一种快速硬化的高强度粉煤灰地聚物材料及其制备方法与流程

1.本发明属于粉煤灰地聚物领域，更具体地，涉及一种快速硬化的高强 度粉煤灰地聚物材料及其制备方法。


背景技术：

2.粉煤灰是煤燃烧的副产物，2018年全国调查的工业企业的粉煤灰综合 利用率为74.9％，未被利用的粉煤灰多采用堆放处理，极易对人体健康和环 境造成威胁。粉煤灰中主要物质为sio2、al2o3、fe2o3、cao等金属氧化 物，其中sio2、al2o3和fe2o3含量占到总量的50wt％以上，大量活性sio2和活性al2o3的存在使得粉煤灰有着类水泥性质，但与传统硅酸盐水泥相比， 粉煤灰水化反应过程较慢，强度形成速度较低，研究短期内激发粉煤灰活 性的方法可拓展粉煤灰在建材领域的应用范围。
3.地聚物的概念是在1978年由法国人davidovits提出的，通过碱激发剂 和低热养护能将富含sio2、al2o3的火山灰材料，如粉煤灰、高炉矿渣、高 岭土等中的硅氧化物和铝氧化物溶解成硅氧和铝氧单体，然后缩聚形成网 状结构的无机高聚物，同时排出多余水，并迅速硬化从而在短期内形成强 度。与水泥相比，地聚物的生产能够大量消耗工业废物，无二次污染，且 强度增长速率快，因此是一种非常有前途的绿色建材。
4.目前的粉煤灰地聚物材料虽然强度形成迅速，但养护1
‑
3天内抗压强 度仅为30
‑
50mpa，若想达到较高强度还需进行长时间的养护。
5.例如，现有技术中，中国专利文献cn110776279a公开了一种工业固 废和水泥混合制备地聚物注浆材料的方法，此方法将浆料静置12h便能得 到粉煤灰/炉底渣/富水电石渣基地聚物，然而此方法对水泥要求较高，初期 强度主要依靠水泥的水化作用，且完全固化后抗压强度仅为48mpa左右。
6.中国专利文献cn111807738a公开了一种粉煤灰地聚物的制备方法， 通过调配粉煤灰、矿渣、熟石灰等原料比例、水玻璃模数等参数，其中水 玻璃模数优化范围为0.5
‑
2.0，水玻璃掺量优化范围为5
‑
25％，并额外添加 标准砂作为骨料以提高粉煤灰地聚物的强度，其最优配方制备的粉煤灰地 聚物在室温放置3天强度仅为35mpa，放置28天强度为65mpa。
7.中国专利文献cn110255996a公开了一种粉煤灰地聚物混凝土的制备 方法，并优化了各原料的掺量，选用的碱激发剂为模数2.5
‑
3.0的硅酸钾溶 液和模数为1.2
‑
2.0的水玻璃组合，但其所用的原料种类繁多且部分原料成 本较高，如聚合物纤维、防锈剂、陶瓷微球等，最终制备的50％粉煤灰掺 量的地聚物混凝土在标准养护28天后抗压强度为47.1mpa。
8.中国专利文献cn108529913a公开了一种粉煤灰地聚物材料的制备方 法，使用粉煤灰、萘系激发剂和减水剂制备粉煤灰地聚物材料，蒸煮8h后 抗压强度仅为43.6mpa，28天后抗压强度为62.7mpa，且所用粉煤灰须经 过研磨粉碎等物理方法增强活性，增加了能耗。
9.目前现有的粉煤灰地聚物制备方法大多是采用碱激发的方式，通过调 整粉煤灰掺量、碱激发剂中水玻璃模数、碱激发剂掺量等来提高粉煤灰地 聚物的抗压强度，但养护
1
‑
3天内抗压强度还是较低仅为30
‑
50mpa。


技术实现要素：

10.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种快速硬化的 高强度粉煤灰地聚物材料及其制备方法，其目的在于添加高炉矿渣，使地 聚物浆料中缩聚反应和水化反应同时发生，实现快速形成强度，且有效提 高抗压强度，由此解决现有技术中养护时间长，且抗压强度较低的技术问 题。
11.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种快速硬化的高 强度粉煤灰地聚物材料的制备方法，所述方法包括下列步骤：
12.(1)将粉煤灰与高炉矿渣混合均匀，得到混合粉料；
13.(2)向所述混合粉料中加入碱激发剂、纳米增强剂和水混合并搅拌均 匀，在搅拌过程中同时发生缩聚反应和水化反应，该两个反应完成后得到 地聚物浆料；
14.(3)将所述地聚物浆料倒入模具后依次进行振荡、静置，然后将静置 完成的地聚物浆料进行加热干燥，脱模得到粉煤灰地聚物材料。
15.优选地，所述混合粉料中粉煤灰的质量分数为60
‑
90％，高炉矿渣的质 量分数为10
‑
40％；所述粉煤灰中sio2的质量分数为50
‑
60％，al2o3的质量 分数为25
‑
35％；所述高炉矿渣中cao的质量分数为40
‑
50％。
16.优选地，所述地聚物浆料中水灰比为0.3
‑
0.35。其中，该地聚物浆料中 水灰比是指地聚物浆料中水与混合粉料的质量比。优选地，所述碱激发剂 为水玻璃，所述水玻璃的模数为1.3
‑
1.5，所述碱激发剂的加入质量以碱激 发剂中na2o的质量计，所述碱激发剂的加入质量为所述混合粉料质量的 8
‑
10％。
17.优选地，所述纳米增强剂为含有sio2的纳米增强剂，所述纳米增强剂 中sio2的质量分数大于50％，所述纳米增强剂的加入质量为所述混合粉料 质量的0.2
‑
1％。
18.优选地，所述振荡的时间为2
‑
5min，振荡频率2500
‑
2800hz。优选地， 所述静置的时间为30
‑
60min。优选地，所述加热干燥具体为在烘箱中进行 加热干燥，干燥温度为60
‑
75℃，干燥时间为24
‑
48h。
19.优选地，所述粉煤灰的粒径为10
‑
30μm，所述向所述混合粉料中加入 碱激发剂、纳米增强剂和水混合并搅拌均匀，具体为向所述混合粉料中加 入碱激发剂、纳米增强剂和水搅拌4
‑
8min，该搅拌具体为先按照145
‑
155 r/min的搅拌速率搅拌，然后按照290
‑
310r/min的搅拌速率搅拌；优选地， 所述搅拌具体为先按照150r/min的照搅拌速率搅拌2min，再按照300r/min 的搅拌速率为搅拌2min。
20.其中地聚物反应机理如下所示，水化反应机理如公式(1)、(2)所 示：
21.xca(oh)2 sio2 mh2o＝xcao
·
sio2·
nh2o
ꢀꢀꢀ
(1)
22.xca(oh)2 al2o3 mh2o＝xcao
·
al2o3·
nh2o
ꢀꢀꢀ
(2)
23.地聚反应的机理如下所示：
[0024][0025]
按照本发明的另一个方面，提供了一种通过上文所述的制备方法制备 得到的一种快速硬化的高强度粉煤灰地聚物材料。
[0026]
优选地，所述粉煤灰地聚物材料在60
‑
75℃温度下加热干燥24h后， 抗压强度为70mpa。
[0027]
以上总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比， 至少能够取得下列有益效果。
[0028]
(1)本发明提供的制备方法中添加高炉矿渣来增加浆料中钙离子，使 地聚物浆料
中缩聚反应和水化反应同时发生，水化反应产生的凝胶物质能 填补浆料中颗粒挤压产生的间隙，同时水化反应能够消耗地聚物反应产生 的水，防止地聚物成型过程中，水受热汽化产生压强，撑大内部孔隙，地 聚物反应产生的水分大部分被水化反应消耗，提高强度的同时减少多余水 分形成的孔隙，从而实现了有效提高粉煤灰地聚物材料的抗压强度。同时 水的消耗能够加快地聚物的干燥速度，缩聚反应速率加快，达到强度速成 的效果。通过本发明提供的方法制备得到的粉煤灰地聚物在60
‑
75℃干燥 24h抗压强度便能达到70mpa以上，达到了甚至高于同类产品养护28d 后形成的强度。
[0029]
(2)本发明中，通过添加纳米增强剂一方面使其含有的sio2活性成分 参与粉煤灰地聚物制备过程中的缩聚和水化反应，另一方面由于纳米增强 剂较强的吸水性，少量纳米增强剂的添加可以调整水灰比使缩聚反应和水 化反应达到平衡，既能保证粉煤灰充分激发活性，又无多余水分影响硬化 效果，使地聚物强度形成速率快，强度高。
[0030]
(3)本发明步骤3中采用振荡处理，破坏地聚物浆料中的孔隙结构， 实际剖面图如附图1所示，一方面大孔分散为微孔，孔隙中的空气上浮至 浆料上表面，内部结构更为密实，从而克服了内部中空带来的受力不均的 问题；另一方面振荡使浆料内部各混合成分分散更加均匀，接触面积增加， 从而使水玻璃激发剂与粉煤灰和高炉矿渣的反应更加充分，达到快速形成 强度的目的。
[0031]
(4)本发明中采用温度为60
‑
75℃加热干燥，养护条件避免了蒸压釜 等设备的使用，仅在低热干燥的条件下便可完成养护，工艺对设备的要求 低，相比于蒸汽养护、蒸压养护的方式更容易实现，容易扩大生产规模。 本发明提供的粉煤灰地聚物材料可作为一种良好的建筑材料使用，既可以 作为建筑材料的墙体砖、板材以及市政工程的地砖和植草砖；也可以破碎 后作为混凝土轻质骨料。
附图说明
[0032]
图1是本技术较佳实施例提供的粉煤灰地聚物材料剖面图。
具体实施方式
[0033]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，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。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。
[0034]
本发明下列实施例中粉煤灰、高炉矿渣、碱激发剂、纳米增强剂的来 源说明如下。
[0035]
粉煤灰：购自浙江兰溪电厂，其sio2质量分数为50.47％，al2o3质量 分数为34.67％。
[0036]
高炉矿渣：购自腾川矿产品公司，其cao质量分数为47.32％。
[0037]
碱激发剂：水玻璃，购自浙江金华永明泡花碱厂。
[0038]
纳米增强剂：购自上海每天节能环保科技有限公司，产品名称为透水 混凝土凝胶增强剂，其sio2质量分数为54.06％。
[0039]
实施例1
[0040]
本实施例提供一种粉煤灰地聚物材料，其通过下列方法制备得到：
[0041]
(1)将粉煤灰与高炉矿渣在水泥净浆搅拌机中混合搅拌至混合均匀。 其中，粉煤灰的质量占混合粉料的80％，高炉矿渣的质量占混合粉料的20％。
[0042]
(2)向搅拌后的粉料中投加水玻璃、纳米增强剂和水，并在原搅拌机 中先慢搅2min，搅拌速率为150r/min，再快搅2min，搅拌速率为300r/min， 得到地聚物浆料。其中，所述水玻璃的模数为1.3，水玻璃的加入质量以水 玻璃中na2o的质量计，所述水玻璃的加入质量为混合粉料质量的8％；纳 米增强剂的加入质量为混合粉料质量的0.2％；得到的地聚物浆料的水灰比 为0.3。
[0043]
(3)将浆料倒入钢制模具中，浆料连同模具放置于水泥振荡平台上， 振荡频率为2500hz，振荡时间为2min。
[0044]
(4)振荡后的地聚物浆料连同模具在自然条件下静置1h后，放入75℃ 烘箱中干燥24h，得到粉煤灰地聚物材料。
[0045]
实施例2
[0046]
本实施例提供一种粉煤灰地聚物材料，其通过下列方法制备得到：
[0047]
(1)将粉煤灰与高炉矿渣在水泥净浆搅拌机中混合搅拌至混合均匀。 其中，粉煤灰的质量占混合粉料的80％，高炉矿渣的质量占混合粉料的20％。
[0048]
(2)向搅拌后的粉料中投加水玻璃、纳米增强剂和水，并在原搅拌机 中先慢搅2min，搅拌速率为150r/min，再快搅2min，搅拌速率为300r/min， 得到地聚物浆料。其中，所述水玻璃的模数为1.3，水玻璃的加入质量以水 玻璃中na2o的质量计，所述水玻璃的加入质量为混合粉料质量的10％；纳 米增强剂的加入质量为混合粉料质量的0.2％；得到的地聚物浆料的水灰比 为0.3。
[0049]
(3)将浆料倒入钢制模具中，浆料连同模具放置于水泥振荡平台上， 振荡频率为2500hz，振荡时间为2min。
[0050]
(4)振荡后的地聚物浆料连同模具在自然条件下静置1h后，放入60℃ 烘箱中干燥24h，得到粉煤灰地聚物材料。
[0051]
实施例3
[0052]
本实施例提供一种粉煤灰地聚物材料，其通过下列方法制备得到：
[0053]
(1)将粉煤灰与高炉矿渣在水泥净浆搅拌机中混合搅拌至混合均匀。 其中，粉煤灰的质量占混合粉料的80％，高炉矿渣的质量占混合粉料的20％。
[0054]
(2)向搅拌后的粉料中投加水玻璃、纳米增强剂和水，并在原搅拌机 中先慢搅2min，搅拌速率为150r/min，再快搅2min，搅拌速率为300r/min， 得到地聚物浆料。其中，所述水玻璃的模数为1.3，水玻璃的加入质量以水 玻璃中na2o的质量计，所述水玻璃的加入质量为混合粉料质量的10％；纳 米增强剂的加入质量为混合粉料质量的0.2％；得到的地聚物浆料的水灰比 为0.32。
[0055]
(3)将浆料倒入钢制模具中，浆料连同模具放置于水泥振荡平台上， 振荡频率为2500hz，振荡时间为2min。
[0056]
(4)振荡后的地聚物浆料连同模具在自然条件下静置1h后，放入75℃ 烘箱中干燥24h，得到粉煤灰地聚物材料。
[0057]
实施例4
[0058]
本实施例按照与实施例1相同的方法制备粉煤灰地聚物材料，不同之 处在于，步
骤(2)中地聚物浆料的水灰比为0.35。
[0059]
对比例1
[0060]
本对比例按照与实施例1相同的方法制备粉煤灰地聚物材料，不同之 处在于，步骤(2)中地聚物浆料的水灰比为0.28。
[0061]
对比例2
[0062]
本对比例按照与实施例1相同的方法制备粉煤灰地聚物材料，不同之 处在于，步骤(2)中地聚物浆料的水灰比为0.37。
[0063]
将以上实施例1
‑
4和对比例1
‑
2制备得到的粉煤灰地聚物材料试块进 行抗压强度测试，该测试方法按照混凝土路面砖jct446
‑
2000进行。得到 结果如表1所示：
[0064]
表1粉煤灰地聚物试块抗压强度
[0065]
试块编号抗压强度/mpa实施例174.49实施例271.68实施例375.49实施例470.68对比例163.58对比例264.77
[0066]
可以看出，通过本技术提供的制备方法，在步骤(2)之后得到的地聚 物浆料的水灰比对粉煤灰地聚物材料的影响为：水灰比在0.30
‑
0.35之间粉 煤灰地聚物材料的性能较好，抗压强度均在70mpa以上；水灰比低于0.30 时，粉煤灰地聚物成型较为困难从而抗压强度低于70mpa；水灰比高于0.35 时，粉煤灰地聚物中游离水较多，在烘箱烘干时形成的微孔较多从而抗压 强度低于70mpa。
[0067]
实施例5
[0068]
本实施例按照与实施例1相同的方法制备粉煤灰地聚物材料，不同之 处在于，步骤(2)中，所述纳米增强剂的加入质量为混合粉料质量的0.5％。
[0069]
实施例6
[0070]
本实施例按照与实施例1相同的方法制备粉煤灰地聚物材料，不同之 处在于，步骤(2)中，所述纳米增强剂的加入质量为混合粉料质量的1.0％。
[0071]
对比例3
[0072]
本对比例按照与实施例1相同的方法制备粉煤灰地聚物材料，不同之 处在于，步骤(2)中，所述纳米增强剂的加入质量为混合粉料质量的0％。
[0073]
对比例4
[0074]
本对比例按照与实施例1相同的方法制备粉煤灰地聚物材料，不同之 处在于，步骤(2)中，所述纳米增强剂的加入质量为混合粉料质量的2.0％。
[0075]
将实施例1、5、6和对比例3
‑
4制备得到的粉煤灰地聚物材料试块进 行抗压强度测试，该测试方法按照混凝土路面砖jct446
‑
2000进行。得到 结果如表2所示：
[0076]
表2粉煤灰地聚物试块抗压强度
[0077]
试块编号抗压强度/mpa实施例174.12
实施例575.36实施例676.16对比例368.64对比例464.58
[0078]
可以看出，通过本技术提供的制备方法，在步骤(2)之后加入纳米增 强剂对粉煤灰地聚物材料的影响为：纳米增强剂掺量占混合粉料质量的 0.2
‑
1％时，粉煤灰地聚物的抗压强度随纳米增强剂掺量提升而增加，这是 由于纳米增强剂参与了地聚物制备过程中的水化反应和缩聚反应。当纳米 增强剂掺量大于混合粉料质量的1％时，粉煤灰地聚物抗压强度小于70mpa， 这是由于纳米增强剂的吸水性较高，使缩聚反应和水化反应未反应完全， 导致地聚物难以成型。
[0079]
实施例7
[0080]
本实施例按照与实施例1相同的方法制备粉煤灰地聚物材料，不同之 处在于，步骤(3)中振荡时间为3min。
[0081]
实施例8
[0082]
本实施例按照与实施例1相同的方法制备粉煤灰地聚物材料，不同之 处在于，步骤(3)中振荡时间为5min。
[0083]
对比例5
[0084]
本对比例按照与实施例1相同的方法制备粉煤灰地聚物材料，不同之 处在于，步骤(3)中振荡时间为1min。
[0085]
对比例6
[0086]
本对比例按照与实施例1相同的方法制备粉煤灰地聚物材料，不同之 处在于，步骤(3)中振荡时间为10min。
[0087]
将实施例1、7、8和对比例5
‑
6制备得到的粉煤灰地聚物材料试块进行 抗压强度测试，该测试方法按照混凝土路面砖jct446
‑
2000进行。得到结 果如表3所示：
[0088]
表3粉煤灰地聚物试块抗压强度
[0089]
试块编号抗压强度/mpa实施例174.12实施例774.98实施例875.12对比例558.54对比例665.48
[0090]
可以看出，通过本技术提供的制备方法，在步骤(3)中改变振荡时间 对粉煤灰地聚物材料的影响为：振荡时间在2
‑
5min之间粉煤灰地聚物材料 的性能较好，抗压强度在70mpa以上；振荡时间低于2min时粉煤灰地聚 物中的微孔较多，且地聚物中的混料不够均匀从而抗压强度低于70mpa； 振荡时间高于5min时粉煤灰地聚物的内部结构被外力所破坏，从而抗压强 度低于70mpa。
[0091]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。