一种缓凝型低碳磷酸镁复合材料及其制备方法

本发明属于土木工程材料领域，具体涉及一种缓凝型低碳磷酸镁复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、磷酸镁胶凝材料是由煅烧氧化镁与水溶性酸式磷酸盐制备而成，具有凝结硬化迅速，小时强度优异，粘结强度高，收缩小，耐酸性、耐磨性、耐高温性、抗冻性能优异等特点，应用前景广阔。目前磷酸镁胶凝材料主要应用在快速修补加固、防腐和防火涂料、核废料固化等领域。

2、然而磷酸镁胶凝材料还存在诸多问题制约其广泛应用，主要表现在：(1)凝结时间短且调控困难，无法长时间施工，原因是磷酸镁胶凝材料缓凝剂的研发不完善，缓凝效果受原材料氧化镁的活性影响显著；(2)成本仍然较高，一般是硅酸盐水泥的数倍；(3)磷酸镁水泥的原材料氧化镁需要高温煅烧，碳排放大，能耗高，每吨高温煅烧氧化镁的碳排放量为2.2-3.1t，限制了其大规模应用；(4)硬化浆体中存在大量的未反应的高温煅烧的氧化镁，存在后期体积稳定性隐患；(5)长期浸泡在水中的磷酸镁胶凝材料强度会有少量倒缩。

3、因此，实现磷酸镁胶凝材料凝结硬化时间的有效调控，改善其可施工性能，降低其制备过程中的碳排放，对磷酸镁胶凝材料的推广应用意义重大。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供了一种缓凝型低碳磷酸镁复合材料及其制备方法。以天然水镁石为镁质材料，无需煅烧可直接粉磨后使用，同时掺入矿物掺合料，极大地降低了碳排放。通过本发明提供的技术方案，可有效调控磷酸镁复合材料凝结时间，且兼顾了其强度的发展，降低了其制备过程中的碳排放。本发明的具体内容如下：

2、一种缓凝型低碳磷酸镁复合材料，其特征在于，所述缓凝型低碳磷酸镁复合材料包括主要组分和功能调控组分。其中主要组分以质量百分比计量如下：(1)镁质材料30％-65％，(2)磷酸盐25％-40％，(3)矿物掺合料10％-30％，三者之和为100％。另外，按主要组分中镁质材料的质量为100％计，额外加入功能调控组分，各组分的掺量分别如下：(1)分散剂4％-10％，(2)表面活性剂2％-6％，(3)螯合剂1％-5％，(4)络合剂2％-8％，(5)缓凝剂1％-15％。

3、所述主要组分中镁质材料为水镁石粉末，粒径控制在25-150μm，水镁石中mg(oh)2含量不少于87％。

4、所述主要组分中磷酸盐由磷酸二氢铵与磷酸脲按质量比7：3配制而成。

5、所述主要组分中矿物掺合料为粉煤灰、矿粉、锂渣中的一种或两种。其中：粉煤灰为一级灰或二级灰，粒径范围为10-45μm；矿粉为s75或s95级磨细水淬矿渣，粒径范围为10-75μm；锂渣中sio2和al2o3的含量之和大于50％，粒径范围为10-75μm。

6、所述功能调控组分中的分散剂为2,2-二羟甲基丙酸、2,2-二羟甲基丁酸、羟丙基甲基纤维素中的一种或两种。

7、所述功能调控组分中的表面活性剂为二(2-乙基己基)琥珀酸酯磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、异辛醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚中的一种或两种。

8、所述功能调控组分中的螯合剂为次氨基三乙酸二钠、1，2-环己二胺四乙酸二钠、二亚乙基三胺五乙酸中的一种或两种。

9、所述功能调控组分中的络合剂为葡庚糖酸钠二水合物、氧化二(三乙基)四乙基二氮杂吡咯、二(乙二醇甲醚)二硼代乙二胺中的一种或两种。

10、所述功能调控组分中的缓凝剂为肉豆蔻酸。

11、所述的一种缓凝型低碳磷酸镁复合材料，其制备步骤如下：

12、①原材料加工：将主要组分中的镁质材料和矿物掺合料进行粉磨加工。

13、②混料：在混料器中，按质量百分比先加入镁质材料和矿物掺合料混合搅拌5-8min，再加入磷酸盐混合搅拌5-8min。随后按主要组分中镁质材料的质量为100％计，额外加入功能调控组分，五种功能调控组分依次加入，每加入一种功能调控组分后需搅拌3-5min，最后得到所述缓凝型低碳磷酸镁复合材料。

14、本发明的技术特点在于：针对目前磷酸镁胶凝材料凝结时间过快，导致施工性能差，且碳排放量过高的问题，本发明采用天然免烧水镁石和矿物掺合料替换传统重烧氧化镁，采用功能调控组分有效调控了磷酸镁复合材料凝结时间，且兼顾了强度的发展。采用本发明制备的缓凝型低碳磷酸镁复合材料，其初凝时间可延长到181min，1天抗压强度可达47.1mpa，28天抗压强度高达85.4mpa。

15、具体而言，采用功能调控组分对缓凝型低碳磷酸镁复合材料性能的协同调控机理如下：(1)分散剂含有多个官能团，在磷酸镁复合材料中表现出较强的空间位阻效应，增强体系中颗粒表面的负电性，使颗粒因静电斥力相互远离，释放出被颗粒包裹的水分子使其参与流动，以此延缓了磷酸镁复合材料的凝结时间。(2)表面活性剂为阴离子表面活性剂，镁质材料表面带有较高的正电荷，所用表面活性剂能吸附在镁质材料表面，阻碍镁质材料与磷酸盐的接触，减缓了镁质材料的溶解速率，以此延缓了磷酸镁复合材料的凝结时间。(3)螯合剂与络合剂均可以与mg2+结合成盐，降低了体系中mg2+浓度，减缓了水化产物磷酸盐晶体的形成与结晶成长，以此延缓了磷酸镁复合材料的凝结时间。(4)缓凝剂为低温相变材料，磷酸镁复合材料的反应为放热反应，随着温度的升高，缓凝剂发生相变，该过程为吸热反应，消耗了磷酸镁复合材料的水化热，缓解体系温度的持续升高，以此延缓了磷酸镁复合材料的凝结时间。

16、矿物掺合料一方面有效填充了磷酸镁复合材料的孔隙，改善了磷酸镁复合材料的孔径分布，降低了磷酸镁复合材料的孔隙率，提高了磷酸镁复合材料的结构密实度，从而提高了磷酸镁复合材料的强度；另一方面，矿物掺合料中的sio2、al2o3、cao可以与磷酸盐发生反应，生成无定形磷酸铝和磷酸钙凝胶，保证磷酸镁复合材料后期强度的发展。

17、本发明与传统磷酸镁胶凝材料相比具有显著的低碳效应。每吨高温煅烧氧化镁的碳排放量为2.2-3.1t，每吨磷酸盐的碳排放量为1.7-2.3t，每吨硼砂碳排放量为1.5-2.5t，由此可计算出掺加10％-30％掺合料的传统磷酸镁胶凝材料的碳排放量为1.5-2.0t。水镁石破碎、粉磨过程碳排放为0.03t，本发明制备的缓凝型低碳磷酸镁复合材料的碳排放为0.5t-0.7t，与传统磷酸镁胶凝材料相比，碳排放量降低了50％-70％。

18、本发明的有益技术效果为：磷酸镁复合材料凝结时间可调控、水化放热量低、早期强度高，且后期强度持续增长，水镁石和矿物掺合料替换氧化镁，极大程度地降低了磷酸镁胶凝材料的碳排放，丰富了磷酸镁胶凝材料的应用场景，推动其由制备技术研究向应用技术研究的转变，对进一步提升大宗固废综合利用水平，全面提高资源利用效率，贯彻落实国家节能减排、资源节约与利用、环境保护等要求，促进高质量发展意义重大。

技术特征：

1.一种缓凝型低碳磷酸镁复合材料，其特征在于，所述缓凝型低碳磷酸镁复合材料包括主要组分和功能调控组分；其中主要组分以质量百分比计量如下：(1)镁质材料30％-65％，(2)磷酸盐25％-40％，(3)矿物掺合料10％-30％，三者之和为100％；另外，按主要组分中镁质材料的质量为100％计，额外加入功能调控组分，各组分的掺量分别如下：(1)分散剂4％-10％，(2)表面活性剂2％-6％，(3)螯合剂1％-5％，(4)络合剂2％-8％，(5)缓凝剂1％-15％。

2.根据权利要求1所述的缓凝型低碳磷酸镁复合材料，其特征在于：所述主要组分中镁质材料为水镁石粉末，粒径控制在25-150μm，水镁石中mg(oh)2含量不少于87％。

3.根据权利要求1所述的缓凝型低碳磷酸镁复合材料，其特征在于：所述主要组分中磷酸盐由磷酸二氢铵与磷酸脲按质量比7：3配制而成。

4.根据权利要求1所述的缓凝型低碳磷酸镁复合材料，其特征在于：所述主要组分中矿物掺合料为粉煤灰、矿粉、锂渣中的一种或两种；其中：粉煤灰为一级灰或二级灰，粒径范围为10-45μm；矿粉为s75或s95级磨细水淬矿渣，粒径范围为10-75μm；锂渣中sio2和al2o3的含量之和大于50％，粒径范围为10-75μm。

5.根据权利要求1所述的缓凝型低碳磷酸镁复合材料，其特征在于：所述功能调控组分中的分散剂为2,2-二羟甲基丙酸、2,2-二羟甲基丁酸、羟丙基甲基纤维素中的一种或两种。

6.根据权利要求1所述的缓凝型低碳磷酸镁复合材料，其特征在于：所述功能调控组分中的表面活性剂为二(2-乙基己基)琥珀酸酯磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、异辛醇聚氧乙烯聚氧丙烯醚中的一种或两种。

7.根据权利要求1所述的缓凝型低碳磷酸镁复合材料，其特征在于：所述功能调控组分中的螯合剂为次氨基三乙酸二钠、1，2-环己二胺四乙酸二钠、二亚乙基三胺五乙酸中的一种或两种。

8.根据权利要求1所述的缓凝型低碳磷酸镁复合材料，其特征在于：所述功能调控组分中的络合剂为葡庚糖酸钠二水合物、氧化二(三乙基)四乙基二氮杂吡咯、二(乙二醇甲醚)二硼代乙二胺中的一种或两种。

9.根据权利要求1所述的缓凝型低碳磷酸镁复合材料，其特征在于：所述功能调控组分中的缓凝剂为肉豆蔻酸。

10.制备如权利要求1-9任一项所述的缓凝型低碳磷酸镁复合材料的方法，其特征在于，步骤如下：

技术总结
一种缓凝型低碳磷酸镁复合材料及其制备方法，属于土木工程材料领域。所述缓凝型低碳磷酸镁复合材料包括主要组分和功能调控组分。其中主要组分以质量百分比计量如下：(1)镁质材料30％‑65％，(2)磷酸盐25％‑40％，(3)矿物掺合料10％‑30％，三者之和为100％。另外，按主要组分中镁质材料的质量为100％计，额外加入功能调控组分，各组分的掺量分别如下：(1)分散剂4％‑10％，(2)表面活性剂2％‑6％，(3)螯合剂1％‑5％，(4)络合剂2％‑8％，(5)缓凝剂1％‑15％。制备步骤具体如下：①原材料粉磨加工和②混料。本发明的磷酸镁复合材料具有凝结时间长且可调控范围较大等特点，同时其碳排放量远低于传统磷酸镁胶凝材料的碳排放，具有广阔应用前景。

技术研发人员：李悦,龙世儒,林辉
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5