一种粉煤灰基地质聚合物及其制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种粉煤灰基地质聚合物，包括重量比为20:3的干粉相和水；所述干粉相的组成按重量份计为：粉煤灰60～85份、硅灰0～25份、固体硅酸钠10份、工业纯氢氧化钠5份和三聚磷酸钠0.05～0.12份。该粉煤灰基地质聚合物可替代水泥制备混凝土、砂浆等工程材料，有望在高强保温砂浆、耐高温加固材料、耐腐蚀的混凝土结构、工业废料利用，快速修补材料，高强高性能材料等领域得到应用。同时本发明能够大量高效地利用工业废料粉煤灰，对节约资源、节省能源和保护环境意义重大。本发明还同时提供了上述粉煤灰基地质聚合物的制备方法。
【专利说明】一种粉煤灰基地质聚合物及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及建筑材料领域，具体是一种粉煤灰基地质聚合物及其制备方法。
【背景技术】
[0002]水泥材料是用量最大的人造材料，改革开放以来，随着经济建设规模扩大，我国水泥工业得到较快的发展，水泥的产量已经连续多年居世界首位。据有关部分统计，2012年我国水泥年产量已突破20亿吨。传统的硅酸盐水泥利用石灰石、粘土等原料，经过两磨一烧的生产工艺制备而成，其中煅烧温度高达1450°C，因此传统硅酸盐水泥的生产时一个高能耗、高资源消耗、高环境负荷的产业，例如，生产It水熟料大约消耗It石灰石，排放ItCO2,消耗电力约90kW/h，煤约130kg。水泥工业使我国能源、资源和环境不堪重负，给水泥工业的可持续发展带来严峻的挑战。
[0003]地质聚合物材料(Geopolymer)是近年来新发展起来的一类碱激发胶凝材料。它是以天然铝硅酸盐矿物或 工业固体废弃物(粉煤灰、煤矸石以及矿渣)为主要原料，与含铝质粘土 (主要为偏高岭土或高岭石)和适量碱硅酸盐溶液充分混合后，在20-120°C的低温条件下成型硬化生成的一类铝硅酸盐类沸石材料，具有高强度、高耐腐蚀性、耐高温、导热率低等特点。地质聚合材料具有高聚物、陶瓷和水泥等材料的性质，可作为胶凝材料来制备混凝土，砂浆等工程材料，是当今公认最具潜力的水泥胶凝材料替代或补充产品的绿色胶凝材料之一。
[0004]目前，中国粉煤灰的排放量每年已超过3.0亿吨。由于煤炭在中国一次性能源消费中约占70%，未来很长一段时期内仍将以燃煤发电为主，因而仍将产生大量的粉煤灰。国内目前对粉煤灰的综合利用率只有30%左右，大量的粉煤灰得不到有效利用，采用堆放处理不仅占用了大量的土地，而且还污染环境，可以说，固体废物的资源化利用任务艰巨。本发明提出的利用粉煤灰为主要原材料配制粉煤灰基地质聚合物具有一定的前瞻性和实用性，目标明确，手段得当，实施容易。但由于地质聚合物多采用液体激发剂，并且得到的地质聚合物强度随原材料成分波动很大，难以实现不同强度等级的地质聚合物标准化配置，本发明所述地质聚合物采用干粉相直接加水搅拌而成，与传统的水泥使用工艺完全一样；同时本发明通过添加硅灰来调整地质聚合物的强度等级，实现了不同强度等级粉煤灰地质聚合物的制备。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有地质聚合物配比强度难以控制、激发剂采用水剂等技术缺点，提供一种成本低、工艺简单、无毒无污染、原材料来源广泛、强度可控的粉煤灰基地质聚合物；本发明同时提供了上述粉煤灰基地质聚合物的制备方法。
[0006]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:
[0007]—种粉煤灰基地质聚合物，包括重量比为20:3的干粉相和水；所述干粉相的组成按重量份计为:粉煤灰60-85份、娃灰O-25份、固体娃酸钠10份、工业纯氢氧化钠5份和三聚磷酸钠0.05-0.12份。
[0008]本发明的进一步设置在于，所述的粉煤灰为火力发电厂粉煤灰炉烟道气体中收集的粉末，其CaO质量含量< 10% (属于F类粉煤灰)，强度活性指数>70%，45微米方孔筛筛余≥45.0% (部分技术性能指标达到GB/T1596《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中的III级及以上要求)。
[0009]本发明的进一步设置在于，所述硅灰为在冶炼硅铁合金或工业硅时通过烟道排出的粉尘，经收集得到的以无定形二氧化硅为主要成分的粉体材料；Si02质量含量> 85%，比表面积> 15m2/g，活性指数> 105% (部分技术要求符合砂浆和混凝土用硅灰(GB/T27690-2011)要求)。
[0010]本发明的进一步设置在于，所述固体硅酸钠中Na2O的质量含量≥7.2%，i02的质量含量≥25%，可溶物质质量分数≥95.0，模数在3.0-3.6之间。
[0011]本发明的进一步设置在于，所述工业纯氢氧化钠的部分技术指标满足GB209-2006《工业用氢氧化钠》中I类要求，即氢氧化钠(以NaOH计)的质量分数≥94.0。
[0012]本发明的进一步设置在于，所述的三聚磷酸钠为市售的粉体状陶瓷减水剂，其纯度≥90.0%。
[0013]所述粉煤灰基地质聚合物抗压强度可进行标准化设计，通过调整硅灰掺量可实现抗压强度在40-IOOMPa等强度范围地质聚合物的配置。
[0014]本发明还同时提供了一种粉煤灰基地质聚合物制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0015](1)将重量份为粉煤灰60-85份、娃灰O-25份、固体娃酸钠10份、工业纯氢氧化钠5份和三聚磷酸钠0.05-0.12份在搅拌机中搅拌均匀，得到干粉相；
[0016](2)将步骤(1)的干粉相与水按重量份20:3在砂浆搅拌机中搅拌5-1Omin得到粉煤灰基地质聚合物浆材；
[0017](3 )将步骤(2 )中的地质聚合物浆料注入模具中，常温条件下养护28天，得到抗压强度在40-1OOMpa之间的粉煤灰基地质聚合物；所述的常温条件是温度> 20°C。
[0018]该粉煤灰基地质聚合物可替代水泥用于制备混凝土、砂浆直接用于结构承重、快速修补的工程。
[0019]本发明所述的粉煤灰基地质聚合物是以粉煤灰为主要胶凝材料、硅灰为硅质的调节材料、氢氧化钠和固体工业硅酸钠为激发剂，加水搅拌均匀后在常温条件下养护得到的一种节能环保、高强度、高性能的地质聚合物。通过对地质聚合物进行性能测试，结果表明:通过调整硅灰掺量，可实现地质聚合物抗压强度在40-IOOMPa之间的调控。其制备工艺简单，无毒无污染，成本低，原材料遍布世界各地；该材料有望在保温隔热材料、工业废料利用，快速修补材料，高强高性能材料等领域得到应用。同时，使用本发明能够大量高效地利用工业废料粉煤灰，对节约资源、节省能源和保护环境意义重大，符合建筑业的可持续发展战略。
[0020]本发明所述的制备方法采用干粉加水的工艺，与水泥胶凝材料的使用方法相同，有利于该粉煤灰基地质聚合物胶凝材料的推广使用；同时，该地质聚合物充分利用工业废料粉煤灰，通过添加硅灰，来调整硅铝比，进而来调整粉煤灰基地质聚合物强度等级，实现了不同强度等级粉煤灰基地质聚合物的制备，进而可实现不同强度等级的地质聚合物基复合材料的制备。该制备方法工艺简单，无毒无污染，成本适宜，原材料属于工业废料，该粉煤灰基地质聚合物的推广应用具有重要的经济效益和社会意义。
【具体实施方式】
[0021]下面结合实施例对本发明作进一步的描述，但需要说明的是，实施例并不构成对本发明要求保护范围的限制。
[0022]实施例1:
[0023]原料配比:
[0024]干粉相组分及份数(按重量计)配比如下:
[0025]粉煤灰85份；
[0026]硅灰O份；
[0027]固体硅酸钠10份；
[0028]工业纯氢氧化钠5份；
[0029]三聚磷酸钠0.12份.[0030]具体的制备工艺如下:
[0031](I)干粉相:粉煤灰85份，硅灰O份，固体硅酸钠10份，工业纯氢氧化钠5份，三聚磷酸钠0.12份混合，搅拌5分钟使之均匀，得到干粉相；
[0032](2)将干粉相与水按重量比20:3混合，搅拌10分钟，得到浆料；
[0033](3)将浆料注入70.7mmX70.7mmX70.7mm钢模中，置于室内常温条件下养护I天后脱模，脱模后继续养护至28天龄期；
[0034](4)将所得粉煤灰基地质聚合物进行力学性能测试，其基本指标如下:
[0035]平均抗压强度为42.8MPa。
[0036]实施例2:
[0037]原料配比:
[0038]干粉相组分及份数(按重量计)配比如下:
[0039]粉煤灰77份；
[0040]硅灰9份；
[0041]固体硅酸钠10份；
[0042]工业纯氢氧化钠5份；
[0043]三聚磷酸钠0.10份
[0044]具体的制备工艺如下:
[0045](I)干粉相:粉煤灰77份，硅灰9份，固体硅酸钠10份，工业纯氢氧化钠5份，三聚磷酸钠0.10份混合搅拌5分钟使之均匀，得到干粉相；
[0046](2)将干粉相与水按重量比20:3混合，搅拌10分钟，得到浆料；
[0047](3)将浆料注入70.7mmX70.7mmX70.7mm钢模中，置于室内常温条件下养护I天后脱模，脱模后继续养护至28天龄期；
[0048](4)将所得粉煤灰基地质聚合物进行力学性能测试，其基本指标如下:
[0049]平均抗压强度为63.8MPa。
[0050]实施例3:[0051]原料配比:
[0052]干粉相组分及份数(按重量计)配比如下:
[0053]粉煤灰68份；
[0054]硅灰17份；
[0055]固体硅酸钠10份；
[0056]工业纯氢氧化钠5份；
[0057]具体的制备工艺如下:
[0058](I)干粉相:粉煤灰68份，硅灰17份，固体硅酸钠10份，工业纯氢氧化钠5份混合，搅拌5分钟使之均匀，得到干粉相；
[0059](2)将干粉相与水按重量比20:3混合，搅拌10分钟，得到浆料；
[0060](3)将浆料注入70.7mmX70.7mmX70.7mm钢模中，置于室内常温条件下养护I天后脱模，脱模后养护至28天龄期；
[0061](4)将所得粉煤灰基地质聚合物进行力学性能测试，其基本指标如下:
[0062]平均抗压强度为87.9MPa。
[0063]实施例4:`
[0064]原料配比:
[0065]干粉相组分及份数(按重量计)配比如下:
[0066]粉煤灰60份；
[0067]硅灰25份；
[0068]固体硅酸钠10份；
[0069]工业纯氢氧化钠5份；
[0070]三聚磷酸钠0.05份。
[0071]具体的制备工艺如下:
[0072](I)干粉相:粉煤灰60份，硅灰25份，固体硅酸钠10份，工业纯氢氧化钠5份，三聚磷酸钠0.05份混合，搅拌5分钟使之均匀，得到干粉相；
[0073](2)将干粉相与水按重量比20:3混合，搅拌10分钟，得到浆料；
[0074](3)将浆料注入70.7mmX70.7mmX70.7mm钢模中，置于室内常温条件下养护I天后脱模，脱模后继续养护至28天龄期；
[0075](4)将所得粉煤灰基地质聚合物进行力学性能测试，其基本指标如下:
[0076]平均抗压强度为106.8MPa。
【权利要求】
1.一种粉煤灰基地质聚合物，其特征在于，包括重量比为20:3的干粉相和水；所述干粉相的组成按重量份计为:粉煤灰60~85份、娃灰O~25份、固体娃酸钠10份、工业纯氢氧化钠5份和三聚磷酸钠0.05~0.12份。
2.根据权利要求1所述的粉煤灰基地质聚合物，其特征在于，所述粉煤灰为火力发电厂粉煤灰炉烟道气体中收集的粉末，其CaO质量含量< 10%，45微米方孔筛筛余<45.0%，等级在III级及以上。
3.根据权利要求1所述的粉煤灰基地质聚合物，其特征在于，所述硅灰为在冶炼硅铁合金或工业硅时通过烟道排出的粉尘，经收集得到的以无定形二氧化硅为主要成分的粉体材料，其中SiO2质量含量≥85%，比表面积≥15m2/g，活性指数≥105%。
4.根据权利要求1所述的粉煤灰基地质聚合物，其特征在于，所述固体硅酸钠中Na2O的质量含量≥7.2%，SiO2的质量含量≥25%，可溶物质质量分数≥95.0，模数在3.0~3.6之间。
5.根据权利要求1所述的粉煤灰基地质聚合物，其特征在于，所述工业纯氢氧化钠中氢氧化钠的质量含量> 94%。
6.根据权利要求1所述的粉煤灰基地质聚合物，其特征在于，所述三聚磷酸钠为粉体状陶瓷减水剂，其纯度> 90%。
7.一种粉煤灰基地质聚合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)将重量份为粉煤灰60~85份、娃灰O~25份、固体娃酸钠10份、工业纯氢氧化钠5份和三聚磷酸钠0.05~0.12份在搅拌机中搅拌均匀，得到干粉相； (2)将步骤(I)的干粉相与水按重量份20:3在砂浆搅拌机中搅拌5~IOmin得到粉煤灰基地质聚合物浆材； (3)将步骤(2)中的地质聚合物浆料注入模具中，常温条件下养护28天，得到抗压强度在40~IOOMpa之间的粉煤灰基地质聚合物；所述的常温条件是温度> 20°C。
【文档编号】C04B7/26GK103449744SQ201310374647
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月26日 优先权日:2013年8月26日
【发明者】谢子令, 李显, 杨克家, 周华飞 申请人:温州大学