一种快凝快硬煤矸石碱激发快速修补材料的制备方法
背景技术：
煤矸石碱激发材料是近年来新发展起来的一类新型无机非金属材料，这类材料以工业固体废弃物—煤矸石为主要原料，与其他矿物掺合料以及适量碱硅酸盐溶液充分混合，在常温或蒸压条件下养护成型，是一类由铝硅酸盐胶凝成分粘结的胶凝材料。与传统硅酸盐水泥相比，煤矸石碱激发材料在性能和功能上，具有高强(抗压强度可达15-74mpa)、耐高温(耐火度>1000℃)、耐酸碱盐的腐蚀、渗透率低等优点；在生产工艺上，不需要高温煅烧或烧结，聚合反应在常温就可以完成。相对于硅酸盐水泥，煤矸石碱激发材料能耗低，几乎无污染，而且不消耗石灰石资源，而且可循环利用，是一种环保型绿色建筑材料。
作为快速修补材料，不仅要求修补材料本身具有良好的和易性以及力学性能，而且还要有快凝快硬的特点。然而，煤矸石碱激发材料虽然具有强度高以及易性好的优点，但在凝结时间与早期强度发展方面仍达不到快速修补材料的要求。因此，若能对煤矸石碱激发材料进行改性，加快聚合反应的进行，明显缩短凝结时间，并进一步促进早期强度的发展，那么煤矸石碱激发材料将能够作为快速修补材料在工程中应用，这对煤矸石碱激发快速修补材料的推广与应用具有重大的意义。
本专利以高炉粒化矿渣微粉以及煤矸石微粉为胶凝材料，中粗砂为细骨料，掺入液态硅酸钠与naoh作为激发剂，辅掺适量的熟石灰粉作为调整凝结时间并提高早期强度的添加剂，制备一种快凝快硬煤矸石碱激发快速修补材料。煤矸石碱激发快速修补材料不仅可以调整凝结时间，而且具备早强与高强的特点，同时和易性优良，因此适合作为快速修补材料在工程中应用。煤矸石碱激发材料的应用不仅能够代替水泥，消除煤矸石大量堆积所造成的环境污染问题，又可缓解对水泥的过度依赖，减少对不可再生资源的过度消耗，对于我国这样一个能源紧缺和环境污染比较严重的国家具有重要意义。
技术实现要素：
技术问题：本发明的目的是克服煤矸石碱激发材料凝结较慢以及早期强度不足的缺点，通过在制备煤矸石碱激发材料时掺入适量的熟石灰粉，以提高聚合反应环境中活性钙的含量，从而促进聚合反应的进行与聚合产物的形成，达到明显缩短凝结时间并大幅提高早期强度的目的，最终实现煤矸石碱激发材料作为快速修补材料在工程中应用。
技术方案：一种快凝快硬煤矸石碱激发快速修补材料的制备方法，其特征是：通过熟石灰粉的增钙增强作用，提高聚合反应效率，加快聚合产物的形成，从而缩短煤矸石碱激发材料的凝结并促进早期强度的发展。试验表明，随着熟石灰粉掺量的提升，煤矸石碱激发快速修补材料的凝结时间不断缩短，但材料的力学性能有一定下降。
原料组成及其质量百分比如下：胶凝材料为磨细煤矸石微粉70％—30％(掺量181.5—99kg/m3)；高炉粒化矿渣微粉25％—40％(掺量82.5—132kg/m3)；磨细熟石灰粉5％—30％(掺量16.5—99kg/m3)；细骨料为中粗砂(掺量651kg/m3)；激发剂为模数1-3的液态硅酸钠(掺量88kg/m3)；片碱(naoh掺量17.6kg/m3)；水(掺量92.4kg/m3)。
使用上述一种快凝快硬煤矸石碱激发快速修补材料的制备方法：包括称量配料及混合工艺、制备工艺以及浇筑工艺，具体方法如下：
(1)称量配料及混合工艺：首先按照配合比将称量好的naoh加入到制备用水中，进行搅拌并静置冷却；同时将煤矸石微粉、矿渣微粉以及熟石灰粉进行称量配料，然后将三种胶凝材料放入混料机中混合5分钟，形成均匀的混合料。
(2)制备工艺：将冷却至室温的naoh溶液加入搅拌锅，并加入混合料，先慢搅10秒再快搅20秒；然后加入液态硅酸钠并快搅30秒，最后加入中粗砂并快搅30秒即可准备使用。
(3)浇筑工艺：将制备完成的煤矸石碱激发快速修补材料直接浇筑至修补处即可。
所述煤矸石微粉为煤矸石块体经过破碎并球磨使其比表面积≥300m2/kg，其中粒径小于50μm的超细煤矸石微粉占总质量的90％以上。
所述矿粉为符合gb/t18046-2008标准规定的s95级粒化高炉矿渣微粉，为高炉粒化矿渣经磁选除铁处理，球磨使其达到比表面积≥400m2/kg，其中粒径小于30μm的超细粒化高炉矿渣微粉占总质量的90％以上。
所述熟石灰是生石灰粉经充分消解、烘干后的熟石灰粉，0.08mm的方孔筛的筛余量为0。
有益效果：本发明以煤矸石微粉与矿渣微粉为胶凝材料，掺加磨细熟石灰粉作为活性钙添加剂(调整凝结时间并促进早期强度的发展),以中粗砂为细骨料，液态硅酸钠与naoh为激发剂，制备一种快凝快硬煤矸石碱激发快速修补材料。煤矸石碱激发快速修补材料不仅具有早强与高强以及粘聚性好等优势，而且改变熟石灰粉的掺量还可以调节凝结时间。同时煤矸石碱激发快速修补材料可代替传统水泥修补材料，减缓水泥制造对石灰石原材料的过快消耗，变废为宝，逐步消除煤矸石积存所带来的种种环境污染问题，提高废弃煤矸石的利用率、保护环境，具有显著的环境效益和社会效益，对于我国这样一个能源紧缺和环境污染比较严重的国家具有重要的意义。与现有技术相比具有如下优点：
1)可自行调整凝结时间
通过熟石灰粉的掺入，可以显著提升煤矸石碱激发快速修补材料中活性钙的含量，促进活性钙与液态硅酸钠提供的活性硅结合，加快聚合产物(c-s-h与c-a-s-h凝胶)的形成，提高聚合产物的生成量，最终加速煤矸石碱激发快速修补材料的凝结。试验表明，随着熟石灰粉掺量的增加，煤矸石碱激发快速修补材料的凝结时间进一步缩短，当熟石灰粉的掺量增加到30％，煤矸石碱激发快速修补材料的凝结时间缩短到7分钟。因此，煤矸石碱激发快速修补材料的凝结时间可通过改变熟石灰粉的掺量进行调整。
2)具有良好的保水性与粘聚性
煤矸石碱激发快速修补材料采用液态硅酸钠作为激发剂，而液态硅酸钠具有较高的粘聚性，可有效吸附煤矸石与矿渣颗粒，明显提高煤矸石碱激发快速修补材料的保水性与粘聚性。保水性的改善可以确保煤矸石碱激发快速修补材料在制备与浇筑过程中不易产生离析与泌水现象，而粘聚性的提高可以增强修补材料与老旧混凝土界面间的粘结力，确保修补材料在浇筑过程中不易发生滑落或脱落的现象，提高煤矸石碱激发快速修补材料的可施工性能。
3)早期强度发展快、后期强度高
熟石灰粉的掺入可以为煤矸石碱激发材料的聚合反应提供大量的活性钙，促进活性钙与活性硅的结合，提高聚合反应效率，同时加速聚合产物(c-s-h与c-a-s-h凝胶)的形成，提高聚合产物的生成量。因此通过熟石灰粉的增钙增强作用，煤矸石碱激发快速修补材料的早期强度发展迅速，后期强度也得到进一步提高。试验表明，煤矸石碱激发快速修补材料的抗压强度在修补完成1小时即能达到2mpa，24小时能够达到20mpa，经过28天甚至能够增长到60mpa。
4)显著的环境效益和社会效益
采用工业固体废弃物—煤矸石与矿渣为主要原料制备快凝快硬煤矸石碱激发快速修补材料，可以逐步实现对水泥修补材料的替代，减少对水泥材料的需求，不仅可以缓解水泥生产对石灰石、黏土以及能源的过快消耗，减轻水泥生产所带来的高能耗、高污染问题，而且可以变废为宝，逐步消除工业固体废弃物大量堆积所带来的种种环境污染问题，所产生的环境效益和社会效益将无法估量。
优点：本发明通过在制备煤矸石碱激发材料时掺入适量的熟石灰粉，提高聚合反应中活性钙的含量，促进聚合反应的进行，加速聚合产物的形成，以达到自行调整煤矸石碱激发材料的凝结时间并促进早期强度发展的目的。同时，煤矸石碱激发快速修补材料不仅具有早强与高强的特性，而且保水性好、粘聚性高，便于施工。煤矸石碱激发快速修补材料的应用，还能够减缓对水泥的需求，变废为宝，提高工业废弃物的利用率、保护环境、具有显著的环境效益和社会效益。
具体实施方式
实施例1：一种快凝快硬煤矸石碱激发快速修补材料，原料组成及其质量百分比如下：胶凝材料为磨细煤矸石微粉55％(掺量181.5kg/m3)；高炉粒化矿渣微粉40％(掺量132kg/m3)；磨细熟石灰粉5％(掺量16.5kg/m3)；细骨料为中粗砂(掺量651kg/m3)；激发剂为模数2.75的液态硅酸钠(掺量88kg/m3)；片碱(naoh掺量17.6kg/m3)；水(掺量92.4kg/m3)；
表1试验配合比kg/m3
使用上述一种快凝快硬煤矸石碱激发快速修补材料：其制备过程包括称量配料及混合工艺、制备工艺以及浇筑工艺，具体方法如下：
(1)称量配料及混合工艺：首先按照配合比将称量好的naoh加入到制备用水中，进行搅拌并静置冷却；同时将煤矸石微粉、矿渣微粉与熟石灰粉进行称量配料，然后将三种胶凝材料放入混料机中混合5分钟，形成均匀的混合料。
(2)制备工艺：将冷却至室温的naoh溶液加入搅拌锅，并加入混合料，先慢搅10秒再快搅20秒。然后加入液态硅酸钠并快搅30秒，最后加入中粗砂并快搅30秒即可准备浇筑。
(3)浇筑工艺：将制备完成的煤矸石碱激发快速修补材料直接浇筑至修补处即可。
实施例2：制备方法与实施例1相同，略。不同之处在于：一种快凝快硬煤矸石碱激发快速修补材料，原料组成及其质量百分比如下：胶凝材料为磨细煤矸石微粉45％(掺量148.5kg/m3)；高炉粒化矿渣微粉40％(掺量132kg/m3)；磨细熟石灰粉15％(掺量49.5kg/m3)；细骨料为中粗砂(掺量651kg/m3)；激发剂为模数2.75的液态硅酸钠(掺量88kg/m3)；片碱(naoh掺量17.6kg/m3)；水(掺量92.4kg/m3)；
表2试验配合比kg/m3
实施例3：制备方法与实施例1相同，略。不同之处在于：一种快凝快硬煤矸石碱激发快速修补材料，原料组成及其质量百分比如下：胶凝材料为磨细煤矸石微粉30％(掺量181.5kg/m3)；高炉粒化矿渣微粉40％(掺量132kg/m3)；磨细熟石灰粉30％(掺量16.5kg/m3)；细骨料为中粗砂(掺量651kg/m3)；激发剂为模数2.75的液态硅酸钠(掺量88kg/m3)；片碱(naoh掺量17.6kg/m3)；水(掺量92.4kg/m3)；
表3试验配合比kg/m3
参照水泥凝结时间检验评定标准(gb/t1346-2001)与水泥胶砂抗压强度检验评定标准(gb/t17671-1999)，测得煤矸石碱激发快速修补材料的凝结时间与抗压强度如表4所示。
表4煤矸石碱激发快速修补材料凝结时间与抗压强度