一种改性粉煤灰工程材料及其制备方法和应用与流程
本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种改性粉煤灰工程材料及其制备方法和应用。
背景技术：
1、粉煤灰主要成分为sio2、al2o3、fe2o3（合计≥80%），属于潜在水硬性火山灰质混合材料，优质品烧失量≤5%。其为灰白色至灰黑色粉末，以球形玻璃微珠为主，比表面积大，堆积密度700-1000kg/m³，优质品45μm方孔筛筛余≤12%。常规粉煤灰具备火山灰活性、形态效应和微集料效应，可与水泥水化产物反应生成胶凝产物，改善混凝土和易性、密实度；因此，其常常作为水泥混合材料应用到水泥生产领域或者作为混凝土掺合料掺混在混凝土中，粉煤灰在混凝土中的掺量普遍达25%-40%。
2、根据氧化钙含量，粉煤灰分为c类（氧化钙含量>10%，具水硬性）和f类（氧化钙含量<10%，具火山灰活性），其中f类常作为混凝土掺合料替代水泥掺混在混凝土中，c类可直接制备水泥。
3、粉煤灰通过形态效应、填充效应、活性效应三重作用，能提升混凝土密实度、和易性与耐久性，但存在早期强度低的问题。其中，粉煤灰混凝土在3天、7天强度显著低于基准混凝土，掺量越高表现越明显，影响施工进度。并且，粉煤灰混凝土的抗冻、抗碳化能力下降，质量波动较大，成品收缩与开裂风险较高，导致适用场景受限。
技术实现思路
1、本发明提供了一种改性粉煤灰工程材料及其制备方法，以解决现有粉煤灰混凝土存在早期强度低、性能降低的问题。
2、第一方面，本发明提供了一种改性粉煤灰工程材料，以重量份数计，包括：基材100份，聚丙烯酰胺0.01-0.1份，混凝土速凝剂0.15-0.3份；基材中包括混凝土60-65份，粉煤灰35-40份。
3、混凝土的组成为水泥+水+细骨料（砂）+粗骨料（石子），必要时还需要添加一些外加剂（例如：减水剂、引气剂等）和掺合料（例如：矿渣粉等）。水泥的主要成分为硅酸三钙（c3s）、硅酸二钙（c2s）、铝酸三钙（c3a）等熟料，辅以石膏等调凝剂。
4、其中，聚丙烯酰胺的分子量直接决定其增稠能力、分子链桥接效果，是平衡性能与施工性的关键指标，针对不同施工场景，其适用的聚丙烯酰胺的分子量不同，具体如下表1所示。
5、表1
6、
7、例如：上述不同混凝土的适用场景，可以采用比表面积，净浆流动度（iso 679 或gb/t 8077），砂浆扩展度（jc/t 986《自流平砂浆》），混凝土坍落扩展度（gb/t 50080），可控初凝时间（gb/t 1346），不同时间抗压强度（参照tb/t 3193《铁路工程预应力筋用夹片式锚具、夹具和连接器技术条件》附录b及jg/t 289《混凝土结构加固用聚合物砂浆》），含气量，28d 干燥收缩，体系中颗粒zeta电位绝对值等具体物化性能进行限定。
8、具体的，①中，初凝 40-120min，初终凝间隔≤60min，初凝波动≤±10min。混凝土坍扩 600-750mm，t50 为 2-6s；砂浆初始流动度≥240mm，零泌水。4h 抗压≥15-25mpa，1d≥40mpa，28d≥50mpa；含气量 2-4%，28d 干燥收缩≤0.06%。砂浆参考jc/t 985-2017，混凝土参照jgj/t 283 自密实混凝土规程，凝结时间、早强指标依靠试验确定。
9、②中，常规泵送、抗渗抗裂、路面铺装混凝土及普通砂浆，坍扩 450-600mm，泵送t50 5-12s；抗渗≥p8。路面 28d 抗压 30-45mpa，抗折≥4.0mpa；砂浆流动度 180-220mm。凝结时间初凝 180-300min，泌水率≤2%，干燥收缩≤0.08%，兼顾施工性、抗裂耐久与经济性，为工程通用优选区间。泵送、抗渗抗裂、路面铺装、普通砂浆：泵送jgj/t10；路面jtg/tf30；防水混凝土gb50108；配合比jgj/t55；砂浆jgj/t 98、jgj/t70建标库。
10、③中，需抗分离抗泌水，泌水率≤1%；水下坍扩 550-650mm；喷射混凝土速凝，初凝2-5min；大体积严控温降，28d 抗压 35-50mpa，抗渗≥p10，兼顾抗骨料泥料干扰、抗冲刷，抑制离析泌水，适配复杂严苛施工工况。高落差水下、高含泥骨料、喷射、高抗泌水大体积混凝土：大体积gb50496；喷射jgj/t372；水下混凝土参考 sl/t 352，骨料按jgj52控制含泥量。
11、④中，非主体结构用浆体，凝结快速可控，初凝数分钟至几十分钟，流动度满足注浆充填，泌水率趋近于 0；28d 抗压 20-40mpa，侧重固结止水抗渗，不追求高力学强度，适应裂隙充填帷幕封堵，允许适度塑性变形，满足防渗堵漏工况需求。堵漏注浆、止水帷幕（非主体）：地下注浆防水gb50108；注浆材料参考 jc/t 984，帷幕、堵漏浆液以配合比试验为主，无专用混凝土国标。
12、本发明的混凝土速凝剂是通过化学作用强制加速水泥水化进程、快速生成凝结骨架，辅助物理作用，实现混凝土短时间内凝结硬化，适配喷射混凝土、紧急抢修等场景，其化学作用和物理作用的核心机理如下：
13、①化学核心作用：碱性速凝剂的铝酸钠遇水后快速电离，与水泥水化体系发生反应，一是消除石膏的缓凝作用，促使水泥中铝酸三钙（c3a）快速水化，二是快速生成大量不溶于水的针状或网状结晶（如钙矾石 aft、水化铝酸钙 cah 等），这些结晶在水泥颗粒间交叉搭接，形成初步刚性骨架，使混凝土快速失去流动性，实现初凝。不同类型速凝剂反应存在差异，其中，铝酸钠（碱性）会加速硫酸钙消耗，生成单硫型水化硫铝酸钙（afm）和 cah，实现闪凝；
14、（2）物理辅助作用：速凝剂粉体颗粒细小、分散性好，可均匀分布在水泥浆体中，增大水化反应接触面积，减少水泥颗粒团聚，让水化反应同步快速发生；同时部分成分可降低浆体表面张力，加快水分渗透，进一步提升水化速率，辅助缩短凝结时间。
15、同时，混凝土速凝剂还会促进水化硅酸钙（c-s-h）凝胶生成，填充结晶骨架缝隙，形成致密结构，避免 “凝而不硬”，确保混凝土凝结后快速产生早期强度，同时部分无碱速凝剂可优化孔结构，减少有害孔隙，缓解后期强度损失。
16、混凝土速凝剂的加速水化效果，高度依赖与混凝土原材料的适配性，适配性不良会直接导致速凝失效、强度不达标。因此，混凝土速凝剂与所用水泥的适配性（水泥的矿物组成、石膏掺量、细度、碱含量），直接决定速凝剂的加速效果，选型前必须完成水泥净浆适应性试验：
17、其中，c3a 含量高的水泥：优先选铝酸盐系、硫酸铝系速凝剂，可快速匹配 c3a 水化，速凝效果更稳定；石膏掺量高的缓凝型水泥：优先选可快速消耗可溶性石膏、抵消缓凝作用的速凝剂，避免石膏的缓凝效应抵消速凝效果；低热水泥、矿渣水泥：优先选兼具早强激发功能的无碱速凝剂，弥补水泥本身水化活性低的短板。
18、在一种可选的实施方式中，所述混凝土速凝剂选择为铝酸钠。
19、在一种可选的实施方式中，所述粉煤灰的烧失量≤5%、需水量比≤105%、筛余≤12%。
20、其中，烧失量是指粉煤灰在950±25℃高温下灼烧至恒重后，质量减少的百分比，参考《gb/t 1596—2017 用于水泥和混凝土中的粉煤灰》；需水量比是指在流动度相同（如130–140 mm）条件下，粉煤灰胶砂（粉煤灰+水泥+水）所需用水量与基准水泥胶砂（纯水泥+水）用水量之比（%），参考《gb/t 1596》附录a；筛余是指用 45μm 方孔筛进行筛选后剩余的粉煤灰的质量百分比，参考gb/t 1596—2017。
21、混凝土速凝剂与粉煤灰等掺合料的适配性选型通常需满足以下 3 点：
22、①高掺量粉煤灰混凝土（掺量≥30%）：优先选无碱硫酸铝系速凝剂，也可以采用铝酸钠，其不会抑制粉煤灰二次水化，可同步激发粉煤灰活性，避免其他速凝剂导致的 “早期速凝、后期水化停滞、强度倒缩” 的问题；
23、②高碳粉煤灰（烧失量高，烧失量高于5%，例如烧失量为5%-8%时）：优先选分散性好、抗吸附能力强的无碱混凝土速凝剂（例如：无碱硫酸铝），避免未燃尽碳颗粒吸附速凝剂有效组分，导致加速效果大幅下降；
24、③复合掺合料体系（粉煤灰+矿粉）：优先选择可同时激发多种掺合料活性的复合型速凝剂，其中包含铝酸钠，以保证全胶凝体系的水化加速效果。
25、同时，还需要确认速凝剂其与其他外加剂的相容性，例如速凝剂与混凝土所用减水剂（尤其是聚羧酸系减水剂）、引气剂、防冻剂等无拮抗作用，不会出现分层、沉淀、泌水、速凝效果失效、和易性恶化等问题。
26、并确认速凝剂与拌合水、骨料的适配性，即，与拌合水、骨料中成分不存在拮抗作用。例如：海水、地下水拌合的混凝土，需确认水中的氯离子、硫酸根等不会与速凝剂有效组分发生副反应，避免加速效果衰减；对于活性骨料混凝土，严禁选择高碱速凝剂，优先选用无碱无钾速凝剂，避免加速碱骨料反应，引发混凝土膨胀开裂。
27、第二方面，本发明还提供了改性粉煤灰工程材料的制备方法，包括：将粉煤灰和混凝土混合（例如：以粉煤灰作为基底加入混凝土），维持搅拌，随后按顺序加入聚丙烯酰胺和混凝土速凝剂，全部加入后继续搅拌后获得改性粉煤灰工程材料。
28、第三方面，本发明还提供了改性粉煤灰工程材料在产生粉煤灰的场地的建筑工程中的应用。
29、优选为火电灰场的建筑工程中的应用。
30、例如：在火电灰场的建筑改造、增高的工程中应用。
31、本发明应用，可以利用场地中的粉煤灰作为材料主体之一，以较低的成本改善粉煤灰混凝土性质，提高其承载力、抗压抗剪性能，使其具备更优质的施工能力，同时提高其硬化成型速率，有效提高施工效率，加快施工进度。
32、本发明技术方案，具有如下优点：
33、1.本发明提供的一种改性粉煤灰工程材料，以重量份数计，包括：基材100份，聚丙烯酰胺0.01-0.1份，混凝土速凝剂0.15-0.3份；基材中包括混凝土60-65份，粉煤灰35-40份。其中，混凝土提供主体强度、粘接性、成型性；粉煤灰中的活性sio2、al2o3会与水泥水化产生的氢氧化钙ca(oh)2在碱性激发下，发生二次水化反应，生成水化硅酸钙（c-s-h）、水化铝酸钙等胶凝产物；这些产物不断填充孔隙、增强界面粘结，使混凝土后期强度持续增长，弥补早期强度偏低的不足。本发明添加的聚丙烯酰胺（pam），利用其本身独特的分子结构与水泥体系的相互作用实现以下功能；①吸附与分散：长链分子吸附于水泥颗粒表面，通过电荷中和减少颗粒间静电排斥，促进絮凝与团聚；②网络形成：分子链相互交织形成三维网状结构，包裹水分子并增强水泥浆体凝聚力；③水化调控：与 ca²+等水化产物形成络合物，影响水泥水化进程与产物形貌；④裂纹桥接：当混凝土受外力产生裂纹时，pam 分子链可跨接裂纹两侧，形成微纤维，阻止裂纹扩展；⑤界面优化：改善水泥浆体与骨料界面粘结，减少界面过渡区缺陷。具体的，本发明中的改性粉煤灰工程材料中掺加 0.05% 的pam，抗折强度提高 22%，粘结强度提高 35%，抗磨性提高 28%；混凝土凝固时间缩短30%-50%。
34、2.本发明提供的制备方法简单易操作，能提高现场生产能力，有效提供一种高性能易加工的改性粉煤灰工程材料。