專利名稱：一種高鈣粉煤灰地聚合物膠凝材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料領(lǐng)域，涉及利用工業(yè)廢棄物高鈣粉煤灰并以復(fù)合化學(xué)外加劑激發(fā) 而研制一種零碳排放、環(huán)保型的高鈣粉煤灰地聚合物膠凝材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
水泥是一種傳統(tǒng)的膠凝材料，為人類經(jīng)濟發(fā)展與社會進步做出巨大貢獻的同時， 由于其高資源、高能源消耗、高碳排放以及造成的其他嚴重環(huán)境污染，越來越不符合當前可 持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，因此被稱為“夕陽工業(yè)”。各國紛紛出臺相應(yīng)的措施限制水泥工業(yè)規(guī) 模的發(fā)展，競相賦予水泥技術(shù)以更高的科技含量，使它為人類造福的同時不至于給環(huán)境造 成嚴重的負擔。同時，各國也相繼發(fā)展新型的綠色膠凝材料，以取代這種傳統(tǒng)的膠凝材料。
粉煤灰是火力發(fā)電廠排放出來的一種以硅鋁為主要成分的工業(yè)副產(chǎn)品。普通粉 煤灰是煙煤作為動力燃料而排放出來的氧化鈣含量很低的低鈣粉煤灰，而高鈣粉煤灰則是 褐煤、亞煙煤或次煙煤作為動力燃料而排放出來的，其(Si02+Al203+Fe203)的質(zhì)量百分含量 彡50%, CaO的質(zhì)量百分含量彡10%。隨著電力工業(yè)的飛速發(fā)展和煤炭資源的耗竭，具有 高揮發(fā)分的褐煤、亞煙煤和次煙煤也常常被用作動力燃料，導(dǎo)致越來越多的高鈣粉煤灰的 大量排出，并由于其游離氧化鈣含量高而難以在水泥基材料中得到有效利用并堆積形成新 的污染源，亟需加以處置利用。相對于低鈣粉煤灰，高鈣粉煤灰中除含有大量的硅鋁質(zhì)成分 夕卜，還含有一定的鈣質(zhì)成分。地聚合物是以硅鋁質(zhì)材料為原料通過礦物聚縮反應(yīng)而生成的一種低能耗、長壽 命、無CO2排放的高性能無機聚合物。隨著人類對環(huán)境保護意識的加強和研究工作的進展， 制備地聚合物的原材料也已從天然礦物原料拓寬為可利用固體廢棄物。粉煤灰基地聚合物 的研究目前集中于低鈣粉煤灰，這與其含有相對較純的硅鋁質(zhì)成分有關(guān)。高鈣粉煤灰中大 部分是細小的玻璃質(zhì)球狀顆粒，當高鈣粉煤灰被復(fù)合化學(xué)外加劑激發(fā)時，部分鋁硅相從高 鈣粉煤灰的球殼溶出并發(fā)生地聚合反應(yīng)，這與低鈣粉煤灰類似。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明以高鈣粉煤灰為主要原料，另采用原料復(fù)合化學(xué)外加劑激發(fā)高鈣粉煤灰， 在一定的養(yǎng)護環(huán)境中使該體系具有較好的性能，在一定范圍內(nèi)能部分取代或優(yōu)于水泥使 用。該發(fā)明利用的是排放量巨大且難以處置的工業(yè)廢棄物高鈣粉煤灰，首先給廢棄物的利 用提供了途徑，減輕了環(huán)境的負擔，也降低了成本，減少了資源消耗，符合節(jié)能減排且滿足 我國國情的要求；同時它具有免燒和無熟料的特點，是一種零碳排放的環(huán)保型地聚合物，所 以極大地降低了能源消耗。另外，它在一定程度上可以取代水泥，可以減少水泥的生產(chǎn)，也 就是減少了水泥生產(chǎn)過程中的高資源、能源消耗，也減少了其對環(huán)境造成的巨大壓力。所 以，這種零碳排放的高鈣粉煤灰地聚合物膠凝材料是一種綠色環(huán)保型材料，符合當前社會 發(fā)展的趨勢，具有良好的經(jīng)濟效益與社會效益。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
本發(fā)明高鈣粉煤灰地聚合物膠凝材料的原料包括高鈣粉煤灰和復(fù)合化學(xué)外加劑， 其中復(fù)合化學(xué)外加劑由氫氧化鈉和液體狀的鈉水玻璃配制而成，復(fù)合化學(xué)外加劑的模數(shù) M(SiO2)/n(Na20)為1. 5 2. 0 ；該兩種原料之間的量比關(guān)系為由復(fù)合化學(xué)外加劑引入的 Na2O占高鈣粉煤灰的質(zhì)量百分數(shù)為10% 15%。本發(fā)明高鈣粉煤灰地聚合物膠凝材料的制備方法按以下步驟進行a、將氫氧化鈉和液體狀的鈉水玻璃混合，控制其模數(shù)M(SiO2)/Ii(Na2O)為1. 5 2.0，制成復(fù)合化學(xué)外加劑備用。b、將復(fù)合化學(xué)外加劑摻入高鈣粉煤灰中，由復(fù)合化學(xué)外加劑引入的Na2O占高鈣粉 煤灰的質(zhì)量百分數(shù)為10% 15%，即得試樣。C、將制得的試樣在75°C下水熱養(yǎng)護4h 24h或室溫下養(yǎng)護3d 28d，即得本發(fā) 明高鈣粉煤灰地聚合物膠凝材料。進一步，步驟a中所得復(fù)合化學(xué)外加劑陳化24h后備用。進一步，步驟b中控制復(fù)合化學(xué)外加劑和高鈣粉煤灰構(gòu)成的體系的水灰比為0. 4。控制復(fù)合化學(xué)外加劑的模數(shù)M(SiO2)Ai(Na2O)為1. 5 2. 0可使其獲得較高的活 性，陳化24h后備用可使氫氧化鈉和鈉水玻璃充分混合進一步增強其活性。由上述方法制備得到的高鈣粉煤灰地聚合物膠凝材料主要由無定形的無機 聚合物組成，各項性能優(yōu)良，抗壓強度性能指標滿足《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》 (GB175-1999)中42. 5R等級普通硅酸鹽水泥的要求，并且在提高養(yǎng)護溫度時，還可以顯著 提高其早期強度。因此，該地聚合物膠凝材料在一定范圍內(nèi)能夠取代普通硅酸鹽水泥運用 于實際工程，尤其是對早期強度有較高要求的工程。
具體實施例方式本發(fā)明六個實施例的原料高鈣粉煤灰均取自某電廠，比表面積為385m2/kg，其主 要成分見表1。市售的液體狀的鈉水玻璃固含量38. 3%，含有9. 1% Na2O, 29. 2% SiO2和 61. 7%的水；氫氧化鈉為含99. 2% NaOH的化學(xué)試劑。表1本發(fā)明用高鈣粉煤灰的主要化學(xué)成分及含量(wt. % )
化學(xué)成分 SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO CaO SO3 K2O Na2O L.O.I. Total wt. % 38.00 19.00 9.00 5.00 20.00 3.00 0.40 1.00 3.50 98.90實施例①a、將氫氧化鈉和液體狀的鈉水玻璃混合，控制其模數(shù)M(SiO2)Ai(Na2O)為1. 5，制 成復(fù)合化學(xué)外加劑，陳化24h后，備用。b、將復(fù)合化學(xué)外加劑摻入高鈣粉煤灰中，由復(fù)合化學(xué)外加劑引入的Na2O占高鈣粉 煤灰的質(zhì)量百分數(shù)為10%，用以激發(fā)高鈣粉煤灰；控制體系水灰比為0.4，即得試樣。C、將制得的試樣在75°C下水熱養(yǎng)護4h 24h，即得本發(fā)明高鈣粉煤灰地聚合物膠 凝材料。實施例②其余條件和步驟均與實施例①相同，不同之處在于步驟c為將制得的試樣在室溫下養(yǎng)護3d 28d，即得本發(fā)明高鈣粉煤灰地聚合物膠凝材料。實施例③a、將氫氧化鈉和液體狀的鈉水玻璃混合，控制其模數(shù)M(SiO2)Ai(Na2O)為1. 5，制 成復(fù)合化學(xué)外加劑，陳化24h后，備用。b、將復(fù)合化學(xué)外加劑摻入高鈣粉煤灰中，由復(fù)合化學(xué)外加劑引入的Na2O占高鈣粉 煤灰的質(zhì)量百分數(shù)為15%，用以激發(fā)高鈣粉煤灰；控制體系水灰比為0.4，即得試樣。
C、將制得的試樣在75°C下水熱養(yǎng)護4h 24h，即得本發(fā)明高鈣粉煤灰地聚合物膠 凝材料。實施例④其余條件和步驟均與實施例③相同，不同之處在于步驟c為將制得的 試樣在室溫下養(yǎng)護3d 28d，即得本發(fā)明高鈣粉煤灰地聚合物膠凝材料。實施例⑤a、將氫氧化鈉和液體狀的鈉水玻璃混合，控制其模數(shù)M(SiO2)Ai(Na2O)為2. 0，制 成復(fù)合化學(xué)外加劑，陳化24h后，備用。b、將復(fù)合化學(xué)外加劑摻入高鈣粉煤灰中，由復(fù)合化學(xué)外加劑引入的Na2O占高鈣粉 煤灰的質(zhì)量百分數(shù)為15%，用以激發(fā)高鈣粉煤灰；控制體系水灰比為0.4，即得試樣。C、將制得的試樣在75°C下水熱養(yǎng)護4h 24h，即得本發(fā)明高鈣粉煤灰地聚合物膠 凝材料。實施例⑥其余條件和步驟均與實施例⑤相同，不同之處在于步驟c為將制得的 試樣在室溫下養(yǎng)護3d 28d，即得本發(fā)明高鈣粉煤灰地聚合物膠凝材料。由以上六個實施例制備的地聚合物的基本性能見表2表2高鈣粉煤灰地聚合物膠凝材料的基本性能
項目標準耍求地聚合物膠凝材料
實例① 實例② 實例③ 實施例④ 實例⑤ 實施例⑥ 抗壓強 75。C 4h -30.629.122.6
度/MPa 水熱養(yǎng)護 8h -35.630.227.5
24 h -38.839.330.1
室溫 3 d =322.022.634.524.8
養(yǎng)護 7d -34.539.928.6
28 d 彡42.559.366.850.7
安定性合格合格合格 合格 合格合格 合格由上述實施例可知，在室溫下養(yǎng)護的高鈣粉煤灰地聚合物膠凝材料各項性能優(yōu) 良，抗壓強度性能指標滿足《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》(GB175-1999)中42. 5R等級普 通硅酸鹽水泥的要求，并且在提高養(yǎng)護溫度時，還可以顯著提高其早期強度。因此，該地聚 合物膠凝材料在一定范圍內(nèi)能夠取代普通硅酸鹽水泥運用于實際工程，尤其是對早期強度 有較高要求的工程。
上述對實施例的描述是為了便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā) 明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的 一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施 例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進和修改都應(yīng)該在 本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種高鈣粉煤灰地聚合物膠凝材料，其特征在于該地聚合物膠凝材料的原料包括高鈣粉煤灰和復(fù)合化學(xué)外加劑，其中復(fù)合化學(xué)外加劑由氫氧化鈉和液體狀的鈉水玻璃配制而成，復(fù)合化學(xué)外加劑的模數(shù)M(SiO2)/n(Na2O)為1.5～2.0；所述兩種原料之間的量比關(guān)系為由復(fù)合化學(xué)外加劑引入的Na2O占高鈣粉煤灰的質(zhì)量百分數(shù)為10％～15％。
2.權(quán)利要求1所述的膠凝材料的制備方法，按以下步驟進行a、將氫氧化鈉和液體狀的鈉水玻璃混合，控制其模數(shù)M(Si02)/n(Na20)為1.5 2. 0， 制成復(fù)合化學(xué)外加劑備用；b、將復(fù)合化學(xué)外加劑摻入高鈣粉煤灰中，由復(fù)合化學(xué)外加劑引入的Na20占高鈣粉煤灰 的質(zhì)量百分數(shù)為10% 15%，即得試樣；c、將制得的試樣在75°C下水熱養(yǎng)護4h 24h或室溫下養(yǎng)護3d 28d，即得本發(fā)明高 鈣粉煤灰地聚合物膠凝材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于步驟a中所得復(fù)合化學(xué)外加劑陳化 24h后備用。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的制備方法，其特征在于在步驟b中控制復(fù)合化學(xué)外加 劑和高鈣粉煤灰構(gòu)成的體系的水灰比為0. 4。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高鈣粉煤灰地聚合物膠凝材料及其制備方法，該地聚合物膠凝材料以高鈣粉煤灰為主要原料，以氫氧化鈉和液體狀的鈉水玻璃制得的溶液為復(fù)合化學(xué)外加劑，本發(fā)明確定了復(fù)合化學(xué)外加劑的模數(shù)和摻量，并在一定的養(yǎng)護環(huán)境中使該體系具有較好的性能。該發(fā)明利用的是排放量巨大且難以處置的工業(yè)廢棄物高鈣粉煤灰，給廢棄物的利用提供了途徑，減輕了環(huán)境的負擔，也降低了成本，減少了資源消耗。該發(fā)明提供的地聚合物膠凝材料具有免燒和無熟料的特點，是一種零碳排放的綠色環(huán)保型地聚合物，極大地降低了能源消耗，符合當前社會發(fā)展的趨勢，具有良好的經(jīng)濟效益與社會效益。
文檔編號C04B7/28GK101830654SQ20101015590
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者施惠生, 郭曉潞 申請人:同濟大學(xué)