CN118145953A - 高强抗裂磷酸镁水泥砂浆及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及一种高强抗裂磷酸镁水泥砂浆及其制备方法，采用磷酸镁水泥替代普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，铁尾矿砂部分代替石英砂，掺加适量的改性聚乙烯醇纤维和减水剂，制备得到力学性能高，抗裂效果好，降本利废的砂浆。
Description
技术领域
本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及一种高强抗裂磷酸镁水泥砂浆及其制备方法。
背景技术
冶铁工业伴随矿山开采，随之产生大量铁尾矿，将铁尾矿丢弃不仅需要占用大量土地，给周围的生态环境造成很大的伤害，而且要投入巨大处理和维护费用。
尾矿资源的综合回收与利用，不仅可以充分利用矿产资源，扩大矿产资源利用范围，延长矿山服务年限，也是治理污染、保护生态的重要手段，还可以节省大量的土地和资金，解决就业问题，实现资源效益、经济效益、社会效益和环境效益的有效统一。
在普通硅酸盐水泥中，利用铁尾矿砂替代石英砂或河砂制备铁尾矿基砂浆，可以实现工业固废的资源化利用和高值化利用，有效降低石英砂、普通河砂的开采和使用，降低成本、减少碳排放，达到保护自然环境的目的。
然而铁尾矿的掺入，会降低铁尾矿砂浆的强度，提高开裂性的风险。
磷酸镁水泥是一种通过酸碱中和反应产生凝结硬化并快速形成强度的新型胶凝材料，因其具有超强的黏结力、早期强度发展快、良好的体积稳定性、优异的耐久性和耐磨性等特点，在道路快速修补工程中得到了很好的应用。
虽然磷酸镁水泥具有诸多优点，但与其他水泥基材料一样，表现出较高的脆性和较低的应变，这些缺陷限制了磷酸镁水泥在实际工程中的应用。
将纤维掺入磷酸镁水泥中能有效改善其脆性破坏的特点。
然而，将铁尾矿固废用于磷酸镁水泥的研究甚少，专利1（CN117645421A-一种节能型水泥熟料及制备方法）公布了一种由煤泥、石灰石、黏土、粉煤灰和铁尾矿混合磨粉制得半黑生料粉并经煅烧制成的节能型水泥熟料。
通过在水泥生料配料中掺入煤泥，改善了生料的易烧性、稳定配煤热值，降低烧成系统煤耗。
专利2（CN117534431A-一种低碳矿渣水泥及其制备方法）提供了一种掺激发细矿渣粉颗粒的低碳矿渣硅酸盐水泥及其制备方法。
该发明使用普通硅酸盐水泥作为主要胶凝材料，掺加细矿粉颗粒代替水泥，用少量的熟料细粉激发细矿粉颗粒，即避免大量熟料细颗粒快速水化带来的需水量高的问题，又能充分激发细矿渣粉颗粒的水化，保证低碳水泥的早期强度。
上述技术存在的不足在于：（1）专利1虽然利用了几种固废材料，但其制备过程中需要将近1100℃的高温，且是用煤炭烧制，在回收利用了几种固废材料的同时排放大量二氧化碳及燃煤废气，造成新的空气污染。
（2）专利2虽然拓宽了矿渣固废的利用范围，但是掺加矿粉颗粒后存在的易开裂和强度低等问题，研究范围有限。
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磷酸镁水泥砂浆及其制备方法，具体的，本发明创新地采用磷酸镁水泥替代普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，铁尾矿砂部分代替石英砂，掺加适量的改性聚乙烯醇纤维和减水剂，磷酸镁水泥可以明显提高砂浆早期强度；铁尾矿砂的掺入可以有效降低磷酸镁水泥水化反应的放热速率，调节磷酸镁水泥的凝结硬化时间，实现固废的再利用；改性聚乙烯醇纤维的掺入提高砂浆的抗裂性和塑性能力；减水剂的加入可降低砂浆用水量，提高砂浆流动性。
具体的，本发明高强抗裂磷酸镁水泥砂浆，由以下重量份原料组成：
磷酸镁水泥45-50份，石英砂30-35份，铁尾矿砂15-20份，水11-12份，改性聚乙烯醇纤维0.2-0.3份，减水剂1.5份。
本发明采用铁尾矿砂部分替代石英砂作为细骨料，本发明研究表明，铁尾矿砂粒径较细，活性低，但可以降低磷酸镁水泥需水量，降低水胶比，但其掺量过多会抑制磷酸镁水泥水化，使得砂浆力学性能降低，因此，采用本发明部分替代石英砂作为骨料，可在一定程度增加砂浆密实度，适当减小水胶比，不仅不会使磷酸镁水泥砂浆性能下降，反而会提高其力学性能和耐久性。
优选的，所述磷酸镁水泥由以下重量份原料组成：重烧氧化镁60-70份，磷酸二氢钾20-23份，硼砂5-8份，木质素磺酸钙0.8-1.5份，三聚磷酸钠0.9-1.1份。
亦即，磷酸镁水泥原料重量比重烧氧化镁：磷酸二氢钾：硼砂：木质素磺酸钙：三聚磷酸钠为60-70：20-23：5-8：0.8-1.5：0.9-1.1。
本发明采用自制磷酸镁水泥，经过研究表明，硼砂添加量过高会提高生成成本，且制备得到的砂浆力学性能会大幅降低，本发明添加木质素磺酸钙，其可以吸附在重烧氧化镁的表面，通过螯合剂分子与金属离子的结合作用，将金属离子包合到螯合剂内部，变成稳定的具有较大分子质量的化合物，能抑制水化产物的生成，降低氧化镁溶解速率，适量的添加木质素磺酸钙在不减小磷酸镁水泥强度的同时，有效延长磷酸镁水泥的凝结时间，硼砂、木质素磺酸钙和三聚磷酸钠的添加可提高砂浆和易性，提高施工性能。
本发明磷酸镁水泥具有黏结性能好、收缩小、早期强度高等的特点，利用磷酸镁水泥替换普通硅酸盐水泥，并添加铁尾矿砂作为细骨料，与普通硅酸盐水泥制备的铁尾矿基砂浆相比，铁尾矿砂在磷酸镁水泥制品中粘结性能更优异，不易脱落，基体与细集料之间的ITZ区域孔隙含量明显降低，力学性能及耐久性提高；同时，掺加适量的铁尾矿砂，在保证早期强度高，凝结硬化快等优点的同时，解决了磷酸镁水泥砂浆脆性大，易开裂等问题，拓宽了铁尾矿渣固废的应用范围，降低了普通硅酸盐水泥制备过程中的大量资源、能源浪费，契合可持续发展理念。
优选的，所述重烧氧化镁按重量百分比组成为：10-120μm氧化镁20%，120-400μm氧化镁20%，400-900μm氧化镁60%。
优选的，所述重烧氧化镁由菱镁矿在1700℃高温下煅烧，经粉磨而成。
优选的，所述减水剂为聚羧酸减水剂。
优选的，所述改性聚乙烯醇纤维制备工艺为：
①将10份PVA原丝纤维清洗，浸泡至100-120份环氧树脂-无水乙醇溶液中静置，取出烘干，得预处理纤维，
②将预处理纤维浸泡于100-120份无水乙醇-正硅酸乙酯-水溶液中，搅拌，
③向步骤②溶液中滴加4份氨水，搅拌，清洗，干燥，得再处理纤维，
④将110-120份无水乙醇、6-7份十二烷基三甲氧基硅烷和0.35-0.4份水搅拌均匀，再加入0.1份冰乙酸搅拌均匀，得改性液，
⑤将再处理纤维浸泡于改性液中，静置，清洗，烘干，即得。
聚乙烯醇纤维表面含有大量羟基，其与磷酸镁水泥界面和铁尾矿砂表面粘结力很强，但过强的粘结力容易导致纤维在从基体拔出的过程中发生拔段，限制纤维桥联作用的发挥，本发明经大量试验对纤维表面进行改性，增加纤维表面粗糙度，降低表面能，使得纤维表面由亲水状态部分转变为疏水状态，化学黏结强度大幅较低，界面摩擦力有所增加，调控了界面摩擦力，避免了纤维被切削降，更有利于磷酸镁水泥砂浆试块宏观延性的提高。
优选的，所述改性聚乙烯醇纤维直径为0.03-0.05mm，长度为10-14mm，抗拉强度≥1600MPa，弹性模量≥40GPa。
优选的，步骤①环氧树脂与无水乙醇质量比为(5-10):(90-95)。
优选的，步骤②无水乙醇、正硅酸乙酯与水质量比为(10-12):(1-2):(1-2)。
优选的，清洗采用无水乙醇。
优选的，烘干采用真空干燥箱。
本发明还涉及上述高强抗裂磷酸镁水泥砂浆的制备方法，具体的，包括如下步骤：
1）按重量份称取各原料，
2）将磷酸镁水泥、石英砂、铁尾矿砂混合均匀，得干混料，
3）将减水剂溶于水，得外加剂溶液，
4）将外加剂溶液加入干混料，搅拌均匀，加入改性聚乙烯醇纤维，搅拌均匀，得料浆，
5）将料浆成型、脱模、养护，即得。
优选的，步骤1）之前还包括：步骤0）将磷酸镁水泥各组分按重量份配比混合均匀，得磷酸镁水泥，按本发明组分重量份和方法制备改性聚乙烯醇纤维。
本发明首先制备磷酸镁水泥和改性聚乙烯醇纤维后，再按重量份称取砂浆各原料，从而便于实际操作。
优选的，步骤4）改性聚乙烯醇纤维分多次加入，更优选的，改性聚乙烯醇纤维分等量3次加入。
优选的，步骤5）养护采用标准养护。
本发明具有以下技术优势：
本发明采用自制磷酸镁水泥，配合铁尾矿砂和改性聚乙烯醇纤维，制备得到力学性能高，抗裂效果好，固废资源化利用率高，降低碳排放的高强抗裂磷酸镁水泥砂浆。
具体实施方式
为表征本发明技术效果，制备砂浆并对其性能进行测试。
试验过程中，纤维改性过程清洗采用无水乙醇，重烧氧化镁由菱镁矿在1700℃高温下煅烧，经粉磨而成，其中10-120μm氧化镁20%，120-400μm氧化镁20%，400-900μm氧化镁60%，改性聚乙烯醇纤维直径为0.03-0.05mm，长度为10-14mm，抗拉强度≥1600MPa，弹性模量≥40GPa。
实施例1
高强抗裂磷酸镁水泥砂浆，由以下重量份原料组成：
磷酸镁水泥45份，石英砂30份，铁尾矿砂20份，水12份，改性聚乙烯醇纤维0.2份，聚羧酸减水剂1.5份，
所述磷酸镁水泥由以下重量份原料组成：重烧氧化镁60份，磷酸二氢钾20份，硼砂8份，木质素磺酸钙0.8份，三聚磷酸钠0.9份，
所述改性聚乙烯醇纤维制备工艺为：
①将10份PVA原丝纤维清洗，浸泡至100份环氧树脂-无水乙醇溶液中静置，取出烘干，得预处理纤维，其中环氧树脂与无水乙醇质量比为10:90，
②将预处理纤维浸泡于120份无水乙醇-正硅酸乙酯-水溶液中，搅拌，其中无水乙醇、正硅酸乙酯与水质量比为12:1:2，
③向步骤②溶液中滴加4份氨水，搅拌，清洗，干燥，得再处理纤维，
④将110份无水乙醇、7份十二烷基三甲氧基硅烷和0.35份水搅拌均匀，再加入0.1份冰乙酸搅拌均匀，得改性液，
⑤将再处理纤维浸泡于改性液中，静置，清洗，烘干，即得。
经检测，砂浆初始流动度为320mm，初凝时间为32min，1d抗压强度为30.2MPa，1d抗折强度为4.4MPa，28d抗压强度为61.3MPa，28d抗折强度为8.2MPa。
实施例2
高强抗裂磷酸镁水泥砂浆，由以下重量份原料组成：
磷酸镁水泥50份，石英砂35份，铁尾矿砂15份，水11份，改性聚乙烯醇纤维0.3份，聚羧酸减水剂1.5份，
所述磷酸镁水泥由以下重量份原料组成：重烧氧化镁70份，磷酸二氢钾23份，硼砂5份，木质素磺酸钙1.5份，三聚磷酸钠1.1份，
所述改性聚乙烯醇纤维制备工艺为：
①将10份PVA原丝纤维清洗，浸泡至120份环氧树脂-无水乙醇溶液中静置，取出烘干，得预处理纤维，其中环氧树脂与无水乙醇质量比为5:95，
②将预处理纤维浸泡于100份无水乙醇-正硅酸乙酯-水溶液中，搅拌，其中无水乙醇、正硅酸乙酯与水质量比为10:2:1，
③向步骤②溶液中滴加4份氨水，搅拌，清洗，干燥，得再处理纤维，
④将120份无水乙醇、6份十二烷基三甲氧基硅烷和0.4份水搅拌均匀，再加入0.1份冰乙酸搅拌均匀，得改性液，
⑤将再处理纤维浸泡于改性液中，静置，清洗，烘干，即得。
经检测，砂浆初始流动度为340mm，初凝时间为35min，1d抗压强度为37.9MPa，1d抗折强度为5.0MPa，28d抗压强度为68.5MPa，28d抗折强度为8.9MPa。
对比例1
砂浆，由以下重量份原料组成：
P·O42.5水泥45份，石英砂30份，铁尾矿砂20份，水15份，改性聚乙烯醇纤维0.2份，聚羧酸减水剂1.5份，
所述改性聚乙烯醇纤维制备工艺为：
①将10份PVA原丝纤维清洗，浸泡至100份环氧树脂-无水乙醇溶液中静置，取出烘干，得预处理纤维，其中环氧树脂与无水乙醇质量比为10:90，
②将预处理纤维浸泡于120份无水乙醇-正硅酸乙酯-水溶液中，搅拌，其中无水乙醇、正硅酸乙酯与水质量比为12:1:2，
③向步骤②溶液中滴加4份氨水，搅拌，清洗，干燥，得再处理纤维，
④将110份无水乙醇、7份十二烷基三甲氧基硅烷和0.35份水搅拌均匀，再加入0.1份冰乙酸搅拌均匀，得改性液，
⑤将再处理纤维浸泡于改性液中，静置，清洗，烘干，即得。
经检测，砂浆初始流动度为270mm，初凝时间为8h，1d抗压强度为9.8MPa，1d抗折强度为1.6MPa，28d抗压强度为42.7MPa，28d抗折强度为3.9MPa。
对比例2
砂浆，由以下重量份原料组成：
磷酸镁水泥45份，石英砂50份，水16份，改性聚乙烯醇纤维0.2份，聚羧酸减水剂1.5份，
所述磷酸镁水泥由以下重量份原料组成：重烧氧化镁60份，磷酸二氢钾20份，硼砂8份，木质素磺酸钙0.8份，三聚磷酸钠0.9份，
所述改性聚乙烯醇纤维制备工艺为：
①将10份PVA原丝纤维清洗，浸泡至100份环氧树脂-无水乙醇溶液中静置，取出烘干，得预处理纤维，其中环氧树脂与无水乙醇质量比为10:90，
②将预处理纤维浸泡于120份无水乙醇-正硅酸乙酯-水溶液中，搅拌，其中无水乙醇、正硅酸乙酯与水质量比为12:1:2，
③向步骤②溶液中滴加4份氨水，搅拌，清洗，干燥，得再处理纤维，
④将110份无水乙醇、7份十二烷基三甲氧基硅烷和0.35份水搅拌均匀，再加入0.1份冰乙酸搅拌均匀，得改性液，
⑤将再处理纤维浸泡于改性液中，静置，清洗，烘干，即得。
经检测，砂浆初始流动度为280mm，初凝时间为45min，1d抗压强度为23.7MPa，1d抗折强度为2.1MPa，28d抗压强度为50.2MPa，28d抗折强度为4.5MPa。
对比例3
砂浆，由以下重量份原料组成：
磷酸镁水泥45份，石英砂30份，铁尾矿砂20份，水12份，改性聚乙烯醇纤维0.2份，聚羧酸减水剂1.5份，
所述磷酸镁水泥由以下重量份原料组成：重烧氧化镁60份，磷酸二氢钾20份，硼砂10份，
所述改性聚乙烯醇纤维制备工艺为：
①将10份PVA原丝纤维清洗，浸泡至100份环氧树脂-无水乙醇溶液中静置，取出烘干，得预处理纤维，其中环氧树脂与无水乙醇质量比为10:90，
②将预处理纤维浸泡于120份无水乙醇-正硅酸乙酯-水溶液中，搅拌，其中无水乙醇、正硅酸乙酯与水质量比为12:1:2，
③向步骤②溶液中滴加4份氨水，搅拌，清洗，干燥，得再处理纤维，
④将110份无水乙醇、7份十二烷基三甲氧基硅烷和0.35份水搅拌均匀，再加入0.1份冰乙酸搅拌均匀，得改性液，
⑤将再处理纤维浸泡于改性液中，静置，清洗，烘干，即得。
经检测，砂浆初始流动度为250mm，初凝时间为13min，1d抗压强度为25.5MPa，1d抗折强度为2.7MPa，28d抗压强度为58.6MPa，28d抗折强度为5.2MPa。
对比例4
砂浆，由以下重量份原料组成：
磷酸镁水泥45份，石英砂30份，铁尾矿砂20份，水12份，改性聚乙烯醇纤维0.2份，聚羧酸减水剂1.5份，
所述磷酸镁水泥由以下重量份原料组成：重烧氧化镁60份，磷酸二氢钾20份，硼砂8份，木质素磺酸钙0.8份，三聚磷酸钠0.9份，
所述改性聚乙烯醇纤维制备工艺为：将10份PVA原丝纤维清洗，浸泡至100份硅烷偶联剂中静置，取出烘干，即得。
经检测，砂浆初始流动度为270mm，初凝时间为40min，1d抗压强度为17.3MPa，1d抗折强度为1.5MPa，28d抗压强度为44.9MPa，28d抗折强度为3.8MPa。
对比例5
砂浆，由以下重量份原料组成：
磷酸镁水泥45份，石英砂30份，铁尾矿砂20份，水12份，改性聚乙烯醇纤维0.2份，聚羧酸减水剂1.5份，
所述磷酸镁水泥由以下重量份原料组成：重烧氧化镁60份，磷酸二氢钾20份，硼砂8份，木质素磺酸钙0.8份，三聚磷酸钠0.9份，
所述改性聚乙烯醇纤维制备工艺为：
①将10份PVA原丝纤维清洗，浸泡于120份无水乙醇-正硅酸乙酯-水溶液中，搅拌，其中无水乙醇、正硅酸乙酯与水质量比为12:1:2，
②向步骤①溶液中滴加4份氨水，搅拌，清洗，干燥，即得。
经检测，砂浆初始流动度为280mm，初凝时间为35min，1d抗压强度为19.1MPa，1d抗折强度为2.0MPa，28d抗压强度为43.5MPa，28d抗折强度为3.4MPa。
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)
1.一种高强抗裂磷酸镁水泥砂浆，其特征在于，由以下重量份原料组成：
磷酸镁水泥45-50份，石英砂30-35份，铁尾矿砂15-20份，水11-12份，改性聚乙烯醇纤维0.2-0.3份，减水剂1.5份，
所述磷酸镁水泥由以下重量份原料组成：重烧氧化镁60-70份，磷酸二氢钾20-23份，硼砂5-8份，木质素磺酸钙0.8-1.5份，三聚磷酸钠0.9-1.1份，
所述改性聚乙烯醇纤维制备工艺为：
①将10份PVA原丝纤维清洗，浸泡至100-120份环氧树脂-无水乙醇溶液中静置，取出烘干，得预处理纤维，
②将预处理纤维浸泡于100-120份无水乙醇-正硅酸乙酯-水溶液中，搅拌，
③向步骤②溶液中滴加4份氨水，搅拌，清洗，干燥，得再处理纤维，
④将110-120份无水乙醇、6-7份十二烷基三甲氧基硅烷和0.35-0.4份水搅拌均匀，再加入0.1份冰乙酸搅拌均匀，得改性液，
⑤将再处理纤维浸泡于改性液中，静置，清洗，烘干，即得。
2.根据权利要求1所述高强抗裂磷酸镁水泥砂浆，其特征在于，所述重烧氧化镁按重量百分比组成为：10-120μm氧化镁20%，120-400μm氧化镁20%，400-900μm氧化镁60%。
3.根据权利要求1所述高强抗裂磷酸镁水泥砂浆，其特征在于，所述重烧氧化镁由菱镁矿在1700℃高温下煅烧，经粉磨而成。
4.根据权利要求1所述高强抗裂磷酸镁水泥砂浆，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂。
5.根据权利要求1所述高强抗裂磷酸镁水泥砂浆，其特征在于，所述改性聚乙烯醇纤维直径为0.03-0.05mm，长度为10-14mm，抗拉强度≥1600MPa，弹性模量≥40GPa。
6.根据权利要求1所述高强抗裂磷酸镁水泥砂浆，其特征在于，步骤①环氧树脂与无水乙醇质量比为(5-10):(90-95)。
7.根据权利要求1所述高强抗裂磷酸镁水泥砂浆，其特征在于，步骤②无水乙醇、正硅酸乙酯与水质量比为(10-12):(1-2):(1-2)。
8.根据权利要求1所述高强抗裂磷酸镁水泥砂浆，其特征在于，清洗采用无水乙醇。
9.根据权利要求1所述高强抗裂磷酸镁水泥砂浆，其特征在于，烘干采用真空干燥箱。
10.根据权利要求1-9任一项所述高强抗裂磷酸镁水泥砂浆的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）按重量份称取各原料，
2）将磷酸镁水泥、石英砂、铁尾矿砂混合均匀，得干混料，
3）将减水剂溶于水，得外加剂溶液，
4）将外加剂溶液加入干混料，搅拌均匀，加入改性聚乙烯醇纤维，搅拌均匀，得料浆，
5）将料浆成型、脱模、养护，即得。
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