整个研磨罐；
(3)以每分钟600-650转的速度湿磨，每研磨1-2小时就静置反应1天，湿磨3-5天。
7.根据权利要求6所述的一种利用粉煤灰制备纳米水化硅酸钙晶种早强剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的球料比为4.5：1-5：1。
8.一种根据权利要求1-5任一项所述的利用粉煤灰制备纳米水化硅酸钙晶种早强剂在制备硅酸盐水泥中的应用。
9.根据权利要求8所述的利用粉煤灰制备纳米水化硅酸钙晶种早强剂在制备普通硅酸盐水泥中的应用，其特征在于：以硅酸盐水泥为主料，加入主料质量比为1％-3％的利用粉煤灰制备纳米水化硅酸钙晶种早强剂，按水灰比为0.35-0.4进行配制。
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