CN110015853B - 超高韧性地聚合物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超高韧性地聚合物及其制备方法,超高韧性地聚合物包括钢渣、粉煤灰、复合激发剂和增韧剂;其中,复合激发剂的加入量为钢渣和粉煤灰总质量的5‑8%,增韧剂的加入量为钢渣和粉煤灰总体积的1±0.5%;本发明利用钢渣和粉煤灰制备超高韧性地聚合物,一方面不仅扩展了钢渣的资源化利用手段,也实现了钢渣减量化、资源化和高价值资源化利用,为保护生态环境创建了新途径;另一方面,与纯粉煤灰基超高韧性地聚合物相比,其大幅度提高了地聚合物的抗压强度和抗拉强度,从而性能得到提升;虽然地聚合物温室气体排放较少,是一种低碳排放的环保型胶凝材料,然而其韧性较差,加入增韧剂后得到超高韧性地聚合物,从而有效提高其韧性。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料、固体废弃物资源化利用技术领域,具体涉及一种超高韧性地聚合物及其制备方法。
背景技术
在不到200年的时间里,硅酸盐水泥得到广泛应用,成为现代人类文明建设中不可缺少的物质基础。但是,硅酸盐水泥是一种高能耗和高资源消耗的胶凝材料。此外,在水泥生产过程中还排放出大量有害气体如NOX、SO2和粉尘等。因此,开发一种低能耗、高效益、且能代替或优于硅酸盐水泥的新型胶凝材料已是社会发展的内在需求。
发明内容
针对现有技术中的不足,本发明以拓宽钢渣资源化利用途径为目的,将粉煤灰和钢渣为主要原料混合,并在复合激发剂和增韧剂的共同作用下,制备出一种新型的环境友好的无机胶凝材料,即超高韧性地聚合物。
本发明的第二个目的是提供一种上述超高韧性地聚合物的制备方法。
为达到上述目的,本发明的解决方案是:
一种超高韧性地聚合物,其包括如下组分:
钢渣 10-30wt%;
粉煤灰 70-90wt%。
进一步地,钢渣的比表面积为350-450m2/kg。
进一步地,粉煤灰的比表面积为300-400m2/kg。
进一步地,超高韧性地聚合物还包括:复合激发剂和增韧剂;其中,复合激发剂的加入量为钢渣和粉煤灰总质量的5-8%,以复合激发剂中Na2O的含量为准;增韧剂的加入量为钢渣和粉煤灰总体积的1±0.5%。
进一步地,复合激发剂由钠水玻璃和氢氧化钠配制而成,氢氧化钠的掺加量按下式计算:
其中,G1为钠水玻璃的质量,N为钠水玻璃中Na2O的含量,M1为钠水玻璃的初始模数,M2为实验所需的复合激发剂的配制模数,P为氢氧化钠的纯度。
进一步地,复合激发剂的模数为1.5±0.1。
进一步地,增韧剂为聚乙烯醇纤维。
进一步地,增韧剂的弹性模量为40-45Gpa,极限伸长率为6-10%。
进一步地,超高韧性地聚合物的水固比为0.30-0.35,其中,水固比中的水包括复合激发剂中钠水玻璃溶液所含的水量和外加水量,水固比中的固包括钢渣和粉煤灰的质量之和。
一种上述超高韧性地聚合物的制备方法,其包括如下步骤:
(1)将钢渣和粉煤灰混合,得到混合物;
(2)在混合物内加入复合激发剂和增韧剂反应,经过凝结和硬化得到超高韧性地聚合物。
优选地,超高韧性地聚合物的水固比为0.30-0.35。
由于采用上述方案,本发明的有益效果是:
第一、本发明利用钢渣和粉煤灰制备超高韧性地聚合物,一方面不仅扩展了钢渣的资源化利用手段,也实现了钢渣减量化、资源化和高价值资源化利用,而且还解决了废弃物堆放占用场地的污染问题,为保护生态环境创建了新途径;另一方面,与纯粉煤灰基超高韧性地聚合物相比,其大幅度提高了超高韧性地聚合物的抗压强度和抗拉强度,从而性能得到提升。
第二、虽然地聚合物温室气体排放较少,是一种低碳排放的环保型胶凝材料,然而其韧性较差,加入聚乙烯醇纤维后得到超高韧性地聚合物,从而有效提高其韧性。
附图说明
图1为本发明的实施例和对比例性能结果示意图。(横坐标Tensile strain为拉伸应变,纵坐标Tensile strength为抗拉强度。)
具体实施方式
本发明提供了一种超高韧性地聚合物及其制备方法。
<超高韧性地聚合物>
一种超高韧性地聚合物包括如下组分:
钢渣 10-30wt%;
粉煤灰 70-90wt%。
钢渣和粉煤灰的含量可以任意组合,只要满足钢渣和粉煤灰的质量之和为100%即可。
具体地,钢渣和粉煤灰的主要成分如表1所示。
表1钢渣和粉煤灰的成分组成
其中,钢渣是炼钢过程中产生的废渣,钢渣的比表面积可以为350-450m2/kg,优选为400m2/kg。
钢渣是炼钢过程中用石灰石作为熔剂提取生铁中的氧化硅和氧化铝等杂质而排出的废渣,按钢渣排放的炼钢炉型分类,其主要分为转炉渣、平炉渣和电炉渣三类,其中转炉渣的排放量最大。钢渣是炼钢过程中的副产物,每生产1吨粗钢大概要产生10-20%左右的钢渣,钢渣如得不到行之有效的资源化利用,导致大量的钢渣长期堆积,不仅会占用土地资源,而且还将产生严重的环境污染问题。因此,利用钢渣和粉煤灰制备超高韧性地聚合物并进行强化增韧,不仅提高了超高韧性地聚合物的力学性能,也实现了钢渣减量化、资源化和高价值资源化利用。
粉煤灰是电厂二级粉煤灰,以45μm标准筛测定细度,其筛余量不大于20%,粉煤灰的比表面积可以为300-400m2/kg,优选为350m2/kg。
粉煤灰是火力发电厂、冶金和化工等行业产生的固体废弃物,我国丰富的煤炭资源使得在发电行业中仍然是以火力发电为主。电煤占我国煤炭消耗的50%以上,并且在相当长时间内还会保持这种煤炭资源的利用形式。燃煤过程中产生大量的粉煤灰,占原煤质量的15-40%,粉煤灰已经成为我国累积堆贮量和占用耕地最多的工业废弃物之一。
近年来,我国一直以来十分重视粉煤灰的资源化利用,在建材、建工、筑路、回镇和农业等几方面都有较为成熟的应用,然而对钢渣的资源化利用还比较缺乏,因此,本发明利用工业废弃物粉煤灰和废弃钢渣为主要原材料制备超高韧性地聚合物,不仅拓宽了钢渣的资源化利用途径,而且还减轻了环境负担,降低了成本,减少了资源消耗,从而符合节能减排且满足我国国情的需求。
实际上,超高韧性地聚合物还包括:复合激发剂和增韧剂;其中,复合激发剂的加入量为钢渣和粉煤灰总质量的5-8%,以复合激发剂中Na2O的含量为准;增韧剂的加入量为钢渣和粉煤灰总体积的1±0.5%。
复合激发剂由钠水玻璃和氢氧化钠配制而成,氢氧化钠的掺加量按下式计算:
其中,G1为钠水玻璃的质量,N为钠水玻璃中Na2O的含量,M1为钠水玻璃的初始模数,M2为实验所需的复合激发剂的配制模数,P为氢氧化钠的纯度。
复合激发剂的模数M为1.5±0.1,其中,M表示的是SiO2的摩尔数与Na2O的摩尔数的比值(M=n(SiO2)/n(Na2O))。
具体地,钠水玻璃的初始模数为2.25,固含量为43.74%,使用氢氧化钠(NaOH)调节钠水玻璃,以获得一定模数(M=n(SiO2)/n(Na2O))的复合激发剂。调节前后100g的钠水玻璃各项指标如表2所示。
表2钠水玻璃模数调节前后主要组分含量
其中,增韧剂为聚乙烯醇纤维,其弹性模量为40-45Gpa,极限伸长率为6-10%。
本发明中的聚乙烯醇纤维采用的是日本Kuraray公司生产的Kuraray-ⅡRECS-15型聚乙烯醇纤维。
聚乙烯醇纤维(PVA纤维),是将聚乙烯醇原料采用湿法纺丝和干法纺丝等先进的技术手段制得丝束后,并将丝束切断即可得到不同长度的纤维。
进一步地,超高韧性地聚合物的水固比为0.30-0.35,其中,水固比中的水包括复合激发剂中钠水玻璃溶液所含的水量和外加水量,即控制体系的水固比为0.30-0.35时,除钠水玻璃溶液所含的水量以外,不足的部分由外加水量补足;水固比中的固包括钢渣和粉煤灰的质量之和。
<超高韧性地聚合物的制备方法>
一种超高韧性地聚合物的制备方法包括如下步骤:
(1)将钢渣和粉煤灰混合,得到混合物;
(2)在混合物内加入复合激发剂和增韧剂反应,经过凝结和硬化得到超高韧性地聚合物。
其中,超高韧性地聚合物的水固比可以为0.30-0.35,优选为0.35;其应变在3%以上。
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1:
本实施例的超高韧性地聚合物(FASS14)的制备方法包括如下步骤:
(1)将钢渣和粉煤灰混合,得到混合物;
(2)在混合物内加入复合激发剂和聚乙烯醇纤维混合、成型、脱模,得到超高韧性地聚合物,并进行湿养至测定龄期检测其性能,性能数据如表8所示。
实际上,超高韧性地聚合物的水固比为0.35。
其中,钢渣的掺量为14wt%,比表面积为400m2/kg;粉煤灰的掺量为86wt%,比表面积为350m2/kg(钢渣和粉煤灰的质量之和为100%)。
复合激发剂的掺量(外掺)为6wt%,模数为1.5;聚乙烯醇纤维的体积掺量(外掺)为1%。
具体地,复合激发剂由钠水玻璃和氢氧化钠混合制成,控制其模数M为1.5,其中,钠水玻璃的固含量为43.74%,实际上,Na2O的含量为21.04%,SiO2的含量为27.46%,H2O的含量为51.50%,氢氧化钠的纯度为96%,掺量为25.6g。
实际上,本实施例的超高韧性地聚合物的配合比如表3所示。
表3本实施例的超高韧性地聚合物(FASS14)的配合比
粉煤灰/g | 钢渣/g | 钠水玻璃/g | 水/g | PVA纤维/% |
600 | 100 | 277.41 | 70.56 | 1 |
实施例2:
本实施例的超高韧性地聚合物(FASS21)的制备方法包括如下步骤:
(1)将钢渣和粉煤灰混合,得到混合物;
(2)在混合物内加入复合激发剂和聚乙烯醇纤维混合、成型、脱模,得到超高韧性地聚合物,并进行湿养至测定龄期检测其性能,性能数据如表8所示。
实际上,超高韧性地聚合物的水固比为0.35。
其中,钢渣的掺量为21wt%,比表面积为400m2/kg;粉煤灰的掺量为79wt%,比表面积为350m2/kg(钢渣和粉煤灰的质量之和为100%)。
复合激发剂的掺量(外掺)为6wt%,模数为1.5;聚乙烯醇纤维的体积掺量(外掺)为1%。
具体地,复合激发剂由钠水玻璃和氢氧化钠混合制成,控制其模数M为1.5,其中,钠水玻璃的固含量为43.74%,实际上,Na2O的含量为21.04%,SiO2的含量为27.46%,H2O的含量为51.50%,氢氧化钠的纯度为96%,掺量为25.6g。
实际上,本实施例的超高韧性地聚合物的配合比如表4所示。
表4本实施例的超高韧性地聚合物(FASS21)的配合比
粉煤灰/g | 钢渣/g | 钠水玻璃/g | 水/g | PVA纤维/% |
550 | 150 | 277.41 | 70.56 | 1 |
实施例3:
本实施例的超高韧性地聚合物(FASS28)的制备方法包括如下步骤:
(1)将钢渣和粉煤灰混合,得到混合物;
(2)在混合物内加入复合激发剂和聚乙烯醇纤维混合、成型、脱模,得到超高韧性地聚合物,并进行湿养至测定龄期检测其性能,性能数据如表8所示。
实际上,超高韧性地聚合物的水固比为0.35。
其中,钢渣的掺量为28wt%,比表面积为400m2/kg;粉煤灰的掺量为72wt%,比表面积为350m2/kg(钢渣和粉煤灰的质量之和为100%)。
复合激发剂的掺量(外掺)为6wt%,模数为1.5;聚乙烯醇纤维的体积掺量(外掺)为1%。
具体地,复合激发剂由钠水玻璃和氢氧化钠混合制成,控制其模数M为1.5,其中,钠水玻璃的固含量为43.74%,实际上,Na2O的含量为21.04%,SiO2的含量为27.46%,H2O的含量为51.50%,氢氧化钠的纯度为96%,掺量为25.6g。
实际上,本实施例的超高韧性地聚合物的配合比如表5所示。
表5本实施例的超高韧性地聚合物(FASS28)的配合比
粉煤灰/g | 钢渣/g | 钠水玻璃/g | 水/g | PVA纤维/% |
500 | 200 | 277.41 | 70.56 | 1 |
对比例1:
本对比例的纯粉煤灰基超高韧性地聚合物(FA)的制备方法包括如下步骤:
在粉煤灰内加入复合激发剂和聚乙烯醇纤维混合、成型、脱模,得到纯粉煤灰基超高韧性地聚合物,并进行湿养至测定龄期检测其性能,性能数据如表8所示。
其中,粉煤灰的掺量为100wt%。
复合激发剂的掺量(外掺)为6wt%,模数为1.5;聚乙烯醇纤维的体积掺量(外掺)为1%。
具体地,复合激发剂由钠水玻璃和氢氧化钠混合制成,控制其模数M为1.5,其中,钠水玻璃的固含量为43.74%,实际上,Na2O的含量为21.04%,SiO2的含量为27.46%,H2O的含量为51.50%,氢氧化钠的纯度为96%,掺量为25.6g。
实际上,本对比例的纯粉煤灰基超高韧性地聚合物的配合比如表6所示。
表6本对比例的纯粉煤灰基超高韧性地聚合物(FA)的配合比
粉煤灰/g | 钢渣/g | 钠水玻璃/g | 水/g | PVA纤维/% |
700 | 0 | 277.41 | 70.56 | 1 |
对比例2:
本对比例的粉煤灰/钢渣基地聚合物(FASS21-N)的制备方法包括如下步骤:
(1)将钢渣和粉煤灰混合,得到混合物;
(2)在混合物内加入复合激发剂混合、成型、脱模,得到粉煤灰/钢渣基地聚合物,并进行湿养至测定龄期检测其性能,性能数据如表8所示。
其中,钢渣的掺量为21wt%,比表面积为400m2/kg;粉煤灰的掺量为79wt%,比表面积为350m2/kg(钢渣和粉煤灰的质量之和为100%)。
复合激发剂的掺量(外掺)为6wt%,模数为1.5。
具体地,复合激发剂由钠水玻璃和氢氧化钠混合制成,控制其模数M为1.5,其中,钠水玻璃的固含量为43.74%,实际上,Na2O的含量为21.04%,SiO2的含量为27.46%,H2O的含量为51.50%,氢氧化钠的纯度为96%,掺量为25.6g。
实际上,本对比例的粉煤灰/钢渣基地聚合物的配合比如表7所示。
表7本对比例的粉煤灰/钢渣基地聚合物(FASS21-N)的配合比
粉煤灰/g | 钢渣/g | 钠水玻璃/g | 水/g | PVA纤维/% |
550 | 150 | 277.41 | 70.56 | 0 |
表8实施例和对比例的性能数据
由表8和图1可知,各个实施例的超高韧性地聚合物与对比例1的纯粉煤灰基超高韧性地聚合物相比,其抗压强度和极限抗拉强度(极限抗拉强度是指试块断裂时的强度)都有明显提升,说明了本发明加入钢渣能够显著改善超高韧性地聚合物的性能,这为钢渣的资源化利用提供了新方法和新途径;实施例2与对比例2相比,其极限抗拉强度有了明显的提升,并且出现多缝开裂现象,说明PVA的加入使应变高于3%的超高韧性地聚合物的实现成为了可能。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中,而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理,不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.超高韧性地聚合物的制备方法,特征是,由如下步骤制成:
(1)将钢渣和粉煤灰混合,得到混合物;
(2)在混合物内加入复合激发剂和聚乙烯醇纤维混合、成型、脱模,得到超高韧性地聚合物,并进行湿养至测定龄期检测其性能,性能数据如下:
7d抗压强度12.38MPa,7d极限抗拉强度 1.32MPa;
超高韧性地聚合物的配合比如下:粉煤灰 550g,钢渣150g,复合激发剂 277.41g,水70.56g,PVA纤维外掺体积掺量 1%;
其中,钢渣比表面积为400m2/kg,粉煤灰比表面积为350m2/kg,聚乙烯醇纤维弹性模量为40-45GPa ,极限伸长率为6-10%,复合激发剂由钠水玻璃和氢氧化钠混合制成,钠水玻璃的固含量为43.74%,氢氧化钠的纯度为96%,氢氧化钠掺量为25.6g,制得的复合激发剂模数M为1.5,Na2O的含量为21.04%,SiO2的含量为27.46%,H2O的含量为51.50%。
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