一種微膨脹早強型低鈣粉煤灰基堿激發(fā)材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種低鈣粉煤灰基堿激發(fā)材料及其制備方法，具體涉及一種以低鈣粉 煤灰為主要原料，添加?；郀t礦渣、納米沸石粉、膨潤土和石膏粉，通過與鉀鈉水玻璃和 苛性堿復配形成的堿激發(fā)組分復合，得到一種微膨脹、早強型堿激發(fā)膠凝材料，屬建筑材料
技術領域。
【背景技術】
[0002] 硅酸鹽水泥具有硬化后強度高、可塑性強、粘結性好以及耐久性能優(yōu)良等特點，是 目前使用最廣泛的膠凝材料。然而隨著其原材料的日益緊缺，以及生產過程中產生的高C0 2 排放及高污染，已經給資源的合理利用和環(huán)境保護帶來巨大的負面影響。我國燃煤電廠和 低熱值電廠排放的粉煤灰占全國固體廢棄物的40%。粉煤灰作為礦物摻合材，應用于水泥 與混凝土生產中，已是世界范圍內較為成熟的技術。然而現階段，粉煤灰的利用尚存方式單 一、利廢率低，且屬于低附加值的粗放式利用等問題。
[0003] 喊激發(fā)材料(Alkali-Activated Materials，簡稱AAM)作為一種以無機[Si04]、 [Al04]四面體形成空間三維網狀鍵接結構的新型膠凝材料，多以高爐礦渣、偏高嶺土、廢玻 璃等天然硅鋁酸鹽礦物或工業(yè)固體廢物為主要原料，工藝簡單、節(jié)能環(huán)保，已成為國內外研 究熱點，具有廣闊的發(fā)展空間。
[0004] 粉煤灰基堿激發(fā)材料(Alkali-Activated Fly Ash，簡稱AAFA)是利用粉煤灰(FA， 主要成分為Si02、Al20 3、Fe203及少量未燃燒碳)和天然硅鋁原料的相似性，摻加堿性激發(fā)組 分，在一定條件下制備而成。與傳統的使用高嶺土或偏高嶺土等為主要原料制備堿激發(fā)材 料需要高溫煅燒不同，FA為電力工業(yè)高溫燃燒殘留物，無須預熱處理，為其大規(guī)模工程應用 提供了有力保障，產生顯著的經濟與社會環(huán)保效益。
[0005] 目前國內外研發(fā)的AAM，少見以低鈣FA為主料的相關專利，以鋼渣、硅鈣渣微粉、石 煤提釩尾礦、礦渣混凝土再生原料等等為主要原料(無任何粉煤灰組分)研發(fā)的AAM專利報 道，與本發(fā)明在原料(尤其是主料）的選擇上存在本質區(qū)別。中國專利(CN201410618006)中 粉煤灰摻量〇~45%、中國專利(CN201110394108)粉煤灰所占質量比例為5~20%、中國專 利（CN201510181543)粉煤灰/礦渣混合物(兩者比例1:1~4:1)占粉體質量20~40%，以及 中國專利(CN201410856420)所用粉煤灰為25~45%等等，可見這類專利中制備的AAM所用 粉煤灰非主料，摻量均不超過粉體質量的45%。其原因在于：與其他娃錯質原料相比，FA活 性低，其顆粒表面玻璃釉質難以分解并產生化學反應，若摻量過大，將造成AAFA力學性能下 降，或出現因堿激發(fā)組分劑量上升導致的"泛霜"現象和體積安定性不良等問題。
[0006] 中國專利（0附018306534、0附018573874、0附018306544)，雖然?六用量范圍與本發(fā) 明接近，然而其主要原料為高鈣FA而非低鈣FA。高鈣灰是指游離CaO成分占10%以上的FA， 為Si〇2-Al2〇3_CaO三元系統，而低鈣灰CaO含量一般在3%以內，為Si〇2_Al2〇3二元系統，這兩 種系統在堿激發(fā)作用下產生地聚合反應的機理和動力學過程是完全不一樣的?？偟膩碚fFA 的CaO含量高，其活性大，制備凝結時間較短、強度較高的AAFA材料，但也存在一個明顯的技 術缺陷:CaO遇水形成強堿Ca(OH)2,極易導致體積安定性不良，甚至出現嚴重開裂和粉化現 象。

【發(fā)明內容】

[0007] 針對現有技術中粉煤灰基堿激發(fā)材料存在的缺陷，本發(fā)明的一個目的是在于提供 一種以低鈣粉煤灰為主料得到的具有良好力學性能(尤其是早強)和優(yōu)異的體積穩(wěn)定性(微 膨脹效應）、抗裂性能和耐久性的堿激發(fā)材料，滿足土建工程要求。
[0008] 本發(fā)明的另一個目的是在于提供一種操作和工藝流程簡單、節(jié)能利廢、成本低廉 的制備所述堿激發(fā)材料的方法。
[0009] 為了實現上述技術目的，本發(fā)明提供了一種微膨脹早強型低鈣粉煤灰基堿激發(fā)材 料，該激發(fā)材料由粉料和堿激發(fā)組分及水按質量比100:10~20:30~50組成;所述的粉料由 以下質量百分比組分組成：
[0010] 低|丐粉煤灰50~95%，
[0011] ?；郀t礦渣5~20%，
[0012] 納米沸石粉<15%，
[0013] 膨潤土 <10%，
[0014] 石膏粉 <5%。
[0015] 本發(fā)明的技術方案針對現有的低鈣粉煤灰用于堿激發(fā)材料存在的缺陷而提出，以 低鈣粉煤灰為主要組分，通過引入?；郀t礦渣、適量的納米級沸石粉和膨潤土及石膏粉 等組分，同時優(yōu)化復配堿激發(fā)組分進行改性，獲得強度高(尤其是早期強度高）、體積穩(wěn)定且 具有微膨脹效應、抗裂能力優(yōu)異的堿激發(fā)材料。克服了現有技術中低鈣粉煤灰用于堿激發(fā) 材料存在的缺陷。
[0016] 優(yōu)選的方案，低鈣粉煤灰為滿足GB/T1596標準的I級或II級F類粉煤灰，低鈣粉煤 灰中游離CaO小于10.0%。
[0017]優(yōu)選的方案，?；郀t礦渣為滿足GB/T18046標準的S95以上等級礦渣粉。
[0018]優(yōu)選的方案，納米沸石粉粒度大小在20~80nm范圍內，納米沸石粉中無定型Si〇2 和AI2O3總質量百分比含量大于70%。
[0019] 優(yōu)選的方案，膨潤土為鉀基膨潤土，膨潤土中鈣質蒙脫石質量百分比含量大于 85%〇
[0020] 優(yōu)選的方案，石膏粉為天然石膏粉或工業(yè)副產石膏粉，石膏粉中CaS〇4 · 2H20有效 成分含量在90%以上。工業(yè)副產石膏粉為脫硫石膏或磷石膏等。
[0021 ]優(yōu)選的方案，堿激發(fā)組分由等摩爾比的氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液調節(jié)鉀鈉水玻璃 的Si02/(Na20+K20)摩爾比至1.1~1.9,并在室溫環(huán)境下陳化20~28h得到。
[0022]本發(fā)明的堿激發(fā)組分由鉀鈉水玻璃和苛性堿復配而成。
[0023] 堿激發(fā)組分為I類低模液態(tài)娃酸鉀鈉 xNa2〇 · yK2〇 · zSi〇2,其中：x:y= 1:1，z/(x+ y) = l.l ~1·9〇
[0024]鉀鈉水玻璃的模數M(z/(x+y))是通過添加摩爾比1:1氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液， 改變鈉水玻璃中Si02/(Na20+K20)摩爾比大小而調節(jié)的，并在室溫環(huán)境下陳化20~28h，以供 使用。
[0025] 所述的NaOH或Κ0Η為常規(guī)市售產品，其有效成分含量在98%以上。
[0026] 本發(fā)明還提供了制備所述的微膨脹早強型低鈣粉煤灰基堿激發(fā)材料的制備方法， 該制備方法是將各種粉料混合均勻后，進一步與含堿激發(fā)組分的水溶液混合均勻，即得。
[0027] 本發(fā)明的低鈣粉煤灰基堿激發(fā)材料的制備方法，包括以下步驟：（1)將各種粉料混 合均勻；（2)將鉀鈉水玻璃與氫氧化鈉、氫氧化鉀復配、陳化，得到堿激發(fā)組分；（3)將(2)所 得復合堿激發(fā)組分稀釋后，與（1)所得混合粉料混合均勻，即得;其中，根據所確定的堿激發(fā) 組分用量，摻入的水須扣除堿激發(fā)組分所含水量。
[0028] 本發(fā)明的低鈣粉煤灰基堿激發(fā)材料的具體制備方法如下:在攪拌機內依次加入各 種粉料，啟動攪拌機干拌30s，使粉料混合均勻;根據設計用水量將陳伏20~28h的堿激發(fā)組 分稀釋到相應水中；向攪拌機中緩緩加入含設計質量濃度和模數堿激發(fā)組分的水，慢攪拌 2min、快攪拌2min至形成質量均勾的拌合物。
[0029]用低鈣粉煤灰基堿激發(fā)材料制備的凈漿、砂漿或混凝土試件，在混凝土標準養(yǎng)護 室養(yǎng)護Id后拆模，環(huán)境室標準養(yǎng)護、室內自然養(yǎng)護、蒸汽養(yǎng)護均可；養(yǎng)護環(huán)境:溫度20~80 °C，相對濕度40~100%。根據養(yǎng)護制度不同，可制備出不同技術性能的堿激發(fā)材料，以滿足 不同類型土建工程的使用要求。
[0030]相對現有技術，本發(fā)明的技術方案帶來的有益效果：
[0031] 1、以低鈣粉煤灰為主要原料，實現低鈣粉煤灰的充分利用，利用其制備高附加值 的堿激發(fā)材料，解決粉煤灰長期堆積的土地資源浪費和環(huán)境污染問題，拓寬粉煤灰利用途 徑及提高其經濟附加值;同時利用工業(yè)廢石膏、粒化高爐礦渣等，實現了資源綜合化利用；
[0032] 2、本發(fā)明的低鈣粉煤灰基堿激發(fā)材料配方以低鈣粉煤灰為主要原料，得到一種適 用于多種土建工程應用的新型膠凝材料，根據配比方案的不同，可分別達到42.5、42.5R、 52.5、52.5R、62.5、62.5R水泥強度等級，具有優(yōu)良的力學性能和優(yōu)異的體積穩(wěn)定性(微膨脹 效應）、抗裂性能和耐久性的堿激發(fā)材料，滿足土建工程要求。
[0033] 3、本發(fā)明的低鈣粉煤灰基堿激發(fā)材料獲得微膨脹和早強優(yōu)勢，具有可快速施工的 特點、體積微膨脹效果以及優(yōu)異的抗裂性能。收縮開裂是水泥類材料的固有缺陷，而"泛霜" 現象和膨脹粉化往往是高鈣粉煤灰基堿激發(fā)材料的隱患，本發(fā)明的配方解決了現有技術中 存在的問題。
[0034] 4、本發(fā)明制備方法和流程簡單、能耗低，原料成本低，滿足工業(yè)生產和土建工程應 用要求。
【附圖說明】
[0035]【圖1】為平板開裂試驗設備示意圖；
[0036]【圖2】為混凝土平板開裂試驗照片。
【具體實施方式】
[0037] 以下實施實例旨在說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明權利要求保護范圍的進一步限 定。
[0038] 實施例1
[0039] 軟土地基注漿材料：
[0040]粉煤灰顆粒與普通水泥顆粒相比較小，顆粒級配分布更加合理，且球型顆粒表面 呈玻璃質，表面光滑致密。AAFA需水量小、流動度大、滲透性好，膨潤土、石膏的摻入進一步 改善AAFA流動性、粘聚性和產生體積微膨脹，利于其滲透到被加固土體及道路基層后，與加 固體粘結更緊密。
[0041 ] 具體生產過程如下：
[0042]路基層注漿料：II級F類FA比例90%，膨潤土5%，石膏粉5%，鉀鈉水玻璃模數至 1.2，復合堿激發(fā)組分質量百分比為12%，水占粉料總質量比0.50:1。
[0043] 土基層注漿料：II級F類FA占8