一种适用于负温环境的早强碱矿渣复合材料及其制备方法与应用

本发明涉及新型节能建筑材料，尤其是涉及一种适用于负温环境的早强碱矿渣复合材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、混凝土材料在基础设施中扮演着不可替代的角色。随着我国经济的快速发展，城市建设规模日益扩大，建筑业成为影响、推动国民经济发展的重要行业。然而在全国建设规模持续增长的环境下，尤其在我国冬季处于负温环境的北部地区，为满足工程进度的需要，必须在负温环境下进行混凝土工程的施工。然而，最适合硅酸盐水泥水化的温度在10℃～20℃之间，因此有必要研发一种适用于负温环境下的新型胶凝材料。

2、现有的负温环境下施工的方法主要包括物理方法和化学方法。物理方法主要包括使用保温隔热覆盖层、提前加热骨料和混凝土拌合用水、构建暖棚、铺设电热毯等，通过延缓水化热散失或者提供外部热源来有效抵抗负温环境对硅酸盐水泥水化进程的负面影响，但缺点是能耗大，并且会排放大量的co2气体。化学方法通常为改变胶凝材料的种类、增大胶凝材料的用量或掺入化学外加剂，如高效减水剂、早强剂和防冻剂等，但是当无机盐掺量过大时，盐类离子的水化会使水分子结合成团，导致负温环境下水分子活性降低，使水泥颗粒在负温环境下不能充分水化，导致负温环境下强度下降。

3、专利公开号cn114920494a公开了一种具有次第放热功能的负温混凝土内保温外加剂，该方法是通过在混凝土中掺入一种具有次第放热功能的内保温外加剂，实现负温下制备水泥混凝土的目的。该方法需要使用无水乙醇和无机-有机硅烷偶联剂对外加剂进行处理，方法比较繁琐。同时，该方法是先在常温下搅拌然后在负温下养护，常温搅拌到负温养护间的这段时间也会影响成型后的水泥混凝土的性能。专利公开号cn115582905a公开了一种低温混凝土养护设备以及养护方法，该方法本质上属于设备发明专利，其次，其理论上属于提供外部热源的物理方法，存在能耗大以及排放大量的co2气体的缺点。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于负温环境的早强碱矿渣复合材料及其制备方法与应用，该早强碱矿渣复合材料可在负温环境下使具有较高的抗压强度，同时可实现节能减排。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的技术方案之一在于提供一种适用于负温环境的早强碱矿渣复合材料，包括以下原料组分：矿粉、石英砂、早强组分、激发组分、调凝组分和水；按重量份数计，矿粉的用量为349-551份，石英砂用量为680-800份，早强组分的用量为0-15份，激发组分的用量为180-330份，调凝组分的用量为0-72份，水0-30份。

4、进一步地，所述水包括蒸馏水、去离子水、自来水，优选为蒸馏水。

5、进一步地，所述矿粉为高炉磨细矿渣，其粒径为0.04μm～133.74μm，比面积不小于428m2/kg。

6、更进一步地，所述矿粉的化学组成包括以下成分：45.5wt.％～51.3wt.％的cao，21.4wt.％～30.0wt.％的sio2，12.3wt.％～14.1wt.％的al2o3，2.8wt.％～6.3wt.％的mgo，0.29wt.％～0.36wt.％的na2o。

7、进一步地，所述早强组分包括三羟乙基胺型早强剂、聚羧酸型早强剂或纳米晶核型早强剂的一种或者几种。

8、更进一步地，聚羧酸型早强剂包括540p型、530p型或325c型中的一种或者几种，纳米晶核型早强剂包括纳米水化硅酸钙、纳米二氧化硅、纳米三氧化二铝或纳米二氧化钛的一种或者几种。进一步地，所述激发组分包括碱溶液和盐溶液；所述碱溶液包括氢氧化钠溶液、氢氧化钙溶液或氢氧化钾溶液中一种或者几种；所述盐溶液包括硅酸钾溶液、硅酸钠溶液、碳酸钾溶液或碳酸钠溶液中一种或者几种。所述碱溶液由固体碱溶于蒸馏水配制而成，配制碱溶液所需的碱固体的外观形貌为片状或者颗粒状，且碱固体的纯度≥96％。

9、更进一步地，所述碱溶液的浓度为8～16mol/l，盐溶液的模数为2.2～3.3，盐溶液的浓度为35.7wt.％～53.9wt.％。

10、更进一步地，激发组分中盐溶液的质量高于碱溶液的质量，且盐溶液与碱溶液的质量比为(1.0～4.0)：1。

11、进一步地，所述调凝组分包括钙化物和/或水泥，所述钙化物包括氧化钙或硫酸钙，所述水泥包括硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥。其中氧化钙的纯度≥97％，无水硫酸钙的纯度≥97％，硅酸盐水泥中氧化钙的含量≥65％，硫铝酸盐水泥中氧化钙的含量≥45％。

12、进一步地，该早强碱矿渣复合材料在-10～0℃下搅拌成型28天后的抗压强度大于等于27mpa。

13、更进一步地，该早强碱矿渣复合材料在-10℃下搅拌成型28天后的抗压强度大于等于27mpa。

14、本发明的技术方案之二在于提供一种适用于负温环境的早强碱矿渣复合材料的制备方法，包括以下步骤：

15、将所述矿粉、石英砂、早强组分、激发组分、调凝组分和蒸馏水按质量份数比备料；

16、当所述调凝组分为钙化物时，将其搅拌配制成活性调凝液；将所述矿粉、石英砂混合至均匀，得到初始混合料；在所述初始混料中加入激发组分和活性调凝液，搅拌均匀，得到早强碱矿渣复合材料，即目标产物；

17、当所述调凝组分为水泥时，将所述矿粉、石英砂、水泥混合至均匀，得到初始混合料；在所述初始混料中加入激发组分，搅拌均匀，得到早强碱矿渣复合材料，即目标产物；

18、当所述调凝组分为钙化物和水泥时，将所述钙化物搅拌配制成活性调凝液；将所述矿粉、石英砂、水泥混合至均匀，得到初始混合料；在所述初始混料中加入激发组分、活性调凝液，搅拌均匀，得到早强碱矿渣复合材料，即目标产物。

19、进一步地，所述制备方法中加料的顺序为先加干料，后加液体。

20、进一步地，所述钙化物其初始形态为粉末状固体，将其溶于蒸馏水之后制备成活性调凝液更容易其分散。

21、本发明的技术方案之三在于提供一种适用于负温环境的早强碱矿渣复合材料在建筑材料领域的应用。

22、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

23、(1)本发明早强碱矿渣复合材料制备的机理：激发组分作为整个发明创造的核心，充当催化剂的作用，可以激发矿粉的化学活性，尤其是其较低的冰点(根据激发组分的组成不同，可达-30℃)保证其在-10℃下表现出稳定且持续的激发特性，以激发矿粉在负温下的活性，进而负温下矿粉水化反应的持续进行。早强组分可以为负温下碱矿渣的水化反应提高成核点，提高早期强度。调凝组分能够促进水泥颗粒间的凝聚作用，形成坚固的凝胶结构。调凝组分中的钙离子参与早强碱矿渣复合材料的水化反应，促进水化产物的形成，这些产物具有增强与填充效应，有助于减少碱激发胶凝材料内部的孔隙度，提高抗渗性和抗冻性。通过调节调凝组分的类型、用量和比例，能够调控材料的热导率，提高早强碱矿渣复合材料在负温环境下的保温性能。同时，调凝组分中的钙离子能够作为催化剂，促进水化反应的进行，加速矿粉的水化反应，从而增加能量释放。这些能量的释放有助于提高碱激发胶凝材料的温度和强度发展。

24、(2)本发明使用的激发组分在-10℃下仍保持液体状态。

25、(3)本发明制备的一种适用于负温环境的早强碱矿渣复合材料可达到如下技术标准：a、可在-10℃～0℃范围内正常施工；b、力学性能：28天的抗压强度≥27mpa。

26、(4)本发明通过调节激发组分和调凝组分的掺量可以实现施工时间和强度的精准调控。

27、(5)本发明是利用矿粉等工业废料材料，具有固废和减排的优点。

28、(6)本发明使用的早强组分和调凝组分可以完全参与碱激发胶凝材料的反应中去，并且不含有cl-，不会对钢筋产生锈蚀危害。