一种强度可控的粉煤灰基地质聚合物混凝土及其制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种强度可控的粉煤灰基地质聚合物混凝土配比，包括重量比为11：1的混合固体相和混合液体相；混合固体相的组成按重量份计为：粗骨料碎石45～55份、细骨料天然砂13～33份、粉煤灰19～27份和硅灰0～8份，三聚磷酸钠0.05～0.12份；混合液体相的组成按重量份计为：液体工业硅酸钠67～75份和10～18mol/L氢氧化钠溶液25～33份。该粉煤灰基地质聚合物混凝土制备工艺简单，无毒无污染，成本低，原材料遍布世界各地，有望在耐腐蚀的混凝土结构、工业废料利用，快速修补材料，高强高性能材料等领域得到应用。同时本发明能够大量高效地利用工业废料粉煤灰，对节约资源、节省能源和保护环境意义重大。本发明还同时提供了上述粉煤灰基地质聚合物混凝土的制备方法。
【专利说明】一种强度可控的粉煤灰基地质聚合物混凝土及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及地质聚合物材料及其制备领域，具体是一种强度可控的粉煤灰基地质聚合物混凝土及其制备方法。
【背景技术】
[0002]地质聚合材料主要为碱激发地质聚合凝胶材料。碱激发地质聚合材料研究比较早，这类材料的应用可追溯到古代，即以高岭土、白云岩或石灰岩与盐湖成分Na2CO3、草木灰成分K2CO3以及硅石的混合物，加水拌和后产生强碱NaOH或Κ0Η，与其它组分发生反应，生成地质聚合粘结剂而制成人造石。地质聚合物作为一种无机聚合铝硅酸盐材料，因其优异的性能在世界范围内得到了广泛研究。由于其特殊的无机缩聚三维氧化物网络结构，使得地质聚合物材料在众多方面具有比高分子材料、水泥、陶瓷和金属更高的高温性能和机械性能。
[0003]同时，地质聚合物的制备不仅可以大量利用天然矿物(如煤矸石、高岭土等)和工业固体废物(如粉煤灰、水淬高炉矿渣、转炉钢渣等)，而且由于其本身具有硬化快、强度高、渗透率低、耐酸腐蚀、耐高温、导热率低、耐久性好等特点,受到建筑行业的广泛关注,力口之这种新型材料其能耗只有水泥生产能耗的30%，被认为是水泥的一种良好的补充和替代材料。
[0004]目前，中国粉煤灰的排放量每年已超过3.0亿吨。由于煤炭在中国一次性能源消费中约占70%，未来很长一段时期内国内仍将以燃煤发电为主，因而仍将产生大量的粉煤灰。国内目前对粉煤灰的综合利用率只有30%左右，大量的粉煤灰得不到有效利用，采用堆放处理不仅占用了大量的土地，而且还污染环境，可以说，固体废物的资源化利用任务艰巨。本发明提出的利用粉煤灰为主要胶凝材料配制粉煤灰基地质聚合物混凝土具有一定的前瞻性和实用性，目标明确，.手段得当，实施容易。但由于普通混凝土的配合比设计方法和制备工艺不再适用于粉煤灰基地质聚合物混凝土，本发明提出了专门用于强度可控的粉煤灰基地质聚合物混凝土的配合比及其制备方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有地质聚合物强度难以控制的技术缺点，提供一种成本低、工艺简单、无毒无污染、原材料来源广泛的强度可控的粉煤灰基地质聚合物混凝土 ；本发明同时提供了上述粉煤灰基地质聚合物混凝土的制备方法。
[0006]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:
[0007]—种强度可控的粉煤灰基地质聚合物混凝土，其特征在于，包括重量比为11:1的混合固体相和混合液体相；所述混合固体相的组成按重量份计为:饱和面干状态的粗骨料碎石45?55份、饱和面干状态的细骨料天然砂13?33份、粉煤灰19?27份、硅灰O?8份和三聚磷酸钠0.05?0.12份；所述混合液体相的组成按重量份计为:液体工业娃酸钠67?75份和摩尔浓度为10?18mol/L的氢氧化钠溶液25?33份。[0008]本发明的进一步设置在于，所述的粗骨料碎石和细骨料天然砂为普通水泥混凝土中常用的碎石及河砂，其含水状态为饱和面干状态；所述的粉煤灰为火力发电厂粉煤灰炉烟道气体中收集的粉末，其CaO含量小于等于10% (属于F类粉煤灰)，强度活性指数大于等于70%，45微米方孔筛筛余小于等于45.0% (部分技术性能指标达到GB/T1596《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中的III级及以上要求)；所述硅灰为在冶炼硅铁合金或工业硅时通过烟道排出的粉尘，经收集得到的以无定形二氧化硅为主要成分的粉体材料；SiO2≥85%，比表面积≥15m2/g，活性指数≥105% (部分技术要求符合砂浆和混凝土用硅灰(GB/T27690-2011)要求)；所述的三聚磷酸钠为市售粉状陶瓷减水剂，其纯度在90%以上；所述液体工业硅酸钠的Na2O的质量含量≥7.2%，SiO2 ≥ 25%,模数在2.2-3.6之间(部分技术要求满足GB/T4209-2008《工业硅酸钠》中I类要求)；所述的氢氧化钠溶液为工业纯氢氧化钠(部分技术性能制备达到GB209-2006《工业用氢氧化钠》中I类要求，即氢氧化钠的质量分数大于等于94.0%)溶解于水而得到摩尔浓度在10-18mol/L的溶液。
[0009]所述粉煤灰基地质聚合物混凝土的抗压强度可进行标准化设计，通过调整硅灰掺量，氢氧化钠溶液摩尔浓度等参数可实现C40-ClOO强度等级地质聚合物混凝土的配置。
[0010]本发明还同时提供了一种强度可控的粉煤灰基地质聚合物混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0011](I)将粗骨料碎石和细骨料天然砂分别浸水24小时，取出放置在下部可透水的铁桶中在自然环境中干燥至表面无自由水状态，即得到饱和面干状态的粗骨料碎石和细骨料天然砂；
[0012](2)将重量份为饱和面干状态的粗骨料碎石45-55份、饱和面干状态的细骨料天然砂13-33份、粉煤灰19-27份、硅灰O-8份和三聚磷酸钠0.05-0.12份，在混凝土搅拌机中搅拌均匀，得到混合固体相；
[0013](3)将重量份为液体工业硅酸钠67-75份和氢氧化钠溶液为25-33份，混合均匀，得到混合液体相；
[0014](4)将步骤(2)的混合固体相与将步骤(3)的混合液体相按照重量比为11:1混合均匀，得到混凝土浆料；
[0015](5)将步骤(4)中的混凝土浆料注入模具中，在湿气养护箱(20土1°C，相对湿度，RH≥90%)中养护I天后拆模，拆模后在标准养护箱养护至28天龄期，得到抗压强度在40-IOOMPa之间的粉煤灰基地质聚合物混凝土。
[0016]该粉煤灰基地质聚合物混凝土可用于制备预制构件，或在现场浇筑成型直接用于结构承重、快速修补的混凝土工程。
[0017]本发明所述的强度可控的粉煤灰基地质聚合物混凝土是以碎石、天然砂为骨料、粉煤灰为主要胶凝材料、硅灰为硅质的调节材料、三聚磷酸钠为减水剂、氢氧化钠溶液和工业硅酸钠溶液为激发剂，在常温条件制备以工业废料粉煤灰为主要胶凝材料的一种节能环保、高强度、高性能的地质聚合物混凝土。通过对地质聚合物混凝土进行性能测试，结果表明:根据混凝土的强度等级、施工现场工艺条件以及工程造价要求，通过调整各材料配合t匕，可实现地质聚合物混凝土抗压强度在40-IOOMPa之间的调控，即通过控制胶凝材料中硅灰的掺量、硅酸钠溶液与NaOH溶液的掺量、NaOH溶液的摩尔浓度等条件，可以获得不同强度等级的地质聚合物混凝土。其制备工艺简单，无毒无污染，成本低，原材料遍布世界各地；该材料有望在保温隔热材料、工业废料利用，快速修补材料，高强高性能材料等领域得到应用。同时，使用本发明能够大量高效地利用工业废料粉煤灰，对节约资源、节省能源和保护环境意义重大，符合建筑业的可持续发展战略。
【具体实施方式】
[0018]下面结合实施例对本发明作进一步的描述，但需要说明的是，实施例并不构成对本发明要求保护范围的限制。
[0019]实施例1:
[0020]原料配比:
[0021]混合固体相S组分及份数(按重量计)配比如下:
[0022]饱和面干状态的粗骨料碎石(粒径5?30mm，连续级配)47份；
[0023]饱和面干状态的细骨料天然砂(级配II区，细度模数2.8) 26份；
[0024]粉煤灰27份；
[0025]硅灰O份；
[0026]三聚磷酸钠0.12份。
[0027]混合液体相L组分及NaOH溶液(10mol/L)的份数(按重量计)配比: [0028]水玻璃(模数为3.2):67份;
[0029]NaOH 溶液(10mol/L):33 份。
[0030]具体的制备工艺如下:
[0031](I)将砂石骨料(即粗骨料碎石和细骨料天然砂)分别浸水24小时，取出放置在下部透水容器中自然干燥至表面无自由水状态，即得到饱和面干状态的砂石骨料；
[0032](2)将重量份为饱和面干状态的粗骨料碎石47份、饱和面干状态的细骨料天然砂26份、粉煤灰27份和硅灰O份，三聚磷酸钠0.12份，在混凝土搅拌机中搅拌均匀，得到混合固体相；
[0033](3)将重量份为液体工业硅酸钠67份和lOmol/L氢氧化钠溶液为33份，混合均匀，得到混合液体相；
[0034](4)将步骤(2)的混合固体相与将步骤(3)的混合液体相按照重量比为11:1混合均匀，得到混凝土浆料；
[0035](5)将步骤(4)中的混凝土衆料注入150mmX 150mmX 150mm立方试模中,在标准养护箱中养护I天后拆模，拆模后在标准养护箱养护至28天龄期；
[0036](6)将所得的龄期为28天的粉煤灰基地质聚合物混凝土进行力学性能，其基本指标如下:
[0037]立方抗压强度平均值为40.5MPa。
[0038]实施例2:
[0039]原料配比:
[0040]混合固体相S组分及份数(按重量计)配比如下:
[0041 ] 饱和面干状态的粗骨料碎石(粒径5?30mm，连续级配)47份；
[0042]饱和面干状态的细骨料天然砂(级配II区，细度模数2.8) 26份；
[0043]粉煤灰24份；[0044]硅灰3份；
[0045]三聚磷酸钠0.1份。
[0046]混合液体相L组分及NaOH溶液(14mol/L)的份数(按重量计)配比:
[0047]水玻璃(模数为3.2):67份;
[0048]NaOH 溶液(14mol/L):33 份。
[0049]具体的制备工艺如下:
[0050](I)将砂石骨料分别浸水24小时，取出放置在下部透水容器中自然干燥至表面无自由水状态，即得到饱和面干状态的砂石骨料；
[0051](2)将重量份为饱和面干状态的粗骨料碎石47份、饱和面干状态的细骨料天然砂26份、粉煤灰24份和硅灰3份，三聚磷酸钠0.1份，在混凝土搅拌机中搅拌均匀，得到混合固体相；
[0052](3)将重量份为液体工业硅酸钠67份和14mol/L氢氧化钠溶液为33份，混合均匀，得到混合液体相；
[0053](4)将步骤(2)的混合固体相与将步骤(3)的混合液体相按照重量比为11:1混合均匀，得到混凝土浆料；
[0054](5)将步骤(4)中的混凝土衆料注入150mmX 150mmX 150mm立方试模中,在标准养护箱中养护I天后拆模，拆模后在`标准养护箱养护至28天龄期；
[0055](6)将所得的龄期为28天的粉煤灰基地质聚合物混凝土进行力学性能，其基本指标如下:
[0056]立方抗压强度平均值为52.5MPa。
[0057]实施例3:
[0058]原料配比:
[0059]混合固体相S组分及份数(按重量计)配比如下:
[0060]饱和面干状态的粗骨料碎石(粒径5?30mm,连续级配)47份；
[0061]饱和面干状态的细骨料天然砂(级配II区，细度模数2.8) 26份；
[0062]粉煤灰22份；
[0063]硅灰5份；
[0064]三聚磷酸钠0.08份。
[0065]混合液体相L组分及NaOH溶液(18mol/L)的份数(按重量计)配比:
[0066]水玻璃(模数为3.2):67份;
[0067]NaOH 溶液(18mol/L):33 份。
[0068]具体的制备工艺如下:
[0069](I)将砂石骨料分别浸水24小时，取出放置在下部透水容器中自然干燥至表面无自由水状态，即得到饱和面干状态的砂石骨料；
[0070](2)将重量份为饱和面干状态的粗骨料碎石47份、饱和面干状态的细骨料天然砂26份、粉煤灰22份和硅灰5份，三聚磷酸钠0.08份，在混凝土搅拌机中搅拌均匀，得到混合固体相；
[0071](3)将重量份为液体工业硅酸钠67份和18mol/L氢氧化钠溶液为33份，混合均匀，得到混合液体相；[0072](4)将步骤(2)的混合固体相与将步骤(3)的混合液体相按照重量比为11:1混合均匀，得到混凝土浆料；
[0073](5)将步骤(4)中的混凝土浆料注入150mmX 150mmX 150mm立方试模中，在标准养护箱中养护I天后拆模，拆模后在标准养护箱养护至28天龄期；
[0074](6)将所得的龄期为28天的粉煤灰基地质聚合物混凝土进行力学性能，其基本指标如下:
[0075]立方抗压强度平均值为80.5MPa。
[0076]实施例4:
[0077]原料配比:
[0078]混合固体相S组分及份数(按重量计)配比如下:
[0079]饱和面干状态的粗骨料碎石(粒径5?30mm，连续级配)47份；
[0080]饱和面干状态的细骨料天然砂(级配II区，细度模数2.8) 26份；
[0081]粉煤灰19份；
[0082]硅灰8份；
[0083]三聚磷酸钠0.05份。
[0084]混合液体相L组分及NaOH溶液(18mol/L)的份数(按重量计)配比:
[0085]水玻璃(模数为3.2):67份;
[0086]NaOH 溶液(18mol/L):33 份。
[0087]具体的制备工艺如下:
[0088](I)将砂石骨料分别浸水24小时，取出放置在下部透水容器中自然干燥至表面无自由水状态，即得到饱和面干状态的砂石骨料；
[0089](2)将重量份为饱和面干状态的粗骨料碎石47份、饱和面干状态的细骨料天然砂26份、粉煤灰19份和硅灰8份，三聚磷酸钠0.05份，在混凝土搅拌机中搅拌均匀，得到混合固体相；
[0090](3)将重量份为液体工业硅酸钠67份和18mol/L氢氧化钠溶液为33份，混合均匀，得到混合液体相；
[0091](4)将步骤(2)的混合固体相与将步骤(3)的混合液体相按照重量比为11:1混合均匀，得到混凝土浆料；
[0092](5)将步骤(4)中的混凝土衆料注入150mmX 150mmX 150mm立方试模中,在标准养护箱中养护I天后拆模，拆模后在标准养护箱养护至28天龄期；
[0093](6)将所得的龄期为28天的粉煤灰基地质聚合物混凝土进行力学性能，其基本指标如下:
[0094]立方抗压强度平均值为105.3MPa。
【权利要求】
1.一种强度可控的粉煤灰基地质聚合物混凝土，其特征在于，包括重量比为11:1的混合固体相和混合液体相；所述混合固体相的组成按重量份计为:饱和面干状态的粗骨料碎石45-55份、饱和面干状态的细骨料天然砂13-33份、粉煤灰19-27份、硅灰0-8份和三聚磷酸钠0.05-0.12份；所述混合液体相的组成按重量份计为:液体工业娃酸钠67-75份和摩尔浓度为10-18mol/L的氢氧化钠溶液25-33份。
2.根据权利要求1所述的强度可控的粉煤灰基地质聚合物混凝土，其特征在于，所述粗骨料碎石和细骨料天然砂为普通水泥混凝土用的碎石及河砂，其含水状态为饱和面干，粗骨料碎石的粒径为5-40mm，细骨料河砂为II区砂，细度模数在2.3-3.0之间。
3.根据权利要求1所述的强度可控的粉煤灰基地质聚合物混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为火力发电厂粉煤灰炉烟道气体中收集的粉末，其CaO含量小于等于10%，即F类粉煤灰，45微米方孔筛余小于等于45.0%，等级在III级及以上。
4.根据权利要求1所述的强度可控的粉煤灰基地质聚合物混凝土，其特征在于，所述硅灰为在冶炼硅铁合金或工业硅时通过烟道排出的粉尘，经收集得到的以无定形二氧化硅为主要成分的粉体材料,其中SiO2含量大于等于85%，比表面积大于等于15m2/g，活性指数大于等于105%。
5.根据权利要求1所述的强度可控的粉煤灰基地质聚合物混凝土，其特征在于，所述三聚磷酸钠为市售粉体状的陶瓷减水剂，其纯度≥90%。
6.根据权利要求1所述的强度可控的粉煤灰基地质聚合物混凝土，其特征在于，所述液体工业娃酸钠中Na2O的质量含量大于等于7.2%, SiO2的质量含量大于等于25%,模数在3.0-3.6 之间。
7.根据权利要求1所述的强度可控的粉煤灰基地质聚合物混凝土，其特征在于，所述氢氧化钠溶液为工业纯固体氢氧化钠溶解于水而制备成的摩尔浓度为10-18mol/L溶液，所述工业纯固体氢氧化钠中氢氧化钠的质量含量≥ 94%。
8.一种强度可控的粉煤灰基地质聚合物混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)将粗骨料碎石和细骨料天然砂分别浸水24小时，取出放置在下部透水的容器中自然干燥至表面无自由水状态，即得到饱和面干状态的粗骨料碎石和细骨料天然砂； (2)将重量份为饱和面干状态的粗骨料碎石45-55份、饱和面干状态的细骨料天然砂13-33份、粉煤灰19-27份、硅灰0-8份和三聚磷酸钠0.05-0.12份，在混凝土搅拌机中搅拌均匀，得到混合固体相； (3)将重量份为液体工业硅酸钠67-75份和摩尔浓度为10-18mol/L的氢氧化钠溶液为25-33份，混合均匀，得到混合液体相； (4)将步骤(2)的混合固体相与将步骤(3)的混合液体相按照重量比为11:1混合均匀，得到混凝土浆料； (5)将步骤(4)中的混凝土浆料注入试模中，在湿气养护箱中养护I天后拆模，拆模后在湿气养护箱养护至28天龄期，得到抗压强度在40-100MPa之间的粉煤灰基地质聚合物混凝土 ；所述湿气养护箱中的温度为20±1°C，相对湿度RH≥90%。
【文档编号】C04B28/06GK103435313SQ201310374691
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月26日 优先权日:2013年8月26日
【发明者】谢子令, 李显, 杨克家, 周华飞 申请人:温州大学