一种抗收缩型地聚物胶凝材料及其制备方法

本发明属于工程材料，具体涉及一种抗收缩型地聚物胶凝材料，本发明还进一步提供了该材料的其制备方法。

背景技术：

1、地聚物是由硅铝酸盐材料在碱激发剂作用下形成的凝胶材料，具有高强、快凝、低污染、耐高温、高耐久等优点，无需煅烧，不存在碳酸盐矿物的分解，因此二氧化碳排放较低。用其制备工程材料可实现固废的二次利用，但其收缩率高是制约其应用的关键问题。地聚物的收缩是指在凝结固化过程中体积变小的现象，当地聚物材料收缩时，如果受到阻碍无法自由收缩，就会在表面形成张力，进而导致裂缝的形成，影响地聚物结构的安全性和耐久性。而且在收缩过程中产生的应力可能会导致地聚物材料在未完全固化之前发生形变，致使材料偏离原有设计形状和尺寸，影响其形成结构物的服役性能和服务功能。

2、煤矸石由粘土岩、砂岩、碳酸盐和铝质岩等构成，富含铝硅酸盐，含有不同量的si2o、al2o3、fe2o3和cao、mgo、k2o等无机物质，在碱性环境下煤矸石中的铝硅酸盐原料溶解，溶解的铝硅配合物由固体颗粒表面向颗粒间隙的扩散，形成凝胶相m {—(sio2)z—alo2}n·wh2o, 使碱硅酸盐溶液和铝硅配合物之间发生聚合作用。煤矸石可作为水泥等胶凝掺合材料，其原因在于粘土类煤矸石矿物，在加热到一定温度时，原来的结晶相分解破坏，粘土类矿物和云母类受热后脱水分解，高岭石分解为偏高岭石和无定形的si2o和al2o3使煤矸石具有活性。

3、利用煤矸石作为掺合料制备地聚物胶凝材料，可以延缓地聚物的凝固时间，提高和易性，且能够提高地聚物力学性能。因此，利用煤矸石-矿渣为原料制备地聚物胶凝材料添加膨胀剂是解决地聚物收缩率大问题的常用方法，膨胀剂主要通过在水化反应后结晶生长、吸水肿胀或者固相体积增大等方式抵抗收缩，常用膨胀剂按成分可以分为硫铝酸钙类、cao类、mgo类和硫铝酸钙-氧化钙类几种类型，如发明cn201811520583.5中用甘油、硝酸锶和水萃取出镍渣中的mgo作为膨胀剂，工艺复杂且能耗较大。因此，若能直接利用或改性天然物质作为膨胀剂将为地聚物的收缩问题提供良好的解决途径。锂蒙脱石是一种含镁、锂、硅的层状粘土矿物，属蒙脱石、蛭石族中的蛭石亚族，晶体结构为三八面体型，遇水膨胀，能够形成包含大量水网络结构的凝胶。此外，若将其加入地聚物胶凝材料中，能够在碱激发环境下生成镁铝碳酸根型水滑石（mg6al2(oh)16co3· 4h2o），使得胶凝材料固相体积增大，且水滑石晶体密度小于水化硅酸钙（c-s-h），能够填充胶凝材料中的内部孔隙，使得多种胶凝团胶结能力更强，不仅可以增加地聚物胶凝材料的致密性而提升强度，且能够抵消地聚物胶凝材料的碱激发收缩效应，具备作为新型膨胀剂的潜力。

技术实现思路

1、本发明提供了一种抗收缩型地聚物胶凝材料及其制备方法，为新的一种抗收缩型地聚物胶凝材料，主要以矿渣为原料，采用具有潜在水硬性材料的煤矸石粉末作为掺合料，选择低掺量膨胀剂提高材料抗收缩性能，得到了具有优异抗收缩性能和力学性能的地聚物胶凝材料，有效解决现有技术中地聚物收缩率大和煤矸石综合利用问题以及常用膨胀剂萃取、合成能耗高问题中的至少一个问题。

2、本发明涉及的锂蒙脱石是一种含镁、锂、硅的层状粘土矿物，属蒙脱石、蛭石族中的蛭石亚族，晶体结构为三八面体型，遇水膨胀，能够形成包含大量水网络结构的凝胶。此外，若将其加入地聚物胶凝材料中，能够在碱激发环境下生成镁铝碳酸根型水滑石（mg6al2(oh)16co3· 4h2o），使得胶凝材料固相体积增大，且水滑石晶体密度小于水化硅酸钙（c-s-h），能够填充胶凝材料中的内部孔隙，使得多种胶凝团胶结能力更强，不仅可以增加地聚物胶凝材料的致密性而提升强度，且能够抵消地聚物胶凝材料的碱激发收缩效应，具备作为新型膨胀剂的潜力；以锂蒙脱石作为膨胀剂，煤矸石与锂蒙脱石协同增加力学性能 既消耗了煤矸石固体废弃物，又能制备出兼顾力学强度和抗收缩性能的地聚物胶凝材料。

3、粉体组分100份、干粉碱激发剂组分10.0 ~ 15.0份、膨胀剂组分1.8 ~ 2.4份、水45.0 ~ 55.0份；

4、所述的膨胀剂为高纯度层状锂蒙脱石，其中，mgo含量≥25%；优选为2.1份。

5、所述的粉体组分由65~75份100~200目煤矸石粉末和25~35份矿渣构成；矿渣的质量份数优选为70.0份，矿渣为s95级矿渣；煤矸石粉末细度为100~200目，优选140目。

6、所述的干粉碱激发剂组分由硅酸钠粉末与氢氧化钠粉末构成，质量比为1:1~1:1.5；优选为1:1.25；所述的硅酸钠粉末模数为2.10~2.75，优选为2.43。

7、1）按上述比例取粉体组分、膨胀剂、干粉碱激发剂、水；

8、2）将干粉碱激发剂倒入水中搅拌直至完全溶解得到碱激发剂溶液备用；

9、3）将称好的粉体组分和膨胀剂在搅拌机中干搅拌混合均匀制得混合干粉备用；

10、4）将混合干粉和碱激发剂溶液混合搅拌，经过110~130s低速搅拌，停拌刮壁后高速搅拌不少于90s，整个过程不得超过300s，制得抗收缩型地聚物凝胶材料；

11、5）将抗收缩型地聚物胶凝材料倒入模具，振动成型，养护脱模，继续养护得到抗收缩型地聚物胶结体。

12、所述的抗收缩型地聚物胶凝材料是在矿物资源上进行开发的，在基体材料中添加了膨胀剂锂蒙脱石，有优异的抗收缩性能：锂蒙脱石在水化反应过程中生成新物质水滑石，一方面可以填充材料内部的微裂缝和孔隙，使材料更加致密，另一方面水滑石在材料内部发育生长产生向外的约束反力从而抵抗凝结固化过程的收缩，提高了材料的抗收缩性，随时间变化材料内部的孔隙和微裂缝被水滑石和凝胶材料填充，材料内部变得致密，连结更加紧密；本发明利用煤矸石粉末和矿渣中游离的cao和mgo与锂蒙脱石一起产生复合抗收缩作用，显著抑制了地聚物材料的收缩，有效缓解了地聚物收缩大的问题。

13、采用碱金属硅酸盐粉末与苛性碱氢氧化物粉末复合的干粉碱激发剂，一方面，激发效果优于单一碱激发剂与液态碱激发剂，更易储存和运输，另一方面，复合激发相较于单一碱激发地聚物具有更优异的力学性能，耐久性也更优异，延长了材料的使用寿命。

技术特征：

1.一种抗收缩型地聚物胶凝材料，其特征在于是由以下质量份数的原料制备而成：

2.根据权利要求1所述的一种抗收缩型地聚物胶凝材料，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的一种抗收缩型地聚物胶凝材料，其特征在于：

4.根据权利要求1~3任一项所述的一种抗收缩型地聚物胶凝材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

技术总结
本发明提供了一种抗收缩型地聚物胶凝材料及其制备方法，为新的一种抗收缩型地聚物胶凝材料，主要以矿渣为原料，采用具有潜在水硬性材料的煤矸石粉末作为掺合料，选择低掺量膨胀剂提高材料抗收缩性能，得到了具有优异抗收缩性能和力学性能的地聚物胶凝材料，有效解决现有技术中地聚物收缩率大和煤矸石综合利用问题以及常用膨胀剂萃取、合成能耗高的问题。

技术研发人员：张禹维,周成亮,尹云帆,宫亚峰
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15