一种抢修、抢建用地质聚合物凝胶材料的制作方法

专利名称：一种抢修、抢建用地质聚合物凝胶材料的制作方法
一种抢修、抢建用地质聚合物凝胶材料
技术领域：
本发明涉及建筑材料，尤其是一种利用工业废渣，具有快凝、快硬特点的地质聚合物 胶凝材料。背景技术：
目前用于水泥混凝土工程抢修、抢建的材料主要包括有机材料和无机材料两大类。其 中有机材料包括环氧树脂、甲基丙烯酸甲酯等高分子聚合物，这类材料主要适用于修补桥 梁、码头、房屋、水坝等混凝土构件的裂缝。不适合大规模抢修、抢建工程，如机场跑道， 高速公路等较大面积的抢修抢建作业。另一类无机材料主要是双快水泥，包括硫铝酸盐、 磷酸盐和氟铝酸盐水泥等。双快水泥具有快凝和早强的特点，但是目前还存在几大缺点， 一是在凝聚过程中大量放热，大面积施工时易导致开裂，而且与原基体的粘接性不强，容 易造成修复处再次破损；二是价格高、储存时间短，对储存环境有极高的要求；三是双快 水泥对工程施工有极高的要求，其中胶凝材料和功能添加剂的配比十分烦杂，往往达不到 快速抢修的目的。四是水泥的生产是一个高耗能高污染的行业，不符合国家倡导的建造可 持续发展的节能型社会。因此，研制可快速固化、性能优异、易于储存、性价比高的用于 抢修、抢建的绿色胶凝材料成为必然。
地质聚合物(又称地聚物、无机聚合物)是一类新型的胶凝材料。该材料的聚合原理不 同于普通水泥的水化反应，其主要包括在化学激活条件下的溶解、水解、縮聚和固化过程。 即无机原料在一定条件下溶解而释放出水合硅、铝离子。这些离子通过水解而形成特定的 硅、铝氢氧离子，如[Al(OH)4y、 [SiO(OH)3y、 [Si02(OH)2f等。这些离子间相互发生縮 聚反应而形成离子团。生成的离子团通过进一步的縮聚反应形成网络，随着网络结构的不 断扩大而导致材料凝固，直至最终硬化成为有用的地质聚合物材料。地质聚合物材料的结 构以网络结构为特征，这与水泥的以水化氧化硅为主的微纤维状结构完全不同，而这种差 别导致地质聚合物材料与水泥在性质上大不相同。地质聚合物材料的凝结速度、抗压抗折 强度、抗酸碱侵蚀性、抗冻融性、耐火性、抗碳化性等性能都非常优异。
正是因为地质聚合物具有优异的性能，近些年来，该材料的研究得到了较高的重视， 同时也取得了很好的进展。地质聚合物最早是使用偏高岭土 (由高岭土在650-950'C左右 温度下煅烧制得)和碱激发剂制得，因此目前部分专利技术中采用偏高岭土为主要原材料。 如专利号为200710003404.6的专利中描述了一种地质聚合物的制法，采用制革废水污泥、
3偏高岭土、粉煤灰和氢氧化钾激发剂来制得地质聚合物。专利200710163984.5和 200710163983.0中描述了一种用于人造岩石的地质聚合物制备方法，其主要原材料为偏高 岭土、水玻璃和碱金属氢氧化物。专利200810020859.3中描述了一种地质聚合物制法是 采用偏高岭土和矿渣为主要原材料。专利03809690.0公开了一种采用深度高岭土化的花 岗岩类残余岩石、钙蜜蜡石玻璃和可溶性硅酸盐制得地质聚合物水泥的制备方法，从该发 明公开说明书中可知，为了提高该地质聚合物水泥的聚合性能，还需要对花岗岩类型的残 余岩石在650-950°0下进行煅烧。
专利200510034396.2中描述了一种使用碳酸盐、矿渣粉、氯化钡或硝酸钡为主要原 材料来制备地质聚合物胶凝材料。而专利200610089275.2中描述了一种可用于低温下的 地质聚合物制法，即首先使矿渣和激发剂在高温下反应，然后加入沸石粉、铝矾土和硫酸 钠高温煅烧，最终细磨，从而制得活性较高的可用于较低温度下的地质聚合物材料。
地质聚合物近几年在我国取得了较好的发展，但还没有用于抢修、抢建的工程的具有 快凝、快硬特点的地质聚合物胶凝材料方面的报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用工业废渣，具有快凝、快硬特点的地质聚 合物胶凝材料。
为解决上述技术问题，本发明提供一种抢修、抢建用地质聚合物胶凝材料，采用 13wt。/。-17wty。的激发剂和含硅铝酸盐成份的82wt。/c-87wt。/。的渣料，加水配制而成；渣料 包括高炉矿渣、钢渣、粉煤灰和媒矸石中的一种或一种以上的组合；激发剂包括 35wt。/。-75wt。/。的Si02、 Na20和K20中的一种或两种、0wt。/。-lwt。/。的CaO、 Owt。/。-lwt。/。的 S03，其中Na20和K20在所述激发剂中的比例为Owty。-55wt。/。的Na20、 0wt。/。-65wt。/o的 K20。
本发明抢修、抢建用地质聚合物胶凝材料以工业废渣为主要原料，力学性能优异，用 该胶凝材料制作的自密实混凝土、施工方便、无需湿养护，能够达到快速抢修、抢建的目 的。
在此基础上，.进一步地
作为优选，渣料经过粉磨磨制，在粉磨磨制过程中加入lwt。/。-4wt。/。的石膏和
lwtv。-3wty。助磨剂以提高粉磨效率和质量，粉磨磨制所得粉体勃氏比表面积大于
400m2/Kg。渣料最佳的活性要求应达到GB/T18046-2008国家标准中S95级粒化高炉矿渣 活性，其他技术参数应符合GB/T203-1994国家标准。
本发明中的助磨剂可以采用现有技术中水泥生产过程所用的助磨剂，例如硬脂酸盐类、胶体二氧化硅、胶体石墨、有机硅、三乙醇胺等。
本发明中，激发剂可以与渣料一起粉磨，也可以单独粉磨、最后均匀分散在粉磨好的
工业废渣中，还可以在施工使用前溶化于搅拌水中使用。
本发明是以高炉矿渣、钢渣、粉煤灰、媒矸石等工业废渣和激发剂为主要原材料。 本胶凝材料无需特殊养护，胶砂试块4小时抗折强度达到4.2Mpa，抗压强度达到
28.0MPa; 1天抗折强度达到6.0MPa,抗压强度达到40.0MPa; 28天抗折强度达到8.0MPa，
抗压强度达到55.0MPa。
在工程使用时，本胶凝材料可完全替代水泥类胶凝材料。制作混凝土各材料配比可参 考水泥混凝土，溶胶比的选择以混凝土塌落度在170cm左右、能够形成自流平和自密实 混凝土为以准。使用本胶凝材料制作的混凝土，流动性好、无需震捣作业、无需湿养护、 易于施工；早期强度高，4小时抗折强度达到3.0MPa,抗压强度达到30.0MPa; 1天抗折 强度达到5.5MPa，抗压强度达到45.0MPa; 28天抗折强度达到7.5MPa，抗压强度达到 70.0MPa。通过激发剂的调整可有效控制凝结时间，范围可从几分钟到几个小时，适用于 不同的抢修、抢建工程要求，尤其适用于高速公路、机场道面等大型的道面抢修、抢建。
本发明的优点在于
1. 制备过程无煅烧、无污染、耗能低，实现"环保、节能"目标；
2. 原材料使用大量的工业废渣，为废弃物再利用做出贡献；
3. 原材料来源广泛，成本低廉，比传统的双快水泥有明显的价格优势；
4. 材料力学性能优异、耐腐蚀、耐高温、抗冻溶性好；
5. 材料制作的混凝土流动性好、凝结时间可调、易于施工，可满足抢修抢建需要。 本发明采用工业废渣为主要原材料，配以激发剂，来制作具有快凝、快硬特点的地质
聚合物胶凝材料，该胶凝材料力学性能优异，凝结时间可控，在抢修、抢建工程中可以代 替常用的双快水泥等胶凝材料使用。而本发明主要原材料采用高炉矿渣、钢渣、粉煤灰、 媒矸石等含有硅铝酸盐系列的工业固体废弃物，不添加偏高岭土，不需要对原材料进行煅 烧处理，耗能低，污染少，工艺简单，成本低廉，环保节能。
具体实施方式
以下各实施例中，各组分百分比为重量百分比，其中的助磨剂选用福建省三明市新创 科技有限公司CS- I系助磨剂。
实施例l
高炉矿渣98%,经过干燥后加入1%的石膏和1%助磨剂一起粉磨得到渣料粉末。最终所得渣料粉末的表面积为420m7Kg，平均粒径16. 04 u m。复合激发剂中各组分的重量百分 比为Si02占620/。， Na20占37。/。， CaO占0.6%， S03占0.4%。取83重量份渣料粉末和 17重量份复合激发剂制得抢修、抢建用地质聚合物胶凝材料，其中复合激发剂的加入方 式为溶化于搅拌水中配成40wtX浓度溶液，然后与渣料粉末拌合。按照GB/T1346-2001 进行实验，标准稠度用水量(这里的水指的是复合激发剂和搅拌用水之和)为49%，初 凝时间20min，终凝40min，安定性合格。按照GB/T17671-1999对此材料进行胶砂强度测 试，测试过程中没有进行湿养护，测试环境温度20—25。C, 4h抗折强度3.8—4.2MPa， 抗压强度25. 0—28. 0MPa; 1天抗折强度5. 5—6. 0MPa，抗压强度35. 0—40. 0MPa; 28天 抗折强度7. 5—8. 0MPa，抗压强度50. 0—55. 0Mpa。
实施例2
渣料中取高炉矿渣57%、粉煤灰40%、石膏2%、助磨剂1%;复合激发剂中取Si02 35%、 K2065%,取84重量份渣料和16重量份复合激发剂一起粉磨制得抢修、抢建用地质聚合 物胶凝材料。最终所得胶凝材料比表面积为460m7Kg，平均粒经14.04um。按照 GB/T1346-2001进行实验，标准稠度用水量(这里的水指的是复合激发剂和搅拌用水之和) 为42%,初凝时间13min，终凝30min，安定性合格。按照GB/T17671-1999对此材料进 行胶砂强度测试，测试过程中没有进行湿养护，测试环境温度20—25。C， 4h抗折强度3.5 —4. 0MPa，抗压强度25. 0—29. OMPa; 1天抗折强度5. 5—6. 0MPa，抗压强度35. 0—40. OMPa; 28天抗折强度7. 5—8. 0MPa，抗压强度50. 0—55. 0MPa。
实施例3
高炉矿渣60%,钢渣25%，粉煤灰13%经过干燥后加入1%的石膏和1%助磨剂一起 粉磨得到渣料粉末。最终所得渣料粉末的表面积为460m2/Kg，平均粒经14.04um。复合 激发剂中各组分的重量百分比为Si02占59%， K20占21%， Na20占19%， CaO占0.1%, S03占0.9%。取87重量份渣料粉末和13重量份复合激发剂制得抢修、抢建用地质聚合物 胶凝材料，其中复合激发剂的加入方式为溶化于搅拌水中配成40wtX浓度溶液，然后 与渣料粉末拌合。按照GB/T1346-2001进行实验，标准稠度用水量(这里的水指的是复合 激发剂和搅拌用水之和)为45%,初凝时间15min，终凝21min，安定性合格。按照 GB/T17671-1999对此材料进行胶砂强度测试，测试过程中没有进行湿养护，测试环境温 度20—25。C， 4h抗折强度3.5—3.9MPa，抗压强度25.0—29.0MPa; 1天抗折强度5.5 — 6.0MPa，抗压强度35.0—40.0MPa; 28天抗折强度7.5—8.0MPa,抗压强度50.0—55.0MPa。实施例4:
渣料中取钢渣94%、石膏4%、助磨剂2%;复合激发剂中各组分的重量百分比为 Si0247%， Na2023%， K20 29%， CaO 0.4%， SO30.6%。取83重量份渣料和17重量份复 合激发剂一起粉磨制得抢修、抢建用地质聚合物胶凝材料。最终所得材料的表面积为 490m2/Kg，平均粒经12.04 wm。按照GB/Tl346-2001进行实验，标准稠度用水量(这里 的水指的是复合激发剂和搅拌用水之和)为45%，初凝时间19min，终凝25min，安定性 合格。按照GB/T17671-1999对此材料进行胶砂强度测试，测试过程中没有进行湿养护， 测试环境温度20—25°C， 4h抗折强度3.8—4.2MPa,抗压强度27.0—30.0MPa; 1天抗折 强度5.5—6.0MPa，抗压强度35.0—40.0MPa; 28天抗折强度7.5—8.0MPa，抗压强度50.0 —55.0MPa。
实施例5:
钢渣60%,粉煤灰34%经过干燥后加入4%的石膏和2%助磨剂一起粉磨得到渣料粉 末。最终所得渣料粉末的表面积为480n^/Kg，平均粒经12.24 um。复合激发剂中各组分的 重量百分比为Si02占44。/。， Na20占55。/。， CaO占0.4%， S03占0.6%。取84重量份渣 料粉末和16重量份复合激发剂制得抢修、抢建用地质聚合物胶凝材料，其中复合激发剂 的加入方式为溶化于搅拌水中配成40wt^浓度溶液，然后与渣料粉末拌合。按照 GB/T1346-2001进行实验，标准稠度用水量(这里的水指的是复合激发剂和搅拌用水之和) 为45%，初凝时间19min,终凝25min,安定性合格。按照GB/T17671-1999对此材料进 行胶砂强度测试，测试过程中没有进行湿养护，测试环境温度20—25'C， 4h抗折强度3.8 —4.2MPa，抗压强度27.0—30.0MPa; 1天抗折强度5.5—6.0MPa，抗压强度35.0—40.0MPa; 28天抗折强度7.5—8.0MPa,抗压强度50.0—55.0MPa。
实施例6:
高炉矿渣40%，钢渣22%，媒矸石20%，粉煤灰15%经过干燥后加入2%的石膏和1% 助磨剂一起粉磨得到渣料粉末。最终所得渣料粉末的表面积为460n^/Kg，平均粒径 14.04nm。复合激发剂中各组分的重量百分比为Si02占75。/。， Na20占25。/。。取86重量 份渣料粉末和14重量份复合激发剂制得抢修、抢建用地质聚合物胶凝材料，其中复合激 发剂的加入方式为溶化于搅拌水中配成40wt^浓度溶液，然后与渣料粉末拌合。按照 GB/T1346-2001进行实验，标准稠度用水量(这里的水指的是复合激发剂和搅拌用水之和)
7为49%，初凝时间20min，终凝40min，安定性合格。按照GB/T17671-1999对此材料进 行胶砂强度测试，测试过程中没有进行湿养护，测试环境温度20-25。C， 4h抗折强度3.8 —4.2MPa，抗压强度25.0—28.0MPa; 1天抗折强度5.5—6.0MPa，抗压强度35.0—40.0MPa; 28天抗折强度7.5—8.0MPa，抗压强度50.0—55.0Mpa。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发 明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱 离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护 范围。
权利要求
1、一种抢修、抢建用地质聚合物胶凝材料，其特征在于采用13wt％-17wt％的激发剂和含硅铝酸盐成份的82wt％-87wt％的渣料，加水配制而成；所述渣料包括高炉矿渣、钢渣、粉煤灰和媒矸石中的一种或一种以上的组合；所述激发剂包括35wt％-75wt％的SiO2、Na2O和K2O中的一种或两种、0wt％-1wt％的CaO、0wt％-1wt％的SO3，其中Na2O和K2O在所述激发剂中的比例为0wt％-55wt％的Na2O、0wt％-65wt％的K2O。
2、 根据权利要求1所述的抢修、抢建用地质聚合物胶凝材料，其特征在于所述渣 料经过粉磨磨制，在粉磨磨制过程中加入lwto/。-4wt。/。的石膏和lwt。/。-3wt。/。助磨剂，粉磨 磨制所得粉体勃氏比表面积大于400m2/Kg。
3、 根据权利要求2所述的抢修、抢建用地质聚合物胶凝材料，其特征在于所述渣 料的粉磨磨制过程中加入所述激发剂一起粉磨。
全文摘要
本发明提供一种抢修、抢建用地质聚合物胶凝材料，采用13wt％-17wt％的激发剂和含硅铝酸盐成份的82wt％-87wt％的渣料，加水配制而成；所述渣料包括高炉矿渣、钢渣、粉煤灰和媒矸石中的一种或一种以上的组合；所述激发剂包括35wt％-75wt％的SiO₂、0wt％-55wt％的Na₂O、0wt％-65wt％的K₂O、0wt％-1wt％的CaO、0wt％-1wt％的SO₃。本发明采用工业废渣为主要原材料，配以激发剂，来制作具有快凝、快硬特点的地质聚合物胶凝材料，该胶凝材料力学性能优异，凝结时间可控，在抢修、抢建工程中可以代替常用的双快水泥等胶凝材料使用。而本发明主要原材料采用高炉矿渣、钢渣、粉煤灰、媒矸石等含有硅铝酸盐系列的工业固体废弃物，不添加偏高岭土，不需要对原材料进行煅烧处理，耗能低，污染少，工艺简单，成本低廉，环保节能。
文档编号C04B7/14GK101628791SQ20091010818
公开日2010年1月20日 申请日期2009年6月25日 优先权日2009年6月25日
发明者曹海琳, 李国学, 翁履谦 申请人:深圳航天科技创新研究院