一種粉煤灰基地質(zhì)聚合物及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種粉煤灰基地質(zhì)聚合物，包括重量比為20:3的干粉相和水；所述干粉相的組成按重量份計(jì)為：粉煤灰60～85份、硅灰0～25份、固體硅酸鈉10份、工業(yè)純氫氧化鈉5份和三聚磷酸鈉0.05～0.12份。該粉煤灰基地質(zhì)聚合物可替代水泥制備混凝土、砂漿等工程材料，有望在高強(qiáng)保溫砂漿、耐高溫加固材料、耐腐蝕的混凝土結(jié)構(gòu)、工業(yè)廢料利用，快速修補(bǔ)材料，高強(qiáng)高性能材料等領(lǐng)域得到應(yīng)用。同時(shí)本發(fā)明能夠大量高效地利用工業(yè)廢料粉煤灰，對(duì)節(jié)約資源、節(jié)省能源和保護(hù)環(huán)境意義重大。本發(fā)明還同時(shí)提供了上述粉煤灰基地質(zhì)聚合物的制備方法。
【專利說明】一種粉煤灰基地質(zhì)聚合物及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及建筑材料領(lǐng)域，具體是一種粉煤灰基地質(zhì)聚合物及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]水泥材料是用量最大的人造材料，改革開放以來，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)規(guī)模擴(kuò)大，我國水泥工業(yè)得到較快的發(fā)展，水泥的產(chǎn)量已經(jīng)連續(xù)多年居世界首位。據(jù)有關(guān)部分統(tǒng)計(jì)，2012年我國水泥年產(chǎn)量已突破20億噸。傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥利用石灰石、粘土等原料，經(jīng)過兩磨一燒的生產(chǎn)工藝制備而成，其中煅燒溫度高達(dá)1450°C，因此傳統(tǒng)硅酸鹽水泥的生產(chǎn)時(shí)一個(gè)高能耗、高資源消耗、高環(huán)境負(fù)荷的產(chǎn)業(yè)，例如，生產(chǎn)It水熟料大約消耗It石灰石，排放ItCO2,消耗電力約90kW/h，煤約130kg。水泥工業(yè)使我國能源、資源和環(huán)境不堪重負(fù)，給水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
[0003]地質(zhì)聚合物材料(Geopolymer)是近年來新發(fā)展起來的一類堿激發(fā)膠凝材料。它是以天然鋁硅酸鹽礦物或 工業(yè)固體廢棄物(粉煤灰、煤矸石以及礦渣)為主要原料，與含鋁質(zhì)粘土 (主要為偏高嶺土或高嶺石)和適量堿硅酸鹽溶液充分混合后，在20-120°C的低溫條件下成型硬化生成的一類鋁硅酸鹽類沸石材料，具有高強(qiáng)度、高耐腐蝕性、耐高溫、導(dǎo)熱率低等特點(diǎn)。地質(zhì)聚合材料具有高聚物、陶瓷和水泥等材料的性質(zhì)，可作為膠凝材料來制備混凝土，砂漿等工程材料，是當(dāng)今公認(rèn)最具潛力的水泥膠凝材料替代或補(bǔ)充產(chǎn)品的綠色膠凝材料之一。
[0004]目前，中國粉煤灰的排放量每年已超過3.0億噸。由于煤炭在中國一次性能源消費(fèi)中約占70%，未來很長一段時(shí)期內(nèi)仍將以燃煤發(fā)電為主，因而仍將產(chǎn)生大量的粉煤灰。國內(nèi)目前對(duì)粉煤灰的綜合利用率只有30%左右，大量的粉煤灰得不到有效利用，采用堆放處理不僅占用了大量的土地，而且還污染環(huán)境，可以說，固體廢物的資源化利用任務(wù)艱巨。本發(fā)明提出的利用粉煤灰為主要原材料配制粉煤灰基地質(zhì)聚合物具有一定的前瞻性和實(shí)用性，目標(biāo)明確，手段得當(dāng)，實(shí)施容易。但由于地質(zhì)聚合物多采用液體激發(fā)劑，并且得到的地質(zhì)聚合物強(qiáng)度隨原材料成分波動(dòng)很大，難以實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度等級(jí)的地質(zhì)聚合物標(biāo)準(zhǔn)化配置，本發(fā)明所述地質(zhì)聚合物采用干粉相直接加水?dāng)嚢瓒桑c傳統(tǒng)的水泥使用工藝完全一樣；同時(shí)本發(fā)明通過添加硅灰來調(diào)整地質(zhì)聚合物的強(qiáng)度等級(jí)，實(shí)現(xiàn)了不同強(qiáng)度等級(jí)粉煤灰地質(zhì)聚合物的制備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有地質(zhì)聚合物配比強(qiáng)度難以控制、激發(fā)劑采用水劑等技術(shù)缺點(diǎn)，提供一種成本低、工藝簡單、無毒無污染、原材料來源廣泛、強(qiáng)度可控的粉煤灰基地質(zhì)聚合物；本發(fā)明同時(shí)提供了上述粉煤灰基地質(zhì)聚合物的制備方法。
[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:
[0007]—種粉煤灰基地質(zhì)聚合物，包括重量比為20:3的干粉相和水；所述干粉相的組成按重量份計(jì)為:粉煤灰60-85份、娃灰O-25份、固體娃酸鈉10份、工業(yè)純氫氧化鈉5份和三聚磷酸鈉0.05-0.12份。
[0008]本發(fā)明的進(jìn)一步設(shè)置在于，所述的粉煤灰為火力發(fā)電廠粉煤灰爐煙道氣體中收集的粉末，其CaO質(zhì)量含量< 10% (屬于F類粉煤灰)，強(qiáng)度活性指數(shù)>70%，45微米方孔篩篩余≥45.0% (部分技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到GB/T1596《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中的III級(jí)及以上要求)。
[0009]本發(fā)明的進(jìn)一步設(shè)置在于，所述硅灰為在冶煉硅鐵合金或工業(yè)硅時(shí)通過煙道排出的粉塵，經(jīng)收集得到的以無定形二氧化硅為主要成分的粉體材料；Si02質(zhì)量含量> 85%，比表面積> 15m2/g，活性指數(shù)> 105% (部分技術(shù)要求符合砂漿和混凝土用硅灰(GB/T27690-2011)要求)。
[0010]本發(fā)明的進(jìn)一步設(shè)置在于，所述固體硅酸鈉中Na2O的質(zhì)量含量≥7.2%，i02的質(zhì)量含量≥25%，可溶物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥95.0，模數(shù)在3.0-3.6之間。
[0011]本發(fā)明的進(jìn)一步設(shè)置在于，所述工業(yè)純氫氧化鈉的部分技術(shù)指標(biāo)滿足GB209-2006《工業(yè)用氫氧化鈉》中I類要求，即氫氧化鈉(以NaOH計(jì))的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥94.0。
[0012]本發(fā)明的進(jìn)一步設(shè)置在于，所述的三聚磷酸鈉為市售的粉體狀陶瓷減水劑，其純度≥90.0%。
[0013]所述粉煤灰基地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，通過調(diào)整硅灰摻量可實(shí)現(xiàn)抗壓強(qiáng)度在40-IOOMPa等強(qiáng)度范圍地質(zhì)聚合物的配置。
[0014]本發(fā)明還同時(shí)提供了一種粉煤灰基地質(zhì)聚合物制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0015](1)將重量份為粉煤灰60-85份、娃灰O-25份、固體娃酸鈉10份、工業(yè)純氫氧化鈉5份和三聚磷酸鈉0.05-0.12份在攪拌機(jī)中攪拌均勻，得到干粉相；
[0016](2)將步驟(1)的干粉相與水按重量份20:3在砂漿攪拌機(jī)中攪拌5-1Omin得到粉煤灰基地質(zhì)聚合物漿材；
[0017](3 )將步驟(2 )中的地質(zhì)聚合物漿料注入模具中，常溫條件下養(yǎng)護(hù)28天，得到抗壓強(qiáng)度在40-1OOMpa之間的粉煤灰基地質(zhì)聚合物；所述的常溫條件是溫度> 20°C。
[0018]該粉煤灰基地質(zhì)聚合物可替代水泥用于制備混凝土、砂漿直接用于結(jié)構(gòu)承重、快速修補(bǔ)的工程。
[0019]本發(fā)明所述的粉煤灰基地質(zhì)聚合物是以粉煤灰為主要膠凝材料、硅灰為硅質(zhì)的調(diào)節(jié)材料、氫氧化鈉和固體工業(yè)硅酸鈉為激發(fā)劑，加水?dāng)嚢杈鶆蚝笤诔貤l件下養(yǎng)護(hù)得到的一種節(jié)能環(huán)保、高強(qiáng)度、高性能的地質(zhì)聚合物。通過對(duì)地質(zhì)聚合物進(jìn)行性能測試，結(jié)果表明:通過調(diào)整硅灰摻量，可實(shí)現(xiàn)地質(zhì)聚合物抗壓強(qiáng)度在40-IOOMPa之間的調(diào)控。其制備工藝簡單，無毒無污染，成本低，原材料遍布世界各地；該材料有望在保溫隔熱材料、工業(yè)廢料利用，快速修補(bǔ)材料，高強(qiáng)高性能材料等領(lǐng)域得到應(yīng)用。同時(shí)，使用本發(fā)明能夠大量高效地利用工業(yè)廢料粉煤灰，對(duì)節(jié)約資源、節(jié)省能源和保護(hù)環(huán)境意義重大，符合建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。
[0020]本發(fā)明所述的制備方法采用干粉加水的工藝，與水泥膠凝材料的使用方法相同，有利于該粉煤灰基地質(zhì)聚合物膠凝材料的推廣使用；同時(shí)，該地質(zhì)聚合物充分利用工業(yè)廢料粉煤灰，通過添加硅灰，來調(diào)整硅鋁比，進(jìn)而來調(diào)整粉煤灰基地質(zhì)聚合物強(qiáng)度等級(jí)，實(shí)現(xiàn)了不同強(qiáng)度等級(jí)粉煤灰基地質(zhì)聚合物的制備，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度等級(jí)的地質(zhì)聚合物基復(fù)合材料的制備。該制備方法工藝簡單，無毒無污染，成本適宜，原材料屬于工業(yè)廢料，該粉煤灰基地質(zhì)聚合物的推廣應(yīng)用具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，但需要說明的是，實(shí)施例并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明要求保護(hù)范圍的限制。
[0022]實(shí)施例1:
[0023]原料配比:
[0024]干粉相組分及份數(shù)(按重量計(jì))配比如下:
[0025]粉煤灰85份；
[0026]硅灰O份；
[0027]固體硅酸鈉10份；
[0028]工業(yè)純氫氧化鈉5份；
[0029]三聚磷酸鈉0.12份.[0030]具體的制備工藝如下:
[0031](I)干粉相:粉煤灰85份，硅灰O份，固體硅酸鈉10份，工業(yè)純氫氧化鈉5份，三聚磷酸鈉0.12份混合，攪拌5分鐘使之均勻，得到干粉相；
[0032](2)將干粉相與水按重量比20:3混合，攪拌10分鐘，得到漿料；
[0033](3)將漿料注入70.7mmX70.7mmX70.7mm鋼模中，置于室內(nèi)常溫條件下養(yǎng)護(hù)I天后脫模，脫模后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28天齡期；
[0034](4)將所得粉煤灰基地質(zhì)聚合物進(jìn)行力學(xué)性能測試，其基本指標(biāo)如下:
[0035]平均抗壓強(qiáng)度為42.8MPa。
[0036]實(shí)施例2:
[0037]原料配比:
[0038]干粉相組分及份數(shù)(按重量計(jì))配比如下:
[0039]粉煤灰77份；
[0040]硅灰9份；
[0041]固體硅酸鈉10份；
[0042]工業(yè)純氫氧化鈉5份；
[0043]三聚磷酸鈉0.10份
[0044]具體的制備工藝如下:
[0045](I)干粉相:粉煤灰77份，硅灰9份，固體硅酸鈉10份，工業(yè)純氫氧化鈉5份，三聚磷酸鈉0.10份混合攪拌5分鐘使之均勻，得到干粉相；
[0046](2)將干粉相與水按重量比20:3混合，攪拌10分鐘，得到漿料；
[0047](3)將漿料注入70.7mmX70.7mmX70.7mm鋼模中，置于室內(nèi)常溫條件下養(yǎng)護(hù)I天后脫模，脫模后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28天齡期；
[0048](4)將所得粉煤灰基地質(zhì)聚合物進(jìn)行力學(xué)性能測試，其基本指標(biāo)如下:
[0049]平均抗壓強(qiáng)度為63.8MPa。
[0050]實(shí)施例3:[0051]原料配比:
[0052]干粉相組分及份數(shù)(按重量計(jì))配比如下:
[0053]粉煤灰68份；
[0054]硅灰17份；
[0055]固體硅酸鈉10份；
[0056]工業(yè)純氫氧化鈉5份；
[0057]具體的制備工藝如下:
[0058](I)干粉相:粉煤灰68份，硅灰17份，固體硅酸鈉10份，工業(yè)純氫氧化鈉5份混合，攪拌5分鐘使之均勻，得到干粉相；
[0059](2)將干粉相與水按重量比20:3混合，攪拌10分鐘，得到漿料；
[0060](3)將漿料注入70.7mmX70.7mmX70.7mm鋼模中，置于室內(nèi)常溫條件下養(yǎng)護(hù)I天后脫模，脫模后養(yǎng)護(hù)至28天齡期；
[0061](4)將所得粉煤灰基地質(zhì)聚合物進(jìn)行力學(xué)性能測試，其基本指標(biāo)如下:
[0062]平均抗壓強(qiáng)度為87.9MPa。
[0063]實(shí)施例4:`
[0064]原料配比:
[0065]干粉相組分及份數(shù)(按重量計(jì))配比如下:
[0066]粉煤灰60份；
[0067]硅灰25份；
[0068]固體硅酸鈉10份；
[0069]工業(yè)純氫氧化鈉5份；
[0070]三聚磷酸鈉0.05份。
[0071]具體的制備工藝如下:
[0072](I)干粉相:粉煤灰60份，硅灰25份，固體硅酸鈉10份，工業(yè)純氫氧化鈉5份，三聚磷酸鈉0.05份混合，攪拌5分鐘使之均勻，得到干粉相；
[0073](2)將干粉相與水按重量比20:3混合，攪拌10分鐘，得到漿料；
[0074](3)將漿料注入70.7mmX70.7mmX70.7mm鋼模中，置于室內(nèi)常溫條件下養(yǎng)護(hù)I天后脫模，脫模后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28天齡期；
[0075](4)將所得粉煤灰基地質(zhì)聚合物進(jìn)行力學(xué)性能測試，其基本指標(biāo)如下:
[0076]平均抗壓強(qiáng)度為106.8MPa。
【權(quán)利要求】
1.一種粉煤灰基地質(zhì)聚合物，其特征在于，包括重量比為20:3的干粉相和水；所述干粉相的組成按重量份計(jì)為:粉煤灰60~85份、娃灰O~25份、固體娃酸鈉10份、工業(yè)純氫氧化鈉5份和三聚磷酸鈉0.05~0.12份。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉煤灰基地質(zhì)聚合物，其特征在于，所述粉煤灰為火力發(fā)電廠粉煤灰爐煙道氣體中收集的粉末，其CaO質(zhì)量含量< 10%，45微米方孔篩篩余<45.0%，等級(jí)在III級(jí)及以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉煤灰基地質(zhì)聚合物，其特征在于，所述硅灰為在冶煉硅鐵合金或工業(yè)硅時(shí)通過煙道排出的粉塵，經(jīng)收集得到的以無定形二氧化硅為主要成分的粉體材料，其中SiO2質(zhì)量含量≥85%，比表面積≥15m2/g，活性指數(shù)≥105%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉煤灰基地質(zhì)聚合物，其特征在于，所述固體硅酸鈉中Na2O的質(zhì)量含量≥7.2%，SiO2的質(zhì)量含量≥25%，可溶物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥95.0，模數(shù)在3.0~3.6之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉煤灰基地質(zhì)聚合物，其特征在于，所述工業(yè)純氫氧化鈉中氫氧化鈉的質(zhì)量含量> 94%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉煤灰基地質(zhì)聚合物，其特征在于，所述三聚磷酸鈉為粉體狀陶瓷減水劑，其純度> 90%。
7.一種粉煤灰基地質(zhì)聚合物的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將重量份為粉煤灰60~85份、娃灰O~25份、固體娃酸鈉10份、工業(yè)純氫氧化鈉5份和三聚磷酸鈉0.05~0.12份在攪拌機(jī)中攪拌均勻，得到干粉相； (2)將步驟(I)的干粉相與水按重量份20:3在砂漿攪拌機(jī)中攪拌5~IOmin得到粉煤灰基地質(zhì)聚合物漿材； (3)將步驟(2)中的地質(zhì)聚合物漿料注入模具中，常溫條件下養(yǎng)護(hù)28天，得到抗壓強(qiáng)度在40~IOOMpa之間的粉煤灰基地質(zhì)聚合物；所述的常溫條件是溫度> 20°C。
【文檔編號(hào)】C04B7/26GK103449744SQ201310374647
【公開日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2013年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月26日
【發(fā)明者】謝子令, 李顯, 楊克家, 周華飛 申請(qǐng)人:溫州大學(xué)