本发明涉及建筑材料
技术领域：
，特别涉及氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料、砂浆、混凝土及制备方法。
背景技术：
：目前在工程建设中所使用的主要胶凝材料为水泥，水泥在生产过程中不仅会消耗大量的能源，同时也会排放出大量的二氧化碳，这对环境会造成极大的影响，因此寻求一种能够代替水泥制备高性能混凝土的新型胶凝材料，对环境保护以及可持续发展具有重要的意义。技术实现要素：本发明的主要目的是提出一种氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料、砂浆、混凝土及制备方法，旨在提供一种能够代替水泥制备高性能混凝土的新型胶凝材料。为实现上述目的，本发明提出一种氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料，包括以下质量份数的组分：优选地，所述氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料包括以下质量份数的组分：优选地，所述氧化石墨烯的层数为1～5层，所述氧化石墨烯的单层厚度为0.3～1.5nm，且单片所述氧化石墨烯的长度为5～25μm。优选地，所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂。本发明还提出一种如上所述的氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：将氧化石墨烯溶解于1/3拌合水中，形成第一溶液；将α-烯烃磺酸钠、三异丙醇胺和减水剂溶解于剩下的2/3拌合水中，形成第二溶液；将垃圾焚烧飞灰、425#水泥、硅灰、氢氧化钠和磷酸钠通过干拌混合形成粉料，然后向粉料中兑入第二溶液，进行第一次搅拌，再兑入第一溶液，进行第二次搅拌，得到氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料。优选地，将垃圾焚烧飞灰、425#水泥、硅灰、氢氧化钠和磷酸钠通过干拌混合形成粉料，然后向粉料中兑入第二溶液，进行第一次搅拌，再兑入第一溶液，进行第二次搅拌，得到氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料的步骤，具体包括：将垃圾焚烧飞灰、425#水泥、硅灰、氢氧化钠和磷酸钠在强制式搅拌机中干拌混合5～10min形成粉料，然后向粉料中兑入第二溶液，于135～145r/min转速下搅拌5～10min，再兑入第一溶液，于280～290r/min转速下搅拌8～12min，得到氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料。本发明还进一步提出一种氧化石墨烯改性飞灰建筑用砂浆，包括氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料和砂子，所述砂子的质量为所述氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料质量的1.5～3.5倍；其中，所述氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料为如上所述的氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料。优选地，所述砂子的粒径为0.3～4.0mm。本发明还进一步提出一种氧化石墨烯改性飞灰建筑用混凝土，包括氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料、砂子以及石子，所述砂子和石子的质量对应为所述氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料质量的0.8～2倍和2～4倍；其中，所述氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料为如上所述的氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料。优选地，所述砂子的粒径为0.3～4.0mm；和/或，所述石子的粒径为5～35mm。本发明提供的氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料，以垃圾焚烧飞灰、425#水泥、硅灰、氢氧化钠、α-烯烃磺酸钠、磷酸钠、氧化石墨烯、三异丙醇胺和减水剂为主要原料，使氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料制备的砂浆和混凝土的强度满足施工需要，同时其耐久性更好，更能满足其使用要求，还能够有效固化飞灰中重金属；而且，使用垃圾焚烧飞灰替代部分水泥，不仅有效解决了垃圾焚烧飞灰的污染问题，还大大降低了建筑胶凝材料的成本，达到固废再利用和节能环保的双重效果。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。本发明提出一种氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料，包括以下质量份数的组分：优选地，所述氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料包括以下质量份数的组分：垃圾焚烧飞灰(简称：飞灰)是垃圾焚烧发电的固体废料之一，含大量重金属，对环境危害极大。根据《生活垃圾焚烧污染控制标准》(gb18485-2014)的强制要求：生活垃圾焚烧飞灰应按危险废物管理。从表1中比较发现飞灰和粉煤灰以及水泥的化学成分相似。大量研究发现飞灰与粉煤灰相似，具有潜在火山灰特性，通过一定的化学手段，如碱激活、破坏飞灰外层的玻璃体等，释放活性sio2、al2o3，同时将网络聚集体解聚、瓦解成[sio4]、[alo4]等单体或双聚体等活性物，最终反应生成c-s-h、c-a-h等水硬性胶凝物质。表1各国垃圾焚烧飞灰的化学成分与325#水泥、粉煤灰的比较本发明中通过化学物质激活飞灰，即利用氧化石墨烯(go)调控激活后的飞灰微观结构、水化产物及小孔溶液成分等来制备氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料、砂浆、混凝土，实现飞灰资源化综合利用。其中，α-烯烃磺酸钠(aos)为一种表面活性剂，对垃圾焚烧飞灰中的碳有一定的包裹作用，能有效抑制碳对垃圾焚烧飞灰活性的影响。所述氧化石墨烯可以为单层或者多层的氧化石墨烯，在本实施例中，所述氧化石墨烯优选为1～5层的氧化石墨烯，所述氧化石墨烯的单层厚度为0.3～1.5nm，且单片所述氧化石墨烯的长度为5～25μm。所述减水剂优选为聚羧酸高性能减水剂(例如tj-1系列聚羧酸高性能减水剂)。聚羧酸高性能减水剂是以聚羧酸盐为主体的多种高分子有机化合物，经接枝共聚生成的，具有极强的减水性能，属当今世界上技术领先的环保型混凝土外加剂，已广泛应用于水利、电力、港口、铁路、桥梁、公路、机场、军事工程以及各种工民建主体结构的混凝土施工。本发明进一步提出一种如上所述的氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：步骤s10、将氧化石墨烯溶解于1/3拌合水中，形成第一溶液；其中，所述氧化石墨烯溶解于拌合水中可以通过超声分散的方式进行，使所述氧化石墨烯充分溶解即可。当然，在其他实施例中，还可以通过其他常规的分散方法进行，例如快速搅拌等。步骤s20、将α-烯烃磺酸钠、三异丙醇胺和减水剂溶解于剩下的2/3拌合水中，形成第二溶液；步骤s30、将垃圾焚烧飞灰、425#水泥、硅灰、氢氧化钠和磷酸钠通过干拌混合形成粉料，然后向粉料中兑入第二溶液，进行第一次搅拌，再兑入第一溶液，进行第二次搅拌，得到氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料。先将垃圾焚烧飞灰、425#水泥、硅灰、氢氧化钠和磷酸钠通过干拌混合(5～10min)，得到混合粉料，然后向混合粉料中逐渐兑入步骤s20中制备的所述第二溶液，连续搅拌一段时间后，再兑入步骤s10中制备的所述第一溶液，快速搅拌一段时间后，即得所述氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料。在本实施例中，步骤s30具体可采用如下方式进行：将垃圾焚烧飞灰、425#水泥、硅灰、氢氧化钠和磷酸钠在强制式搅拌机中干拌混合5～10min形成粉料，然后向粉料中兑入所述第二溶液，于135～145r/min转速下搅拌5～10min，再兑入所述第一溶液，于280～290r/min转速下搅拌8～12min，即得到氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料，具有方法简单、操作性强的特点，施工方便且易于推广使用。当然，在其他实施例中，步骤s30实施时也可以采用其他类型的搅拌结进行搅拌，或者采用其他本领域常规的搅拌方式进行。本发明提供的氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料，至少具有以下优点：(1)以垃圾焚烧飞灰、425#水泥、硅灰、氢氧化钠、α-烯烃磺酸钠、磷酸钠、氧化石墨烯、三异丙醇胺和减水剂为主要原料，使氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料制备的砂浆和混凝土的强度满足施工需要，同时其耐久性更好，更能满足其使用要求，还能够有效固化飞灰中重金属；(2)使用垃圾焚烧飞灰替代部分水泥，将垃圾焚烧飞灰变废为宝，不仅有效解决了垃圾焚烧飞灰的污染问题，而且由于减少了水泥的使用量，使生产水泥带来的污染问题得以改善，还大大降低了建筑胶凝材料的成本，达到固废再利用和节能环保的双重效果。本发明还提出一种氧化石墨烯改性飞灰建筑用砂浆，包括氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料和砂子，所述砂子的质量为所述氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料质量的1.5～3.5倍；其中，所述氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料为如上所述的氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料。所述氧化石墨烯改性飞灰建筑用砂浆按照本领域常规的建筑砂浆的制备方法进行制备即可，例如，将所述氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料和砂子投入砂浆搅拌机中搅拌至两者混合均匀。其中，所述砂子的粒径优选为0.3～4.0mm。本发明还进提出一种氧化石墨烯改性飞灰建筑用混凝土，包括氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料、砂子以及石子，所述砂子和石子的质量对应为所述氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料质量的0.8～2倍和2～4倍；其中，所述氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料为如上所述的氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料。所述氧化石墨烯改性飞灰建筑用混凝土按照本领域常规的建筑混凝土的制备方法进行制备即可，例如，将氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料、砂子和石子投入混凝土搅拌机中搅拌至混合均匀。其中所述砂子的粒径优选为0.3～4.0mm；和/或，所述石子的粒径优选为5～35mm。以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。实施例1氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料的制备(1)原料准备：对应称取垃圾焚烧飞灰2000kg、425#水泥1500kg、硅灰60kg、氢氧化钠40kg、α-烯烃磺酸钠3kg、磷酸钠0.6kg、氧化石墨烯0.7kg、三异丙醇胺40kg、tj-1系列聚羧酸高性能减水剂40kg和拌合水1200kg，备用。(2)胶凝材料制备：将氧化石墨烯加入400kg拌合水中，超声分散至氧化石墨烯充分溶解，形成第一溶液；将α-烯烃磺酸钠、三异丙醇胺和减水剂加入800kg拌合水中，搅拌至α-烯烃磺酸钠、三异丙醇胺和减水剂充分溶解，形成第二溶液；将垃圾焚烧飞灰、425#水泥、硅灰、氢氧化钠和磷酸钠在强制式搅拌机中干拌混合5min，然后向搅拌机中逐渐加入第二溶液，于140r/min转速下搅拌10min，再向搅拌机中加入第一溶液，于285r/min转速下搅拌10min，制得氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料。实施例2氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料的制备(1)原料准备：对应称取垃圾焚烧飞灰2000kg、425#水泥1000kg、硅灰60kg、氢氧化钠45kg、α-烯烃磺酸钠2.5kg、磷酸钠0.5kg、氧化石墨烯0.75kg、三异丙醇胺40kg、tj-1系列聚羧酸高性能减水剂30kg和拌合水1050kg，备用。(2)胶凝材料制备：将氧化石墨烯加入350kg拌合水中，超声分散至氧化石墨烯充分溶解，形成第一溶液；将α-烯烃磺酸钠、三异丙醇胺和减水剂加入700kg拌合水中，搅拌至α-烯烃磺酸钠、三异丙醇胺和减水剂充分溶解，形成第二溶液；将垃圾焚烧飞灰、425#水泥、硅灰、氢氧化钠和磷酸钠在强制式搅拌机中干拌混合8min，然后向搅拌机中逐渐加入第二溶液，于135r/min转速下搅拌8min，再向搅拌机中加入第一溶液，于280r/min转速下搅拌8min，制得氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料。实施例3氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料的制备(1)原料准备：对应称取垃圾焚烧飞灰2000kg、425#水泥2000kg、硅灰80kg、氢氧化钠70kg、α-烯烃磺酸钠2kg、磷酸钠0.9kg、氧化石墨烯0.9kg、三异丙醇胺50kg、tj-1系列聚羧酸高性能减水剂40kg和拌合水1500kg，备用。(2)胶凝材料制备：将氧化石墨烯加入500kg拌合水中，超声分散至氧化石墨烯充分溶解，形成第一溶液；将α-烯烃磺酸钠、三异丙醇胺和减水剂加入1000kg拌合水中，搅拌至α-烯烃磺酸钠、三异丙醇胺和减水剂充分溶解，形成第二溶液；将垃圾焚烧飞灰、425#水泥、硅灰、氢氧化钠和磷酸钠在强制式搅拌机中干拌混合10min，然后向搅拌机中逐渐加入第二溶液，于145r/min转速下搅拌10min，再向搅拌机中加入第一溶液，于290r/min转速下搅拌12min，制得氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料。实施例4氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料的制备(1)原料准备：对应称取垃圾焚烧飞灰2000kg、425#水泥3000kg、硅灰100kg、氢氧化钠70kg、α-烯烃磺酸钠1.5kg、磷酸钠1.0kg、氧化石墨烯1.0kg、三异丙醇胺60kg、tj-1系列聚羧酸高性能减水剂50kg和拌合水1800kg，备用。(2)胶凝材料制备：将氧化石墨烯加入600kg拌合水中，超声分散至氧化石墨烯充分溶解，形成第一溶液；将α-烯烃磺酸钠、三异丙醇胺和减水剂加入1200kg拌合水中，搅拌至α-烯烃磺酸钠、三异丙醇胺和减水剂充分溶解，形成第二溶液；将垃圾焚烧飞灰、425#水泥、硅灰、氢氧化钠和磷酸钠在强制式搅拌机中干拌混合10min，然后向搅拌机中逐渐加入第二溶液，于140r/min转速下搅拌10min，再向搅拌机中加入第一溶液，于285r/min转速下搅拌10min，制得氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料。实施例5氧化石墨烯改性飞灰建筑用砂浆的制备取按实施例1步骤制备的氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料1000kg和砂子3000kg，先后加入搅拌机中搅拌至混合均匀，制得氧化石墨烯改性飞灰建筑用砂浆，其中，砂子的粒径为0.3～2.5mm。实施例6氧化石墨烯改性飞灰建筑用砂浆的制备取按实施例1步骤制备的氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料1000kg和砂子2500kg，先后加入搅拌机中搅拌至混合均匀，制得氧化石墨烯改性飞灰建筑用砂浆，其中，砂子的粒径为1.0～2.5mm。实施例7氧化石墨烯改性飞灰建筑用混凝土的制备取按实施例1步骤制备的氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料1000kg、砂子1000kg和石子3000kg，先后加入搅拌机中搅拌至混合均匀，制得氧化石墨烯改性飞灰建筑用砂浆，其中，砂子的粒径为0.5～3.0mm，石子的粒径为5～20mm。实施例8氧化石墨烯改性飞灰建筑用混凝土的制备取按实施例1步骤制备的氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料1000kg、砂子2000kg和石子3000kg，先后加入搅拌机中搅拌至混合均匀，制得氧化石墨烯改性飞灰建筑用混凝土，其中，砂子的粒径为0.5～3.5mm，石子的粒径为5～30mm。实施例9氧化石墨烯改性飞灰建筑用混凝土的制备取按实施例1步骤制备的氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料1000kg、砂子2500kg和石子2500kg，先后加入搅拌机中搅拌至混合均匀，制得氧化石墨烯改性飞灰建筑用混凝土，其中，砂子的粒径为1.0～4.0mm，石子的粒径为20～35mm。对比例1按照实施例1的步骤制备建筑用胶凝材料，不同之处在于，将原料中的氧化石墨烯替换成等质量的拌合水。对比例2按照实施例5的步骤制备建筑用砂浆，不同之处在于，选用对比例1制备的建筑用胶凝材料进行制备。对比例3按照实施例7的步骤制备建筑用混凝土，不同之处在于，选用对比例1制备的建筑用胶凝材料进行制备。以下按照建筑材料的国标测试方法，对实施例5至9制备的砂浆或混凝土进行相关性能测试，测试方法及结果如下：(1)按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》jgj/t70-2009规定的测试方法，对实施例5和6、以及对比例2制备的砂浆进行抗压强度测试，测试结果如下表2所示。表2实施例5、6和对比例2制备的砂浆的抗压强度测试结果(mpa)试件7d14d28d56d对比例22.13.95.15.7实施例53.66.512.518.4实施例63.17.213.616.5由表2中的测定结果可知，实施例5和6制备的砂浆的28天抗压强度分别为12.5mpa和13.6mpa，远高于对比例制备的砂浆的28天抗压强度5.1mpa，可以满足不同需要的建筑物以及构筑物的使用要求。(2)按照《混凝土强度检验评定标准》(gb/t50107-2010)规定的测试方法，对实施例7至9、以及对比例3制备的混凝土进行抗压强度测试，测试结果如下表3所示。表2实施例7至9和对比例3制备的混凝土的抗压强度测试结果(mpa)试件7d14d28d56d对比例310.113.914.115.7实施例722.626.535.838.4实施例823.127.236.637.5实施例924.528.436.939.7由表3中的测试结果可知，实施例7至9制备的混凝土的28抗压强度分别为35.8mpa、36.6mpa和36.9mpa，远高于对比例3制备的混凝土的28天抗压强度14.1mpa，可以满足不同需要的建筑物以及构筑物的使用要求。(3)按照《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》gb5085.3-2007中的测试方法，测试实施例5至9、以及对比例2和3制备的砂浆和混凝土在酸雨淋溶模拟实验、酸浸泡实验、抗碱性实验、抗高温性实验、抗冻融性实验等等不同环境下重金属离子的稳定性，将测得的重金属离子浸出浓度与国家生活饮用水卫生标准(gb5749-2006)中规定的限值进行比较，结果如下表4所示。表4重金属离子浸出浓度与国家饮用水标准限值比较由表4中的结果可知，实施例5至9制备的砂浆和混凝土的重金属离子浸出浓度均低于国家生活饮用水卫生标准中的固定限值。综合上述测试数据可知，本发明提供的氧化石墨烯改性飞灰建筑用胶凝材料、砂浆、混凝土的材料性能较好，完全可以满足使用要求，而对比例中因未按本发明要求添加必要的氧化石墨烯成份，而导致28天抗压强度大幅度下降，并且通过对试件进行重金属渗出研究，发现对比试件中pb、cd、ni等重金属离子的浸出浓度高于生活饮用水卫生标准(gb5749-2006)中的规定限值，不能较好的满足使用要求。需要说明的是，氧化石墨烯为本发明提供的建筑用胶凝材料的重要添加成份，飞灰经过碱激活后开始水化，氧化石墨烯能够有效的聚合水化产物的形貌和结构，提高密实性，防止重金属渗出，以保证最终获取的氧化石墨烯改性飞灰胶凝材料的性能。此外，按每立方米c15素混凝土配比为水泥：沙：石：水＝1：2.77：4.75：0.67，需水泥量约为280kg，武汉市425#水泥价格为500元/吨左右。目前，飞灰处理技术主要是水泥固化-危废填埋，水泥固化是水泥在水化过程中水泥能够生成c-s-h和c-a-h凝胶对飞灰中重金属具有较好的固化作用。但是，这类方法不仅填埋费用巨大而且还浪费了土地资源。以武汉市为例，到2016年底全市每天超过7000吨生活垃圾焚烧处理，每天产生的飞灰400吨左右。回收固化填埋处理1m3飞灰至少要2000元以上，且占用大量土地，并对土壤生态系统存在一定的长期风险。因此，本发明是一种节约能源、成本低廉且环境友好的飞灰处理方法，经济效益可观，环保效益显著。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的
技术领域：
，均同理包括在本发明的专利保护范围内。当前第1页12