一种粉煤灰基聚合物混凝土的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及领域，具体涉及一种粉煤灰基聚合物混凝土的制备方法。
【背景技术】
[0002] 聚合物混凝土是工程材料的一种，生产原料中的粉煤灰是火力发电厂产生的副产 品，并且具有等同于或优异于水泥基混凝土的力学性能。与生产水泥基混凝土相比，发展和 推广聚合物混凝土有利于减少二氧化碳气体的排放，缓解温室效应。但是，粉煤灰的化学活 性低，在常温状态下，粉煤灰的聚合反应非常缓慢且不完全充分以致聚合物混凝土硬化缓 慢，强度发展缓慢，为此聚合物混凝土必须在75°C- 80°C的高温条件下养护24h左右后方 可获得理想的力学性能，也正是由于这一点，聚合物混凝土并没有得到广泛应用，到目前为 止聚合物混凝土只是作为制作预制构件原材料而应用于工程领域中。因此，为了实现聚合 物混凝土的广泛应用就必须克服高温养护这一难题，让聚合物混凝土可以在常温状态下获 得较为理性力学性能和耐久性能以满足工程需要，同时也有利于推广和发展粉煤灰基聚合 物混凝土，实现粉煤灰资源的综合化利用。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种粉煤灰基聚合物混凝土的制备方法，解决目前的粉煤 灰基聚合物混凝土只能在高温下进行养护的难题，同时还能提高粉煤灰基聚合物混凝土力 学性能。
[0004] 本发明为实现上述目的，采用以下技术方案实现：
[0005] -种粉煤灰基聚合物混凝土的制备方法，包括以下步骤：
[0006] (1)将质量百分比为1%~9%的水泥和91%~99%的粉煤灰混合均勾，得到粉 料；
[0007] (2)将骨料加入搅拌器内搅拌1~2分钟，然后将步骤（1)得到的粉料加入到搅拌 器中，粉料与骨料混合搅拌1~2分钟；
[0008] (3)将碱激发液加入到搅拌器中，碱激发液、粉料、骨料混合搅拌3~5分钟，得到 聚合物混凝土。
[0009] 在本方案中，采用水泥和粉煤灰作为粉料，粉煤灰是聚合反应的主要原料，用作胶 凝材料，粉煤灰中的三氧化二铝和二氧化硅为聚合反应提供硅元素和铝元素，为混凝土提 供理想的强度；骨料为砂、碎石等，为混凝土提供骨架支撑作用。
[0010] 具体地，本方案中水泥为普通硅酸盐水泥，水泥在这里的作用非常关键，水泥遇水 后释放大量的热量，为聚合反应提供所需的热量，因此水泥在本方案中并非是简单地用作 胶凝材料，而作为催化剂用在粉煤灰基聚合物混凝土中，水泥是实现聚合物混凝土在常温 下养护的关键因素，但是，必须严格控制水泥的用量。因为当水泥用量较少时，那么因水泥 水化产生的热量就相应很少，则水泥的催化作用就不是很明显，又因为水泥是一种快速水 硬性胶凝材料，其遇水后会迅速凝结硬化，如果水泥用量过多就会引起体系中自由水含量 急剧减少，最终导致粉煤灰基聚合物混凝土在搅拌过程中就发生凝结硬化的现象的发生。 因此必须严格控制水泥的用量。发明人经过大量的试验发现，粉煤灰主要的胶凝材料，水泥 与煤灰的含量比例会直接影响混凝土的养护与强度，另外，需要强调的是，本方案中的水泥 并非是作为添加剂的形式加入的，而是以取代部分粉煤灰的方式加入；之所以以取代粉煤 灰的方式加入就是为了保证在水胶比一定条件下尽可能地降低因加入过多水泥而引起混 凝土在搅拌过程中发生凝结硬化的可能性。
[0011] 在本方案中碱激发液一方面为粉煤灰的聚合反应提供碱性环境，另一方面为聚合 反应提供钠、硅元素，粉煤灰中的有效成分三氧化二铝和二氧化硅与碱激发液发生聚合反 应，得到增强混凝土性能的水化硅铝酸钠，水泥遇到碱激发液中的水之后释放热量，并生成 水化硅铝酸钙，进一步增强混凝土的性能。因此，本方案既实现了聚合物混凝土在常温下养 护，同时为聚合反应提供了更好的条件，得到的聚合物混凝土强度更高。
[0012] 进一步地，作为优选方案，所述粉煤灰为低钙粉煤灰，低钙粉煤灰中硅元素和铝元 素的质量比值为1~5。粉煤灰根据氧化钙含量的高低分为高钙粉煤灰和低钙粉煤灰。当 氧化钙的含量高于10%，则粉煤灰为高钙粉煤灰，反之则为低钙粉煤灰。氧化钙的含量会影 响到粉煤灰的性能，氧化钙含量越高则粉煤灰活性越高，但是在我国电厂排放的粉煤灰中 有90%以上都是低钙粉煤灰，因此如何能有效利用低钙粉煤灰便是此发明的着重点所在， 而且发明人经过研究发现，相对于高钙粉煤灰，低钙粉煤灰使用时所需的水化热要低，反而 更利于聚合反应。另外，通过大量的聚合物混凝土强度检测试验发现，硅元素和铝元素对混 凝土强度有重大影响，当硅元素和铝元素的含量比值为1~5时，相对于其他含量比值，能 明显获得较高的强度。
[0013]进一步地，作为优选方案，所述骨料包括粗骨料和细骨料，所述粗骨料的粒径为 10~22_，细骨料的粒径为2~4_。骨料为混凝土提供骨架支撑作用，骨料如果选择不当， 则会影响混凝土的强度，骨料的粒径过大、过小或者过于单一都会造成混凝土强度不高，如 果粒径过小，那么混凝土就成了砂浆，如果骨料粒径过大，则混凝土内部的空洞就大而多， 影响强度。为此，发明人经过大量试验和研究，当粗骨料的粒径为10~22_，细骨料的粒径 为2~4_时，得到的混凝土强度较佳，细骨料可为砂，粗骨料可为碎石、卵石等。
[0014]进一步地，作为优选方案，所述粗骨料与细骨料的质量比为9:5~7:3。发明人通 过大量试验和研究发现，粗骨料和细骨料的配比关系也会对混凝土强度产生影响，当将粗 骨料与细骨料的质量比选定为9:5~7:3时，混凝土的强度明显得到增强。
[0015]进一步地，作为优选方案，所述粗骨料的堆积密度为1400~1500kg/m3,表观密度 为2600~2700kg/m3,含水率为0. 3%~0. 5% ;所述细骨料的堆积密度为1300~1400kg/ m3,表观密度为2300~2400kg/m3,含水率为0. 1 %~0. 3%。经过大量试验研究发现，骨料 的堆积密度、表观密度及含水率会对聚合物混凝土产生一定的影响，发明人反复的试验研 究，在本方案下，能够确保混凝土获得较高的强度，同时不影响后期施工。
[0016]进一步地，作为优选方案，所述碱激发液由硅酸钠溶液与氢氧化钠溶液按一定比 例混合而成，氢氧化钠溶液的浓度为8~14mol/L，娃酸钠溶液的浓度为3. 1~3. 4mol/L， 硅酸钠溶液与氢氧化钠溶液的质量比值为1. 5~2. 5。
[0017]本方案之所以选择硅酸钠溶液和氢氧化钠溶液的混合液作为碱激发液，是因为此 类型碱激发液不仅能够为聚合反应提供所必须的碱性环境还能为聚合反应提供必要的钠 元素和硅元素。首先，粉煤灰中的三氧化二铝和二氧化硅（玻璃相）在水中基本为惰性，必 须使用碱性溶液加以激发才能使之呈现出凝胶状态，当氢氧化钠溶液的浓度低于8mol时， 由于碱激发液中缺少足够的OIT离子，而使粉煤灰中玻璃相的溶解程度不够充分，致使反应 体系中缺少足够的一Si-0H以及一A1-0H，进一步影响后续的反应过程，虽然理论上而言， 氢氧化钠溶液的摩尔数越高，碱激发作用越明显，但是也正是由于这种更加明显的激发作 用使得聚合反应迅速发生，不利于施工，实验证明，尤其是在低温施工条件下（冬季尤为突 出），粉煤灰基地聚合物混凝土会因为氢氧化钠溶液浓度过高而迅速凝结，混凝土凝结几乎 和搅拌同时进行，也正是基于这种实验现象和实际施工的便利，将氢氧化钠溶液的浓度范 围确定为8~14mol/L，这是发明人经过大量试验得出的研究结果。另外，为了防止二氧化 硅过剩，本方案将硅酸钠溶液与氢氧化钠溶液质量比控制在1. 5~2. 5范围内，因为如果硅 酸钠溶液质量过高，一方面就会使体系中的二氧化硅不能充分反应而产生引起二氧化硅过 剩，造成资源浪费，另一方面，因为碱激发液是由硅酸钠溶液和氢氧化钠溶液混合而成，如 果硅酸钠溶液过高则氢氧化钠溶液就会降低，体系中〇『离子的含量降低而有可能影响聚 合反应，影响混凝土的质量。
[0018] 进一步地，作为优选方案，所述氢氧化钠溶液由纯度为96%~98%的氢氧化钠颗 粒溶解于超纯水中配制而成。在本方案中，由于采用了超纯水，能够避免水中出现其它干扰 离子对聚合反应产生不良影响。
[0019] 进一步地，作为优选方案，所述氢氧化钠溶液与硅酸钠溶液混合后，在室温下静置 20~30个小时后再使用。发明人经过无数次实验发现，相比于配置好之后直接拿来用， 静置有两方面的好处：一方面，静置可以使氢氧化钠溶液和硅酸钠溶液充分混合均匀；另 一方面，氢氧化钠溶液中的氢氧根离子（0JT)可以激发硅酸钠溶液中的硅酸根离子水解生 成硅氢氧根4 这样就更有利于混凝土高温养护时聚合反应的进行。另外，由于 氢氧化钠溶液和硅酸钠溶液初混合时会释放热量，如果不静置一段时间而将其直接进行使 用，就有可能会发生速凝现象，即混凝土还没有搅拌完全就已在搅拌器中凝固或是混凝土 的强度达不到理想情况。
[0020] 进一步地，所述碱激发液与粉煤灰的质量比值为0. 7~0. 8。通过发明人研究发 现，碱激发液与粉煤灰的质量比对聚合物混凝土有显著影响，碱激发液与粉煤灰的质量比 过大或过小都会造成聚合物混凝土的流动性以及抗压强度差，这是本领域技术人员未曾考 虑和研究的方向。
[0021] 本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果