纳米硅溶胶增强碳酸钠激发矿渣再生砂浆及其制备方法

本发明涉及建筑材料，尤其涉及纳米硅溶胶增强碳酸钠激发矿渣再生砂浆及其制备方法。

背景技术：

1、硅酸盐水泥的制造过程会产生大量的碳排放，是第三大温室效应的影响者(占全球二氧化碳排放量的5～8％)。此外，天然砂石是不可再生资源，由于建设体量的持续增加，导致目前砂石资源紧缺。因此，采用低碳碱矿渣水泥代替普通硅酸盐水泥，采用再生骨料替代天然砂石制备碱矿渣再生砂浆，是实现绿色低碳发展的重要途径。

2、碱矿渣水泥是利用碱激发剂激发工业废渣而得到的一种水硬性胶凝材料。其中，水玻璃和氢氧化钠是最常用的激发剂，虽然由其激发的碱矿渣材料具有优异的力学性能和耐久性，但同时也存在着收缩大、易开裂、成本和能耗高等问题。碳酸钠(na2co3)作为一种来源广泛、价格低廉且绿色环保的激发剂，可以显著地降低碱矿渣材料的收缩变形和开裂性。然而，碳酸钠激发矿渣材料也存在着早期强度低和凝结速度过慢等问题，在正常碱浓度下，其3天强度基本为0甚至还难以脱模，7天抗压强度一般为0～20mpa(主要与矿渣本身活性有关)，从而限制了其在实际工程中的推广应用。

3、为了解决na2co3激发矿渣所造成的凝结速度过慢和早期强度低的问题，cn116283172a中国发明专利公开了一种以na2co3和cao作为激发剂的碱矿渣胶凝材料及其制备。然而，所添加的cao一方面会使体系产生大量碳酸钙等晶状物质，导致基体膨松多孔，影响强度；另一方面，cao与水快速反应会产生大量的水化热，使其凝结速度过快而影响工作性能。因此，需要寻找更多的途径解决na2co3激发矿渣所存在的不足。此外，再生细骨料表面包裹着旧砂浆，存在吸水率高、与基体界面过渡区薄弱等问题，因此导致由其所制备的材料强度下降以及收缩增大。为此，寻求一种有效的方法可以同时解决碳酸钠激发矿渣和再生骨料应用存在的问题，这对于促进碳酸钠激发矿渣再生材料的应用至关重要。

4、纳米硅溶胶是纳米sio2颗粒在水中的分散体，粒子表面含有硅羟基(-sioh)和羟基(-oh)(表面结构见图2)，具有活性高、分散性好、吸附能力高、耐腐蚀性强等优点，目前在涂料、耐火材料、造纸、纺织、电子工业等领域得到广泛应用。然而，纳米硅溶胶在碱激发体系中的应用较少。本发明将纳米硅溶胶应用到碳酸钠激发的碱矿渣再生砂浆体系中，充分发挥其协同增强效应，不仅可以缩短na2co3激发体系的凝结时间，提高早期强度；同时在再生细骨料表面形成低钙硅比的c-s-h凝胶包裹层，进一步增强再生细骨料界面硬度并提高粘结性能。综上，本发明所提出的纳米硅溶胶增强碳酸钠激发矿渣再生砂浆，具有很高的强度与低收缩性，有良好的技术、经济和环境优势，具有广泛的推广应用前景。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提出一种制备方法简单、成本低、绿色环保且能够实现矿渣和建筑固废资源再利用的纳米硅溶胶增强碳酸钠激发矿渣再生砂浆及其制备方法。

2、为了实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案为：

3、一种纳米硅溶胶增强碳酸钠激发矿渣再生砂浆，其包括如下质量百分比的组分：

4、

5、作为一种可能的实施方式，进一步，本方案所述纳米硅溶胶包括30±1wt％的sio2和固体含量≤0.3％的na2o。

6、作为一种较优的实施选择，优选的，本方案所述纳米硅溶胶的物理性能指标为：粘性：7mpa.s，密度：1.21～1.29g/cm3，粒径：10～20nm，ph值：9～10。

7、作为一种可能的实施方式，进一步，本方案所述碳酸钠为白色颗粒状，其纯度≥99.8％。

8、作为一种可能的实施方式，进一步，本方案所述矿渣为s95级粒化高炉矿渣，其具有如下质量百分比的主要组分：

9、

10、作为一种可能的实施方式，进一步，本方案所述再生细骨料的粒径为0.15～4.75mm，含水率为4.5％，吸水率为7.1％，表观密度为1669.0kg/m3，堆积密度为1308.4kg/m3。

11、基于上述，本方案还提供所述纳米硅溶胶增强碳酸钠激发矿渣再生砂浆的制备方法，其包括如下步骤：

12、(1)按预设质量百分比分别计量各组成材料；

13、(2)将矿渣和再生细骨料倒入搅拌机中以150r/min转速慢搅1min，得混合干料；

14、(3)将碳酸钠提前溶解在水中，搅拌3～5min，使其充分溶解，形成碳酸钠溶液；然后将碳酸钠溶液倒入混合干料中以150r/min转速慢搅1min，再将纳米硅溶胶倒入以150r/min转速慢搅1min，最后以280r/min转速快搅1min，完成砂浆制备。

15、基于上述，本方案还提供上述所述制备方法制得的砂浆的应用方法，其包括：

16、将制得的砂浆浇筑成模，然后静置1天后拆模，再放入温度为23±2℃，相对湿度为95％以上的标准养护箱中养护至规定龄期。

17、采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：

18、(1)本发明方案采用碳酸钠作为激发剂，其来源广泛且充足。与传统的高能耗激发剂(氢氧化钠/硅酸钠)相比，碳酸钠激发剂可以显著地降低碱矿渣再生砂浆的收缩和开裂。此外，采用的碳酸钠激发剂还有显著的成本优势，并减少了碳排放，具有价格低廉、绿色环保的优势。

19、(2)本发明方案采用纳米硅溶胶作为原料之一，与传统的纳米二氧化硅颗粒物相比，具有更高的表面活性和分散性。纳米硅溶胶最外层硅氧键在水的作用下发生断裂，形成硅羟基(-sioh)，与碱金属离子一起形成稳定的扩散双电层(图3)，使其具有优良的表面活性。此外，纳米硅溶胶由于具有ζ(zeta)电位(图3)、布朗运动和溶剂阻隔作用而具有优异的分散性，使其反应更为均匀，可进一步提高材料的整体强度。

20、(3)本发明方案采用的纳米硅溶胶与碳酸钠和再生细骨料作为原料，二者具有协同增强效应。纳米硅溶胶的表面硅羟基(-sioh)可优先于碳酸钠中的co32-和矿渣中溶解出的ca2+反应，促进了早期c-(n)-a-s-h凝胶生成并抑制碳酸钙晶体的产生，使基体形成更加致密的空间网络结构，从而缩短凝结时间和提高早期强度。同时，纳米硅溶胶与再生细骨料表面旧砂浆中的ca(oh)2反应，生成低钙硅比的c-s-h凝胶裹覆层，增强再生细骨料与浆体的界面粘附性，从而提高再生砂浆的强度。

21、(4)本发明方案所使用的矿渣是工业固废，且再生细骨料也为建筑固废，能起到双重固废利用效果，可以降低二氧化碳等温室气体的排放，缓解天然砂石的短缺，并减少填埋用地和费用，具有良好的经济和环境效益。

22、综上，本发明方案采用纳米硅溶胶、碳酸钠和再生细骨料生产碱矿渣再生砂浆，具有很好的协同增强效应，凝结速度适中、工作性好、强度高、耐久性优良、制备简单、施工方便、低碳环保且成本低，具有良好的应用价值和推广前景。

技术特征：

1.一种纳米硅溶胶增强碳酸钠激发矿渣再生砂浆，其特征在于，其包括如下质量百分比的组分：

2.如权利要求1所述的纳米硅溶胶增强碳酸钠激发矿渣再生砂浆，其特征在于，所述纳米硅溶胶包括30±1wt％的sio2和固体含量≤0.3％的na2o。

3.如权利要求2所述的纳米硅溶胶增强碳酸钠激发矿渣再生砂浆，其特征在于，所述纳米硅溶胶的物理性能指标为：粘性：7mpa.s，密度：1.21～1.29g/cm3，粒径：10～20nm，ph值：9～10。

4.如权利要求1所述的纳米硅溶胶增强碳酸钠激发矿渣再生砂浆，其特征在于，所述碳酸钠为白色颗粒状，其纯度≥99.8％。

5.如权利要求1所述的纳米硅溶胶增强碳酸钠激发矿渣再生砂浆，其特征在于，所述矿渣为s95级粒化高炉矿渣，其具有如下质量百分比的主要组分：

6.如权利要求1所述的纳米硅溶胶增强碳酸钠激发矿渣再生砂浆，其特征在于，所述再生细骨料的粒径为0.15～4.75mm，含水率为4.5％，吸水率为7.1％，表观密度为1669.0kg/m3，堆积密度为1308.4kg/m3。

7.根据权利要求1至6之一所述纳米硅溶胶增强碳酸钠激发矿渣再生砂浆的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述制备方法制得的砂浆的应用方法，其特征在于：其包括：

技术总结
本发明公开了纳米硅溶胶增强碳酸钠激发矿渣再生砂浆及其制备方法，本方案砂浆成分中，采用碳酸钠作为激发剂，其具有原材料广泛易得、腐蚀性和收缩开裂小、后期强度高、能耗和成本低等优点；而组分中的纳米硅溶胶可以很好地弥补由碳酸钠激发矿渣所造成的凝结速度慢和早期强度低的不足，同时能强化再生细骨料的界面过渡区，显著提高砂浆的强度和粘结性能；矿渣和再生细骨料均为固体废弃物，可提高固废利用率并减少垃圾填埋和土地占用，有利于环境治理保护。本发明一方面可显著减少二氧化碳等温室气体的排放；另一方面可促进固废利用，缓解天然砂石短缺，取得显著的经济、环境和社会效益，具有广阔的推广应用前景。

技术研发人员：郑小燕,刘煌海,邱仁辉,陈宗燕,罗刚,虞元茂,刘信所
受保护的技术使用者：福建农林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19