一种地质聚合物组合物、地质聚合物材料及其制备方法

一种地质聚合物组合物、地质聚合物材料及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种地质聚合物组合物，其包括：100重量份的含硅固体粉状物料；和30-100重量份的碱性激发剂；其中，所述含硅固体粉状物料包含50-95重量%的以硅和铝为主成分的硅铝质物料和5-50重量%的以硅和钙为主成分的硅钙质物料。本发明还涉及由该地质聚合物组合物制得的地质聚合物材料以及其制备方法。所述地质聚合物材料28天抗压强度大于15MPa。
【专利说明】【技术领域】
[〇〇〇1] 本发明涉及一种地质聚合物组合物、一种由该地质聚合物组合物制得的地质聚合 物材料以及该地质聚合物材料的制备方法。 一种地质聚合物组合物、地质聚合物材料及其制备方法 【背景技术】
[0002] 地质聚合物是一种新型胶凝材料，兼具有机物、陶瓷、水泥的特点，较之于常规的 硅酸盐水泥，具有强度高、硬化快、耐酸碱腐蚀等优点。目前主要通过使用在碱性溶液中活 化的偏高岭土、矿渣和粉煤灰作为铝硅矿物材料制备地质聚合物组合物材料。地质聚合物 的性能很大程度上取决于所用铝硅酸盐材料和碱性溶液的类型，其可显著地影响地质聚合 物组合物的凝结时间和抗压强度。
[0003] 目前在地质聚合物的制备中通常使用粉煤灰。另外通过碱性激发剂使粉煤灰活化 以进行化学反应。一种最常用的碱性激发剂是水玻璃。目前大多数文献报道的水玻璃的合 适的模数（Si0 2/Na20)在0. 8至2. 0范围内。
[0004] IN2010MU01365A公开了一种基于地质聚合物的混凝土组合物，包含粉煤灰、Si02/ Na20摩尔比在0. 68-1. 13范围内的碱性激发剂、氢氧化钙和水，以及惰性骨料和常规波特 兰水泥。该组合物使混凝土具有高热稳定性、高耐酸性、快速凝结、成本低，且可在室温下固 化。该组合物易于制备并且将〇) 2排放降低了高达70%。但其模数较低，导致其制备的混凝 土机械强度不足，且由于较低的模数增加了后期返碱的可能性。
[0005] CN101712546B公开了具有以下组成的地质聚合物组合物：10-30重量份的废弃混 凝土粉（比表面积不低于400m 2/kg)、5-15重量份的脱硫石膏（比表面积不低于400m2/kg)、 10-20重量份的钢渣粉（比表面积不低于400m 2/kg)、20-40重量份的矿渣粉（比表面积不低 于400m2/kg)、3-8重量份的高钙粉煤灰（比表面积不低于400m 2/kg)、20-50重量份的粉煤灰 (比表面积不低于400m2/kg)以及5-10重量份的碱性激发剂（Si0 2/M20 > 2. 4 ;浓度> 46重 量％)。
[0006] CN101250034B公开了具有以下组成的地质聚合物组合物：干粉混合料、非极性碱 性表面活性剂溶液和水，其中干粉混合料包括0-65重量％粉煤灰、4-10重量％高钙粉煤灰、 15-60重量％矿渣、5-35重量％钢渣和5-15重量％ (Si02/M20 :2-2. 4 ;浓度为14. 3重量％ 至42. 8重量％)碱性激发剂。
[0007] 上述专利在此全文引入以作参考。
[0008] 本发明的地质聚合物组合物对于常规的硅酸盐水泥具有更高的抗压强度，并且采 用了高含量的粉煤灰作为原料，极大地降低了成本，并有助于缓解粉煤灰造成的污染问题。
【发明内容】

[0009] 本发明的第一个方面，涉及一种地质聚合物组合物，包括：
[0010] 1〇〇重量份的含硅固体粉状物料；和
[0011] 30-100重量份的碱性激发剂；
[0012] 其中，所述含硅固体粉状物料包含50-95重量％的以硅和铝为主成分的硅铝质物 料和5-50重量％的以硅和钙为主成分的硅钙质物料。
[0013] 在本发明的地质聚合物组合物中，优选的是，所述硅铝质物料中的硅含量大于铝 含量，优选粉煤灰、偏高岭土、粘土、炉灰等中的一种或多种。
[0014] 在本发明的地质聚合物组合物中，优选的是，所述硅钙质物料中的钙含量大于硅 含量，优选水泥、熟料、矿渣、赤泥等中的一种或多种。
[0015] 在本发明的地质聚合物组合物中，所述含硅固体粉状物料包含50-90重量％的硅 铝质物料和10-50重量％的硅钙质物料；优选地，包含60-80重量％的硅铝质物料和20-40 重量％的硅钙质物料；更优选地，包含60-70重量％的硅铝质物料和30-40重量％的硅钙质 物料。
[0016] 在本发明的地质聚合物组合物中，优选的是，所述碱性激发剂为基于碱金属硅酸 盐的的碱性激发剂，其模数（Si0 2/M20)不低于2. 2,优选不低于2. 4,其中Μ代表碱金属。
[0017] 在本发明的地质聚合物组合物中，优选的是，所述碱性激发剂为水玻璃，其固体含 量不低于34重量％但不大于46重量％(即34重量％-46重量％)，优选34. 5重量％至42重 量％。
[0018] 在本发明中，优选的是，所述地质聚合物组合物还可包括1-10重量份的添加剂， 优选地，所述添加剂为减水剂、早强剂、防水剂、催化剂、发泡剂、稳泡剂、泵送剂等，可选择 其中一种或几种。
[0019] 在本发明中，优选的是，所述地质聚合物组合物还可包括增韧纤维、钢渣等有助于 提高最终产物抗压强度的物料。
[0020] 本发明的第二个方面，涉及一种地质聚合物材料，其由上述地质聚合物组合物制 得。
[0021] 在本发明中，所述地质聚合物材料的28天抗压强度大于15MPa，优选大于22MPa， 更优选大于28MPa。
[0022] 本发明的第三个方面，涉及一种制备地质聚合物材料的方法，主要包括：将本 发明的地质聚合物组合物的各组分加入混合器中进行低速搅拌或高速搅拌，其转速为 50-150rpm，优选60-125rpm，其搅拌时间可为10秒至10分钟，优选10秒至5分钟；得到均 匀的水泥浆混合物后，注模成型；其后，还优选包括自然养护、切割、成品。
[0023] 根据本发明的制备地质聚合物材料的方法，制备地质聚合物材料可以发泡或不发 泡成品。 【具体实施方式】
[0024] 在本说明书中，如无相反说明，则组合物和混合物组成百分比是指重量百分比，份 是指重量份。如无具体说明，所有操作、检测和计量均在常温常压下进行。
[0025] 第一个方面，本发明提供了一种地质聚合物组合物，包括：
[0026] 100重量份的含硅固体粉状物料；和
[0027] 30-100重量份的碱性激发剂；
[0028] 其中，所述含硅固体粉状物料包含50-95重量％的以硅和铝为主成分的硅铝质物 料和5-50重量％的以硅和钙为主成分的硅钙质物料。
[0029] 在本发明的一个优选的实施方案中，本发明的地质聚合物组合物还包括添加剂。
[0030] 在本发明的一个优选的实施方案中，本发明的地质聚合物组合物还包括增韧纤 维、钢渣等有助于提高抗压强度的物料。
[0031] 〈硅铝质物料〉
[0032] 本发明的硅铝质物料可优选粉煤灰、偏高岭土、粘土、炉灰等中的一种或多种。本 发明可以使用各种颗粒大小的硅铝质物料，对其并没有特别限制。
[0033] 本发明可以使用的粉煤灰包括多种来源，可以使用的粉煤灰的主要成分为包括 30-65 重量 ％ 的 Si02、17-60 重量 ％ 的 A1203、0. 1-7 重量 ％ 的 Fe203、0. 1-16 重量 ％ 的 Ca0、0-5 重量％的Ti02、0-6重量％的Mg0、0-5重量％的S03、0-3重量％的Na20、0-5重量％的K 20等。 [〇〇34] 在本发明的一个实施方案中，使用火电厂产生的一级或二级粉煤灰。
[0035] 在本发明的一个实施方案中，使用的偏高岭土是经800°C高温煅烧而成的超细高 岭土，其主要包括A1 203、Si02、K20、Fe20 3等成分。
[0036] 在本发明的一个实施方案中，使用的粘土的主要成分是高岭石，常含有氧化铁等 杂质。其主要化学组分是A1 203、Si02和水。
[0037] 在本发明的一个实施方案中，使用的炉灰是矿石在高温燃烧后产生的粉末，其主 要包括 A1203、Si02、CaO、Fe20 3、MgO 等成分。
[0038] 〈硅钙质物料〉
[0039] 本发明的硅钙质物料可优选水泥、孰料、矿渣、赤泥等中的一种或多种。本发明可 以使用各种颗粒大小的硅钙质物料，对其并没有特别限制。
[0040] 本发明可以使用的水泥包括多种来源，根据原料和用途不同，可以使用的水泥有 硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、 高铝水泥、膨胀水泥、白水泥等。可使用的水泥产品按不同的强度等级划分为不同的标号， 可分为225、275、325、425、525和625六种标号。
[0041] 在本发明的一个实施方案中，使用的熟料是硅酸盐工业中粘土或其他原料经粉碎 混合成配合料，再经高温煅烧后粉碎成一定颗粒组成的粉料。其主要矿物组成为硅酸三钙、 硅酸二钙、铝酸三钙和铝酸四钙。
[0042] 矿渣为冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣粉末；其主要成分是A1203、Si0 2、K20、 Fe203、Ca0、S03、Mg0、Ti02 等。
[0043] 在本发明的一个实施方案中，使用的赤泥是从铝土矿中提炼氧化铝后排出的工业 固体废物，其主要成分是文石和方解石，此外还含有蛋白石、三水铝石和针铁矿等。
[0044] 在本发明的一个实施方案中，所述含娃固体粉状物料包含50-90重量％的娃错质 物料和10-50重量％的硅钙质物料；优选地，包含60-80重量％的硅铝质物料和20-40重 量％的硅钙质物料；更优选地，包含60-70重量％的硅铝质物料和30-40重量％的硅钙质物 料。
[0045] 〈碱性激发剂〉
[0046] 本发明的组合物中的碱性活化剂激发剂可以为基于碱金属硅酸盐的碱性激发剂， 优选其模数（Si0 2/M20)不低于2.2,更优选不低于2. 4,其中Μ代表碱金属。另外，所述碱性 激发剂优选为硅酸钠、硅酸钾和/或硅酸钾钠的水溶液，更优选为水玻璃。优选地，其固体 含量为不低于34重量％但不大于46重量％，优选34. 5重量％至42重量％。
[0047] 〈添加剂〉
[0048] 除了上述碱性激发剂之外，任选地，本发明的组合物还其他添加剂，其可以是常规 地质聚合物组合物添加剂，如减水剂、早强剂、防水剂、催化剂、发泡剂、稳泡剂、泵送剂等， 可选择其中一种或几种。
[0049] 每100份重量的含硅固体粉状物料，所用添加剂的量一般为1-10重量份，进一步， 优选为2-8重量份。
[0050] 本发明可以使用的减水剂包括选自木质素磺酸盐、聚氧乙烯烷基醚、烷基芳基磺 酸盐等中的一种或一种以上的物质。在本发明中，所添加的减水剂的量为0-8重量份。
[0051] 本发明可以使用的早强剂包括选自氯化钙、氯化钠、芒硝、石膏、碳酸钠、碳酸钙、 三乙醇胺等中的一种或一种以上的物质。在本发明中，所添加的早强剂的量为0-5重量份。
[0052] 本发明可以使用的防水剂包括选自金属皂、油脂、石蜡、明胶、硅油、含氢硅油和表 面活性剂等中的一种或一种以上的物质。在本发明中，所添加的防水剂的量为0-5重量份。
[0053] 本发明可以使用的催化剂包括选自高锰酸钾、二氧化锰、碘化钾中的一种或一种 以上的物质。在本发明中，所添加的催化剂的量为〇_〇. 01重量份。
[0054] 本发明可以使用的发泡剂为本领域中常用的发泡剂，包括化学发泡剂和物理发泡 剂等。可以使用的物理发泡剂例如低沸点烷烃(丙烷、丁烷等)和碳氟化合物；化学发泡剂例 如偶氮化合物类(例如偶氮二甲酰胺等)、亚硝基化合物类、磺酰肼类化合物和无机发泡剂 (例如碳酸氢钠、双氧水、铝粉等)或它们的混合物。发泡剂的添加量优选为〇. 5-18重量份， 更优选0.5-15重量份。本发明可以使用液体发泡剂、固体发泡剂或其结合物。在本发明的 一个实施方案中，使用一种液体发泡剂，其为质量浓度为20-50%的双氧水，折合成纯双氧 水（即过氧化氢）的用量为1. 5-15重量份，优选为2-12重量份。在本发明的另一个实施方 案中，使用一种固体发泡剂，其为粒度大于500目的工业铝粉。其用量为0.5-3重量份，优 选为0. 9-2重量份。
[0055] 本发明可以使用的稳泡剂为硬脂酸盐，包括但不限于硬脂酸钙、硬脂酸镁等。在本 发明中，所添加的稳泡剂的量为〇. 3-1重量份，优选0. 4-0. 8重量份。
[0056] 泵送剂可以采用现有技术已知的各种泵送剂，以业内习用的量使用，或由普通技 术人员根据需要确定用量。
[0057] 〈提高抗压强度的物料〉
[0058] 本发明的组合物还可以包括增韧纤维、钢渣等有助于提高最终产品抗压强度的物 料，其中增韧纤维可以为聚丙烯纤维、聚氯乙烯纤维、涤纶纤维等其中的一种或一种以上， 优选使用聚丙烯纤维和聚氯乙烯纤维。所述纤维的长度为〇. 〇5_20mm，优选0. l-10mm。当 存在增韧纤维时，其含量为0. 5-2. 5重量份。
[0059] 本发明可以使用的钢渣主要由钙、铁、硅、镁和少量铝、锰、磷等的氧化物组成。
[0060] 第二个方面，本发明提供了一种地质聚合物材料，其由上述地质聚合物组合物制 得。
[0061] 第三个方面，本发明提供了一种地质聚合物材料的制备方法，主要包括：将本 发明的地质聚合物组合物的各组分加入混合器中进行低速搅拌或高速搅拌，其转速为 50-150rpm，优选60-125rpm，其搅拌时间可为10秒至10分钟，优选10秒至5分钟；得到均 匀的水泥浆混合物后，注模成型；随后优选进行自然养护、切割、成品。
[0062] 在一个具体实施方案中，首先称量合适量的含硅固体粉状物料并置于搅拌器中， 随后将预先配置的具有本发明所述模数和固体含量的碱性激发剂溶液加入混合器中，与含 硅固体粉状物料在低速下搅拌。其中所述混合器可以是常规用于水泥浆混合的所有搅拌 器，例如螺杆式搅拌器、桨式搅拌器和涡轮搅拌器。特别优选涡轮搅拌器。合适的搅拌器为 例如JJ-5型水泥胶沙搅拌机(例如，无锡建仪仪器机械有限公司）。搅拌器转速通常设定为 低转速，例如为50-150rpm，优选60-125rpm。搅拌时间可为10秒至10分钟，优选10秒至5 分钟。搅拌结束后，得到均匀的混合物，通常以水泥浆的形式。然后将其倒入模具中固化， 以进一步施用于预定的应用中。所述地质聚合物材料的抗压强度原则上来说越高越好，重 要的是具有较高的28天强度。在本发明的一个实施方案中。所述材料的28天抗压强度大 于15MPa，优选大于22MPa，更优选大于28MPa。
[0063] 实施例1-9以及对比实施例1-2
[0064] 本发明将参考以下实施例进行详细阐述，所述实施例仅为说明目的，而无意于限 制本发明的范围。
[0065] ①测试设备
[〇〇66] 所用搅拌器为JJ-5型水泥胶沙搅拌机，符合JC-T729-2005标准，购自无锡建仪仪 器机械有限公司。其主要参数如下：
[〇〇67] 表1.搅拌器的主要参数
[0068]
【权利要求】
1. 一种地质聚合物组合物，其包括： 100重量份的含硅固体粉状物料； 30-100重量份的碱性激发剂； 其中，所述含硅固体粉状物料包含50-95重量％的以硅和铝为主成分的硅铝质物料和 5-50重量％的以娃和|丐为主成分的娃|丐质物料。
2. 根据权利要求1所述的地质聚合物组合物，其中，所述硅铝质物料中的硅含量大于 铝含量，优选粉煤灰、偏高岭土、粘土、炉灰等中的一种或多种。
3. 根据权利要求1所述的地质聚合物组合物，其中，所述硅钙质物料中的钙含量大于 硅含量，优选水泥、熟料、矿渣、赤泥等中的一种或多种。
4. 根据权利要求1-3中任一项所述的地质聚合物组合物，所述含硅固体粉状物料包含 50-90重量％的硅铝质物料和10-50重量％的硅钙质物料；优选地，包含50-80重量％的硅铝 质物料和20-50重量％的硅钙质物料；更优选地，包含60-70重量％的硅铝质物料和30-40 重量％的硅钙质物料。
5. 根据权利要求1-4中任一项所述的地质聚合物组合物，所述碱性激发剂为基于碱金 属硅酸盐的的碱性激发剂，其模数（Si02/M 20)不低于2. 2,优选不低于2. 4,其中Μ代表碱金 属。
6. 根据权利要求5所述的地质聚合物组合物，所述碱性激发剂为水玻璃，其固体含量 不低于34重量％但不大于46重量％，优选34. 5重量％至42重量％。
7. 根据权利要求1-6中任一项所述的地质聚合物组合物，所述地质聚合物组合物还 可包括1-10重量份的添加剂，优选地，所述添加剂为减水剂、早强剂、防水剂、催化剂、发泡 齐U、稳泡剂、泵送剂等，可选择其中一种或几种。
8. 根据权利要求1-7中任一项所述的地质聚合物组合物，所述地质聚合物组合物还可 包括增韧纤维、钢渣等有助于提高抗压强度的物料。
9. 一种地质聚合物材料，其由权利要求1-8中任一项所述的地质聚合物组合物制得。
10. 根据权利要求9所述的地质聚合物材料，所述材料的28天抗压强度大于15MPa，优 选大于22MPa，更优选大于28MPa。
11. 一种制备地质聚合物材料的方法，主要包括将权利要求1-8中任一项所述的地质 聚合物组合物的各组分加入混合器中进行低速搅拌或高速搅拌，其转速为50-150rpm，优选 60-125rpm，其搅拌时间可为10秒至10分钟，优选10秒至5分钟；得到均匀的浆体混合物 后，注模成型。
12. 根据权利要求11所述的制备地质聚合物材料的方法，其中在注模成型之后，还包 括自然养护、切割、成品。
13. 根据权利要求11所述的制备地质聚合物材料的方法，其中，制备地质聚合物材料 可以发泡或不发泡成品。
【文档编号】C04B7/00GK104098281SQ201310114562
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年4月3日 优先权日:2013年4月3日
【发明者】赵永彬, 卓锦德, 李俏, 赖世耀, 蔡晓亮 申请人:神华集团有限责任公司, 北京低碳清洁能源研究所