一种低收缩快凝结煤矸石基碱激发快速修补材料及其制备方法与流程

本发明属于碱激发材料技术领域，具体涉及一种低收缩快凝结煤矸石基碱激发快速修补材料及其制备方法。

背景技术：

碱激发材料(alkali-activatedmaterials,aam)指一种新型的胶凝材料，其采用具有火山灰活性材料制备，具有较高的早期强度和良好的耐久性。由于废弃煤矸石的大量堆积而引起的大量环境污染，如土地占用、有害元素淋溶、cox、sox、nox等污染物气体排放等问题。虽然煤矸石已经用于轻骨料、砖块的生产，但煤矸石还具有替代水泥的潜力。当煤矸石经过550～750℃左右高温煅烧后，其成分中的高岭石将转化为无定型的偏高岭石，呈较好的火山灰活性。通过与具有良好火山灰活性的矿粉互掺和一定激发剂参数的碱溶液混合制成煤矸石基碱激发材料。由于碱激发材料的性能满足了当今建筑材料的基本要求，且其比硅酸盐水泥具有明显的低环境影响和优异的性能而受到关注。

我国进入21世纪以来，目前将近一大半的公路为水泥混凝土路面，在材料服役期间普通公路路面会出现开裂、起壳、麻面等等一系列小问题，虽然这些小问题对水泥混凝土路面的破坏一定会影响通行功能，但出于经济考虑，整块路面又不能破碎重修，所以出现这种状况可以使用快速修补技术对公路路面进行快速补修。

由于碱激发材料具有良好的耐久性能和较高的早期强度，可以考虑作为一种快速修补材料，但由于碱激发材料自身反应的特点，其收缩率比普通硅酸盐水泥大的多。碱激发材料的干燥收缩主要受反应原料、激发剂类型、反应使用量和固化条件的影响。且不同原料涉及不同的化学过程，碱激发二元材料在结构上不同于碱激发单体胶凝材料。目前，碱激发材料的收缩机理有着一些理论的支撑，比如：c-s-h凝胶理论，凝胶的不稳定理论和孔结构理论。碱激发材料收缩大会引起开裂，进而影响修补路面的寿命。

目前对碱激发胶凝材料收缩改善的策略有许多种，比如加压成型；高温固化；添加减缩剂、膨胀剂或者某些矿物掺合料等，目前改善碱激发材料的方法中，或是部分减缩剂和膨胀剂的加入可能削弱材料的强度、或是成本过高、步骤繁琐，限制其推广应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种低收缩快凝结煤矸石基碱激发快速修补材料及其制备方法。在改善碱激发材料的收缩性的同时，还提高了材料本身的力学性能，并赋予材料更优异的流动性和快凝结性，综合性能优异。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

提供一种低收缩快凝结煤矸石基碱激发快速修补材料，按质量份数计，包括以下组分：

煤矸石：400～500份

矿渣微粉：500～600份

氢氧化钠：40～50份

工业水玻璃：200～240份

硫铝酸盐水泥(sac)：30～70份

水：260～300份

按上述方案，所述煤矸石球磨后过200～300目筛，然后700～800℃煅烧2h。

按上述方案，所述矿渣微粉平均粒径为0.9～2.5μm，比表面积大于2.41m²/g。

按上述方案，所述工业水玻璃波美度为41～43°，碱模数为2.80～2.90，na2o含量为9～11wt％，sio2含量为29～30wt％，其固含量52～53％。

按上述方案，所述硫铝酸盐水泥中，cao为43～45％，mgo为1.2～1.5％，al2o3为19～20％，sio2为6～8％。

提供一种低收缩快凝结煤矸石基碱激发快速修补材料的制备方法，具体包括以下步骤：

1)将40～50份氢氧化钠、200～240份工业水玻璃和260～300份水混合均匀，制备得到所需碱溶液；

2)将400～500份煤矸石、500～600份矿粉和30～70份硫铝酸盐水泥混合均匀，得混合物料；

3)将步骤1)得到的碱溶液加入步骤2)得到的混合物料中，慢速搅拌55～65s,快速搅拌25～35s，静置85～95s，最后快速搅拌55～65s，得浆体，其中慢速搅拌转速为50～70r/min，快速搅拌转速为110～140r/min；

4)将步骤3)得到的浆体倒入模具中，1d后拆模并进行标准养护，即得低收缩快凝结煤矸石基碱激发快速修补材料。

与现有的技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明提供一种低收缩快凝结煤矸石基碱激发快速修补材料，矿粉的加入是强度提升的关键，但掺入矿粉后其收缩将变大，使得材料出现体积不稳定性，进而出现开裂；由于硫铝酸盐水泥的成分也含有硅铝化合物，使得体系搭配度更高，掺入后其中的mgo可以促进聚合反应，促使煤矸石基碱激发材料的c-(a)-s-h凝胶和n-(a)-s-h凝胶的生成，使得体系更加密实，减少了小于25mm的孔的比例，不仅减小收缩，还进一步提升了抗压强度，流动性好，凝结时间短，且体系的密实还可提升其耐久性；当硫铝酸盐水泥掺入量过少时，性能提升效果不佳，掺入量过多时，则易造成碱激发材料开裂，在合理范围内掺入硫铝酸盐水泥可显著提升碱激发修补材料的综合性能。

2.制备方法简单，易于实施，原料简单易得，降低了生产成本，易于推广应用。

附图说明

图1为对比例1-2和实施例1-3制备得到碱激发快速修补材料28d后固化的碱激发材料净浆的重量损失与温度(tg)关系图。

图2为对比例2和实施例1-3的28d的干燥收缩对比图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明作详细描述，应当明确的是，所举的实施例仅用来说明本发明，本发明不受所举实施例的范围限定。

本发明实施例中所用原料指标为：

所述煤矸石通过球磨工艺可以通过200目筛子，使粒径小于0.074mm，然后700℃煅烧2h；

所述矿渣微粉平均粒径为0.9～2.5μm，比表面积大于2.41m²/g；

所述工业水玻璃波美度为42°，碱模数为2.85，na2o含量为10wt％，sio2含量为29.5wt％，其固含量52.8％；

所述硫铝酸盐水泥为市面购买的普通硫铝酸盐水泥，cao为43～45％，mgo为1.2～1.5％，al2o3为19～20％，sio2为6～8％。

实施例1-3

提供一种低收缩快凝结煤矸石基碱激发快速修补材料，具体制备方法步骤如下：

1)将氢氧化钠、工业水玻璃和水混合均匀，制备得到所需碱溶液；

2)将煤矸石、矿粉和硫铝酸盐水泥混合后，慢速搅拌至混合均匀；

3)将步骤1)得到的碱溶液加入步骤2)得到的混合物料中，慢速搅拌60s,快速搅拌30s，静置90s，最后快速搅拌60s，得浆体，其中慢速搅拌转速为62±5r/min，快速搅拌转速为125±10r/min；

4)将步骤3)得到的浆体倒入模具中，1d后拆模并进行标准养护，即得低收缩快凝结煤矸石基碱激发快速修补材料。

实施例1-3原料配比参见表1，流动度和抗压强度测试结果参见表2，凝结时间测试结果参见表3，孔径分布参见表4。

对比例1

提供一种碱激发快速修补材料，具体制备方法同实施例1-3，不同之处在于，步骤2)中不加矿粉和硫铝酸盐水泥。

对比例1原料配比参见表1，流动度和抗压强度测试结果参见表2，凝结时间测试结果参见表3。

对比例2

提供一种碱激发快速修补材料，具体制备方法同实施例1-3，不同之处在于，步骤2)中不加硫铝酸盐水泥。

对比例2原料配比参见表1，流动度和抗压强度测试结果参见表2，凝结时间测试结果参见表3，孔径分布参见表4。

表1对比例1-2和实施例1-3的原料配比(kg/m³)

表2.对比例1-2和实施例1-3所得修补材料的流动度和抗压强度测试结果

表2显示：对比例1和对比例2可以看出，用矿粉取代部分煤矸石，可以显著提高修补材料的流动性和抗压强度。实施例1-3可以看出，掺入改性材料硫铝酸盐水泥后，修补材料的强度有所提升，其中实施例2中强度最高，其1d、7d和28d抗压强度分别为31.1mpa、49.4mpa和61.1mpa。

表3.对比例1-2和实施例1-3所得碱激发修补材料的凝结时间测试结果

对比例和实施例的凝结时间均小于1h，实施例1-3显示，添加了硫铝酸盐水泥后，基本对凝结时间无不良影响，且凝结时间还有所加快。

图1为对比例1-2和实施例1-3制备得到碱激发快速修补材料28d后固化的碱激发材料净浆的重量损失与温度(tg-dtg)关系图，在250℃的温度下的质量损失为c-(a)s-h凝胶和n-(a)-s-h凝胶脱去自由水的结果。图中显示：对比例1、对比例2、实施例1、实施例2和实施例3的质量损失分别是5.63％、12.01％、14.09％、15.71％和14.48％。tg-dtg结果说明掺有硫铝酸盐水泥的煤矸石基碱激发材料试样中的c-(a)-s-h凝胶和n-(a)-s-h凝胶含有更多的水，可以推理少量的硫铝酸盐促进反应，与上述表2中28d净浆强度结果一致。

图2为对比例2和实施例1-3制备得到的碱激发快速修补材料28d的干燥收缩对比图。图中显示：实施例1-3的硫铝酸盐水泥对煤矸石基碱激发材料均有降低收缩的作用，其中实施例2降低收缩效果最佳。

表4.对比例2和实施例1-3制备得到的碱激发材料的孔径分布(％)

根据iupac国际纯化学与应用化学联合会分类认为是碱激发材料收缩率的主要原因之一是半径1.25nm-25nm的部分孔径。实施例1-3的结果显示，相比于对比例2，加入硫铝酸盐水泥后，小于25nm的孔比例变小，其中实施例2中小于25nm的孔最少。

由上述实施例可以得出，本发明实施例提供的低收缩快凝结煤矸石基碱激发快速修补材料确实可以减小收缩，工作性能和力学性能也得到了改善。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。