一种掺有再生粗骨料的碱激发粉煤灰基胶凝材料及其制备方法与流程

本发明属于建筑材料制备技术领域，具体为一种掺有再生粗骨料的碱激发粉煤灰基胶凝材料及其制备方法。

技术背景

粉煤灰，是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物。我国火电厂粉煤灰的主要氧化物组成为：sio2、al2o3、feo、fe2o3、cao、tio2等。随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加，成为我国当前排量较大的工业废渣之一。大量的粉煤灰不加处理，就会产生扬尘，污染大气；若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害。但粉煤灰可资源化利用，如作为混凝土的掺合料等。

粗骨料指在混凝土中的砂、石，起骨架作用，称为骨料或集料，其中粒径大于5mm的骨料称为粗骨料；细骨料是与粗骨料相对的建筑材料，粒径在4.75mm以下的骨料称为细骨料。

目前，国内外使用最为广泛的建筑材料就是混凝土材料，制备混凝土需要使用大量的水泥进行拌和，目前已有采用粉煤灰部分制备水泥的文献，但是效果都不尽如人意。另外，我国建筑的拆迁及地震灾害都会产生较多的混凝土废料，国发电厂火力发电后会产生许多副产品粉煤灰。如果可以同时解决建筑废料及燃烧副产品堆放的问题，并且使材料的性质得到提升，这样就可以很好的实现对混凝土废料及粉煤灰的利用。

现采用的方法是利用破碎机加工再生粗骨料替代天然粗骨料，制备再生混凝土，但经研究发现再生粗骨料的掺入会降低混凝土的强度，或者用较多粉煤灰取代分水泥，但也会降低混凝土的强度。

技术实现要素：

本发明的发明目的是针对上述问题，提供一种掺有再生粗骨料的碱激发粉煤灰基胶凝材料。该粉煤灰基胶凝材料充分利用了建筑的废弃材料和发电厂的燃烧副产物，对可持续发展及环境保护起到了积极作用，同时利用配置的碱溶液激发粉煤灰基胶凝材料，不仅能够提高掺加再生粗骨料后的材料强度，而且能够提高材料的耐久性。

本发明的另外一个发明目的是提供以上所述粉煤灰基胶凝材料的制备方法。

为了实现以上发明目的，本发明的技术方案为：

一种掺有再生粗骨料的碱激发粉煤灰基胶凝材料，其包括以下重量份的原料：再生粗骨料1100－1200份，细骨料500－550份，粉煤灰450－500份，碱溶液200份。

所述的碱溶液是由naoh溶液与na2sio3溶液配置而成，naoh溶液与na2sio3溶液的质量比为50－60：140－150。

以质量百分含量100％计，na2sio3溶液中各成分的质量百分比为：sio226.2％，na2o28.2％，h2o45.6％，总质量百分含量之和为100％；naoh溶液是由纯度为98％的naoh固体与蒸馏水配置而成的浓度为8mol/l的碱溶液。

以上所述掺有再生粗骨料的碱激发粉煤灰基胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将混凝土废料通过粉碎机机械破碎，人工筛选，剔除薄片状或存在明显裂纹等力学性能较差的再生粗骨料，通过冲洗去除再生骨料表面松散的旧砂浆，制成再生粗骨料；将粉煤灰充分粉碎为粉末；

2)待再生粗骨料充分晾晒后，将粗骨料与细骨料在混凝土搅拌机中干拌1min，然后将粉煤灰倒入继续搅拌1min，再缓慢加入碱溶液，继续搅拌约3min，使其混合均匀，再按照要求制成混凝土构件；由氢氧化钠溶液与硅酸钠溶液制备而成的碱溶液，要在浇筑混凝土前24h制备完成；

3)将混凝土构件放入80℃的烘箱中高温养护24h，使其强度充分发展，再将构件放在20℃±2℃，相对湿度不小于95％的养护室中进行标准养护。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(一)、充分利用了建筑的废弃材料和发电厂的燃烧副产物，对可持续发展及环境保护起到了积极作用。

(二)同时利用配置的碱溶液激发粉煤灰基胶凝材料，不仅能够提高掺加再生粗骨料后的材料强度，而且能够提高材料的耐久性。

附图说明

图1为实施例1中制备得到的掺有再生粗骨料的碱激发粉煤灰基胶凝材料的微观结构图，从图上可以看出再生粗骨料与粉煤灰砂浆基质的交界面结合紧密。

具体实施方式

为了使本发明的内容更加便于理解，下面将结合具体实施方式对本发明中所述的工艺做进一步的阐述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。

本申请中所采用的％，如无特殊说明，均表示其质量百分含量，即wt％。以下实施例中采用的原材料为低钙粉煤灰，粉煤灰成分见表1；再生粗骨料的最大公称直径为20mm，连续级配；na2sio3溶液的主要成分为：sio226.2％，na2o28.2％，h2o45.6％；碱溶液是由纯度为98％的naoh固体与蒸馏水配置而成的浓度为8mol/l的naoh溶液。

表1粉煤灰成分

实施例1：

一种掺有再生粗骨料的碱激发粉煤灰基胶凝材料，其包括以下重量份的原料：再生粗骨料1171份，细骨料539份，粉煤灰459份，碱溶液200份。

实施例2：

一种掺有再生粗骨料的碱激发粉煤灰基胶凝材料，其包括以下重量份的原料：再生粗骨料1188份，细骨料522份，粉煤灰452份，碱溶液200份。

实施例3：

一种掺有再生粗骨料的碱激发粉煤灰基胶凝材料，其包括以下重量份的原料：再生粗骨料1165份，细骨料545份，粉煤灰468份，碱溶液200份。

将实施例1至实施例3中的配方进行掺有再生粗骨料的碱激发粉煤灰基胶凝材料的制备，具体步骤如下：

1)将混凝土废料通过粉碎机机械破碎，人工筛选，剔除薄片状或存在明显裂纹等力学性能较差的再生粗骨料，通过冲洗去除再生骨料表面松散的旧砂浆，制成再生粗骨料；

2)待再生粗骨料充分晾晒后，将粗骨料与细骨料在混凝土搅拌机中干拌1min，然后将粉煤灰倒入继续搅拌1min，再缓慢加入碱溶液，继续搅拌约3min，使其混合均匀后进行浇筑；由氢氧化钠溶液与硅酸钠溶液制备而成的碱溶液，要在浇筑混凝土前24h制备完成；

试件养护方式：浇筑完成100mm×100mm×100mm立方体试块，将试件放入80℃高温炉中养护24h，然后放入标准养护箱(温度为20±2℃，相对湿度为95％以上)中养护26d，后从标准养护箱中取出，在60℃下烘干48h。养护龄期共28d，测试28d时的抗压强度。

将实施例1至实施例3按照以上方法分别制备得到的凝胶材料命名为材料a，材料b和材料c，对材料a，材料b和材料c进行抗压强度测定，具体结果如下表：

由以上实验数据证明，采用该方法制备得到的凝胶材料抗压强度好，能达到c45普通硅酸盐混凝土强度等级。

试验1：

试验设置了3组掺有或不掺有再生粗骨料的碱激发粉煤灰基胶凝材料，具体配比见表2.

表2

注：grc0-再生粗骨料取代率0％；grc50-再生粗骨料取代率50％；grc100-再生粗骨料取代率100％。

1.试件养护方式：浇筑完成100mm×100mm×100mm立方体试块，将试件放入80℃高温炉中养护24h，然后放入标准养护箱(温度为20±2℃，相对湿度为95％以上)中养护26d，后从标准养护箱中取出，在60℃下烘干48h。养护龄期共28d，测试28d时的抗压强度。

2.三组试件，测得的抗压强度见表3。

表3抗压强度

由表3可以看出，再生粗骨料可完全取代天然粗骨料，粉煤灰基胶凝材料的抗压强度并没有降低，能达到c45普通硅酸盐混凝土强度等级。grc0代表再生粗骨料未添加，粗骨料均为天然粗骨料，按照相同的配合比，grc0的抗压强度为46.1mpa；grc100代表再生粗骨料全部取代天然骨料，此时grc100的抗压强度为48.8mpa，均能达到c45混凝土强度要求，且后者强度略高于前者。这主要是由于再生粗骨料表面的旧砂浆仍残留有水泥水化产物，能够与粉煤灰发生二次反应，使得水泥水化产物中的ca(oh)2晶体颗粒细化，晶体ca(oh)2的定向排列现象减弱，其中不良结构减少；同时一些未反应或反应不完全的粉煤灰颗粒能够填充地聚物再生混凝土中再生粗骨料与砂浆之间过渡区的微小孔隙，使得界面过渡区结构更加密实。

试验2：

试验条件同实施例1，仅改变碱激发溶液的添加量，当碱溶液添加不当：对于粉煤灰地聚物混凝土来说，水化过程中形成的凝胶含量与碱溶液中的oh^－的浓度息息相关，浓度较低时，地质聚合反应不彻底，粉煤灰未能充分参与反应，凝胶结构差，抗压强度低；随着碱溶液浓度的增大，更多的sio2与al2o3参与低聚反应，抗压强度会得到有效改善；当碱溶液浓度过高，多余的碱离子会在早期生成铝硅酸盐化合物沉淀，从而降低抗压强度。

地质聚合反应的激发剂通常是含有sio3^2－的碱溶液，碱溶液的作用是使原材料中的铝硅酸盐溶解并发生聚合。

碱溶液中的金属离子主要用于平衡地质聚合物中al³⁺离子的负电荷。激发剂中碱溶液的金属阳离子和碱的浓度对地质聚合反应和地质聚合物的性能有不可忽略的影响。na⁺的体积比mg²⁺更小，能够使溶液中的缩聚反应更加彻底，同时na⁺比mg²⁺更加基础，能够使更多的si和al从原材料中溶出，处于低聚合态和单体状态的si更容易与溶解的al发生缩聚反应生成地质聚合物凝胶，从而使得地聚物抗压强度提高。

碱激发溶剂中si的浓度对地质聚合物的性能影响很大，si的浓度越高，抗压强度越高，但过高的si浓度可能对抗压强度不利。激发剂中si浓度较小，新生成的凝胶沉淀附着于粉煤灰上，阻碍粉煤灰中si、al等元素的溶液，从而影响缩聚反应的继续进行，当激发剂中si浓度适当增大，这一阻碍作用得到明显削弱。

试验3：

试验条件同实施例1，仅改变粉煤灰的添加量，若粉煤灰添加不当：缺少足够的粉煤灰与碱溶液激发剂反应，使得无法形成足量的地质聚合物胶凝材料，影响强度；过量的粉煤灰无法充分与碱溶液激发剂发生反应，残留的粉煤灰颗粒会影响地质聚合物的微观结构，使得结构松散，有孔隙，影响强度。

试验4：

试验条件同实施例1，但养护方法若采用常温包裹养护，会使得地聚物再生混凝土早期强度较低，这主要是由于早期粉煤灰与naoh和na2sio3形成的碱激发环境中生成的凝胶主要是以富al凝胶为主，机械强度较低，需要经过一定龄期的养护，才能转变为较稳定的富si凝胶，机械强度较高。

在一定范围内提高养护温度，能够显著提高地聚物混凝土的抗压强度，但温度若提升过多，会使得抗压强度增长缓慢，甚至出现下降的趋势。这主要是因为高温养护可以加速早期粉煤灰与碱激发剂的化学反应，促使微观结构致密化；而养护温度过高反而会使得抗压强度下降，这主要是因为内部水分蒸发过快，缺少足够的水分参与聚合反应，同时水分蒸发形成内部蒸汽压力，会导致内部裂纹的生成和扩展，损害其抗压强度。

虽然本发明已经通过具体实施方式对其进行了详细阐述，但是，本专业普通技术人员应该明白，在此基础上所做出的未超出权利要求保护范围的任何形式和细节的变化，均属于本发明所要保护的范围。