一种低碳水硬性胶凝材料及其制备方法与流程

本发明涉及胶凝材料，具体涉及一种低碳水硬性胶凝材料及其制备方法。

背景技术：

1、水硬性胶凝材料是建筑工业的基础材料，其中硅酸盐水泥占据主导地位，传统硅酸盐水泥的生产需要将石灰石等原料在高温下煅烧，能耗高，碳排放量大，在我国“双碳”战略背景下，水泥行业已被纳入全国碳排放权交易市场管控范围，如何降低胶凝材料的碳排放已成为行业亟需解决的重大课题，同时工业领域存在大量节能型设备，如节能型烘炉可供利用，这些设备在胶凝材料制备过程中的合理应用，可降低生产能耗。

2、磷石膏是湿法磷酸生产过程中产生的工业副产物，产量大、堆存成本高，将磷石膏经改性后用于胶凝材料，可部分替代水泥熟料，从而降低熟料用量和碳排放，但磷石膏中常含有可溶性磷、氟及有机杂质，直接掺入水泥中易导致凝结时间异常、强度降低和体积稳定性不良，此外，现有水硬性胶凝材料在强度、凝结时间和抗腐蚀性能之间难以平衡，抗水侵蚀和抗碳化稳定性也有待提高，限制了产品的使用效率，基于此，本发明对其进一步的改进处理。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种低碳水硬性胶凝材料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、本发明解决技术问题采用如下技术方案：

3、本发明提供了一种低碳水硬性胶凝材料，包括基体水泥料、改性的磷石膏和填充剂以及水；其中基体水泥料、改性的磷石膏和填充剂以及水的物质质量比为（7~11）：（2~3）：（3~5）：6。

4、优选地，所述基体水泥料为po42.5硅酸盐水泥，其中po42.5硅酸盐水泥中还掺杂有1~3%的减水剂，减水剂为聚羧酸减水剂。

5、优选地，所述改性的磷石膏的具体制备方法为：

6、s01，将磷石膏先于烘炉中煅烧处理，煅烧结束，冷却至室温，备用；

7、s02，改性氧化铝晶须的制备；

8、s03，将2~5份3-缩水甘油醚氧基丙基三乙氧基硅烷、1~3份羟基硅油、10~15份双酚a型环氧树脂混合均匀，于90~100℃下预反应1h，随后加入2~4份改性的氧化铝晶须和2~3份纳米氮化硅搅拌充分，得到基于掺调复配的a添加剂；

9、3-缩水甘油醚氧基丙基三乙氧基硅烷兼具环氧基和可水解乙氧基，在预反应中可与环氧树脂的羟基形成化学连接，羟基硅油有助于改善无机填料在树脂中的分散性和体系流动性；

10、s04，将5~10份s01备用的磷石膏加入20~30份无水乙醇中，搅拌均匀形成悬浮液，随后加入s01备用的磷石膏总质量5~9%的3-巯丙基三乙氧基硅烷，体系升温至60~70℃，恒温搅拌反应1~2h，得到基于磷石膏的b添加剂；

11、3-巯丙基三乙氧基硅烷的乙氧基在反应条件下水解，与磷石膏表面的羟基发生脱水缩合，在磷石膏表面引入巯基活性基团；

12、s05，基于磷石膏的b添加剂、基于掺调复配的a添加剂按照重量比（11~15）:4混合，再搅拌反应，反应结束后减压抽滤，滤饼于60~80℃真空干燥4~6h，搅拌结束，抽滤、干燥，得到改性的磷石膏；

13、基于磷石膏的b添加剂表面引入的巯基与a添加剂中环氧树脂的环氧基发生亲核开环反应，形成巯基-环氧化学键合，提高基体原料间的结合稳定性。

14、优选地，s01中所述煅烧处理的煅烧温度170~180℃，煅烧1~2h；s05中所述搅拌反应为60~70℃下搅拌反应0.5~1h。

15、优选地，改性氧化铝晶须的制备方法为：

16、s02a，将无水乙醇、去离子水按照重量比（95~100）：25混合均匀制成无水乙醇与去离子水的混合液；

17、s02b，将氧化铝晶须置于氧化铝晶须总量5~8倍的无水乙醇与去离子水的混合液中进行超声分散，随后加入氨水调节体系的ph值为8.5~9.0；

18、s02c，随后加入无水乙醇与去离子水的混合液总量5~10%的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷于60~65℃恒温搅拌反应2~3h，反应结束后减压抽滤，将所得滤饼采用去离子水洗涤4次，最后室温干燥18~24h，得到改性的氧化铝晶须。

19、氧化铝晶须经γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷表面处理后，其分散性改善，在基于掺调复配的a添加剂中能够更均匀地分布，有助于发挥晶须的增强效应。

20、优选地，超声分散的超声功率350~450w，超声1h。

21、优选地，氧化铝晶须平均直径1~3μm，平均长度20~50μm；纳米氮化硅的粒径20~100nm，比表面积60~100m2/g。

22、优选地，填充剂的制备方法为：

23、s11，将纳米沸石预热至110~120℃，备用，将kh-570溶于乙醇中，配制成质量百分数50~55%的kh-570乙醇溶液；

24、s12，将kh-570乙醇溶液喷雾至预热的纳米沸石表面，喷雾过程中保持搅拌，使纳米沸石表面被溶液均匀浸润，喷雾结束，将体系于80~90℃恒温处理1~2h，得到表面改性纳米沸石；

25、s13，将3~5份片状石墨烯、4~7份表面改性纳米沸石、15~20份乙醇溶剂和1~2份3-氨基丙基三乙氧基硅烷共混，于60~70℃搅拌反应1~2h，然后抽滤、干燥，得到填充剂。

26、通过煅烧活化、硅烷巯基化及环氧-晶须-纳米氮化硅复配改性磷石膏，并引入改性纳米沸石/石墨烯填充剂，构建了多尺度有机-无机杂化增强体系，利用磷石膏替代部分水泥实现固废资源化与低碳减排，通过巯基-环氧化学键合强化磷石膏与水泥基体的界面结合，并借助环氧包覆与硅烷憎水作用改善耐水性，依托氧化铝晶须、石墨烯及纳米沸石实现微纤维-纳米颗粒协同增强增韧，提升强度、抗裂性与抗渗性，同时利用磷石膏水化微膨胀补偿水泥收缩，改善体积稳定性，整体上，该材料在低碳环保、力学性能、耐久性和体积稳定性方面具有综合优势。

27、优选地，纳米沸石的粒径20~80nm，比表面积300~500m2/g；片状石墨烯的片径1~10μm，厚度1~5nm。

28、本发明还提供了一种低碳水硬性胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

29、按照重量份称取原料，将基体水泥料、改性的磷石膏和填充剂以及水共混均匀，共混转速150~250r/min，共混1h，共混结束，浇筑成型，再自然养护7~10d，得到低碳水硬性胶凝材料。

30、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

31、本发明采用改性的磷石膏配合填充剂，降低水泥熟料用量，有利于降低碳排放，同时通过特定工艺制成的改性的磷石膏、填充剂加入到产品中，有利于协调改进产品的强度、凝结时间、抗腐蚀性能、抗水侵蚀和抗碳化稳定性，通过原料之间的共配改进，产品的性能得到平衡协调改进。

1.一种低碳水硬性胶凝材料，其特征在于，包括基体水泥料、改性的磷石膏和填充剂以及水；其中基体水泥料、改性的磷石膏和填充剂以及水的物质质量比为（7~11）：（2~3）：（3~5）：6。

2.根据权利要求1所述的一种低碳水硬性胶凝材料，其特征在于，所述基体水泥料为po42.5硅酸盐水泥，其中po42.5硅酸盐水泥中还掺杂有1~3%的减水剂，减水剂为聚羧酸减水剂。

3.根据权利要求1所述的一种低碳水硬性胶凝材料，其特征在于，所述改性的磷石膏的具体制备方法为：

4.根据权利要求3所述的一种低碳水硬性胶凝材料，其特征在于，s01中所述煅烧处理的煅烧温度170~180℃，煅烧1~2h；s05中所述搅拌反应为60~70℃下搅拌反应0.5~1h。

5.根据权利要求3所述的一种低碳水硬性胶凝材料，其特征在于，改性氧化铝晶须的制备方法为：

6.根据权利要求5所述的一种低碳水硬性胶凝材料，其特征在于，超声分散的超声功率350~450w，超声1h。

7.根据权利要求5所述的一种低碳水硬性胶凝材料，其特征在于，氧化铝晶须平均直径1~3μm，平均长度20~50μm；纳米氮化硅的粒径20~100nm，比表面积60~100m2/g。

8.根据权利要求1所述的一种低碳水硬性胶凝材料，其特征在于，填充剂的制备方法为：

9.根据权利要求8所述的一种低碳水硬性胶凝材料，其特征在于，纳米沸石的粒径20~80nm，比表面积300~500m2/g；片状石墨烯的片径1~10μm，厚度1~5nm。

10.如权利要求1~9任一项所述一种低碳水硬性胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：