CN110950584B - 一种硅灰/火山灰基地质聚合物混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅灰/火山灰基地质聚合物混凝土，各原料及其所占重量份数包括：改性火山灰80‑150份，硅灰70‑100份，粉煤灰80‑120份，砂30‑50份，石400‑600份，碱硅酸盐溶液80‑120份，橡胶粉10‑30份。本发明首次提出将改性火山灰部分替代粉煤灰，所得地质聚合物混凝土在保证优异力学性能及和易性的基础上，可进一步改善传统粉煤灰基地质聚合物混凝土存在的收缩大、脆性大及耐久性不足等问题，可为高性能聚合物混凝土的研究和应用提供一条全新思路；并可有效实现低活性火山灰的资源化利用，具有重要的经济和环境效益。

Description

一种硅灰/火山灰基地质聚合物混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种硅灰/火山灰基地质聚合物混凝土及其制备方法。
背景技术
地质聚合物为利用胶凝材料制备的一种新型混凝土，因其具备良好的抗压抗折强度、抗酸碱侵蚀性能等优势，成为普通硅酸盐基材料的最佳替代物之一，具有广阔的应用前景。目前地质聚合物的研究方向主要集中在粉煤灰地质聚合物材料，然而粉煤灰地质聚合物材料脆性大，抗裂性差，抗冻及抗渗性能不足；且现阶段粉煤灰资源不再是废弃资源，受国家环保形势及供需关系失衡，粉煤灰早已成为建筑行业的稀缺资源。
新疆伊犁地区有丰富的火山灰矿产资源，且伊宁县区域内设立有多个多晶硅冶炼工厂，硅灰资源比较丰富。虽然火山灰具有潜在的火山灰活性，但火山灰中稳定的SiO2晶体较多，活性低，导致常温下与其他物质反应活性差等问题，影响其资源化应用效果。因此，进一步探索火山灰在地质聚合物混凝土中的高效应用具有重要的研究意义和环境效益。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种硅灰/火山灰基地质聚合物混凝土，将火山灰和硅灰应用于制备地质聚合物混凝土，所得地质聚合物混凝土可表现出优异的力学性能、抗裂性能、耐酸性、耐腐蚀性能和耐久性能，且涉及的制备工艺简单，并可有效实现火山灰等资源化利用，具有重要的经济和环境效益。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种硅灰/火山灰基地质聚合物混凝土，各原料及其所占重量份数包括：改性火山灰80-150份，硅灰70-100份，粉煤灰80-120份，砂30-50份，石400-600份，碱硅酸盐溶液80-120份，橡胶粉10-30份。
上述方案中，所述改性火山灰的制备方法包括如下步骤：
1)对火山灰进行热激发：将火山灰加热至700～800℃煅烧45-50h，冷却至室温；
2)将步骤1)所得粉料加入PM4L行星式球磨机中球磨至表面积＞500m2/kg后取出，即得所述改性火山灰。
上述方案中，所述火山灰选用为高铝火山灰，其Al2O3含量为20wt％以上，密度为1.50-2.50g/cm3，比表面积为350-400m2/kg。
上述方案中，所述硅灰的SiO2含量为90wt％以上，密度为2.0-2.80g/cm3，比表面积为18000-21000m2/kg。
上述方案中，所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，其通过45μm方孔筛筛余率为15-25％，密度为2.0-3.0g/cm3。
上述方案中，所述砂粒级配为Ⅰ区中砂，砂细度模数为2.3-3.0，表观密度为1.5-2.5g/cm3，含泥量为2wt％以下。
上述方案中，所述石选用卵石，卵石级配为5-20mm连续粒级。
上述方案中，所述碱硅酸盐溶液为NaOH与Na2SiO3的混合溶液，其中，NaOH的浓度为16-18mol/L，Na2SiO3的浓度为5-8mol/L。
上述方案中，所述橡胶粉为将废旧轮胎经粉碎后得到的细度为80-200目的微细橡胶粉。
上述一种硅灰/火山灰基地质聚合物混凝土的制备方法，包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料及其所占重量份数包括：改性火山灰80-150份，硅灰70-100份，粉煤灰80-120份，砂30-50份，石400-600份，碱硅酸盐溶液80-120份，橡胶粉10-30份；
2)将称取的火山灰、硅灰、粉煤灰、砂、石加入碱硅酸盐溶液中，进行拌合，得到具有一定流动性的混凝土拌合物，装入试模，加热养护、脱模，然后进行室温养护，即得所述硅灰/火山灰基地质聚合物混凝土。
上述方案中，所述加热养护温度为70-90℃，时间为22-26h。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明结合热激发和球磨手段对火山灰进行改性，可有效破坏火山灰中SiO2、Al2O3稳定晶体并激发其火山灰活性，可有效实现低活性火山灰的资源化利用。
2)本发明首次提出将火山灰和硅灰部分替代粉煤灰，所得地质聚合物混凝土形成的致密三维网络结构在保证优异力学性能及和易性的基础上，可进一步改善传统粉煤灰基地质聚合物混凝土存在的收缩、表面易沉降及耐久性不足等问题，可为高性能聚合物混凝土的研究和应用提供一条全新思路。
3)本发明采用的碱硅酸盐溶液在促进活性成***解的同时，可进一步激发火山灰中的潜在活性成分，同时可有效改善橡胶粉与混凝土之间的界面性能，使所述火山灰基地质聚合物混凝土体系形成具有优异力学性能和耐久性能的致密网络结构，有效兼顾强度和抗裂等性能，适用性广。
4)本发明采用的原料来源广、成本低，且涉及的制备方法简单，环境友好，具有重要的经济和环境效益。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例中，采用火山灰为伊犁当地高铝火山灰材料，其密度为2.3g/cm3比表面积为370m2/kg；其主要化学成分见表1。
表1火山灰化学成分分析/％
Figure BDA0002331493810000031
采用的硅灰为伊宁县当地加密硅灰，其SiO2含量达90.56wt％，密度为2.12g/cm3，比表面积为18300m2/kg；采用的粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，其通过45μm方孔筛筛余率为23.4％，密度为2.4g/cm3；采用的砂、石为伊犁当地的河砂和卵石，河砂细度模数3.0，表观密度为1.74g/cm3，含泥量为2％以下，卵石为5-20mm连续级配卵石。橡胶粉为将废旧轮胎经过粉碎后得到的细度为95目的微细橡胶粉。
以下实施例中，所述收缩性采用非接触法进行收缩性试验，将地质聚合物混凝土拌制均匀后浇筑在混凝土收缩变形仪试模内，放置3d后测得混凝土早龄期收缩值；所述抗裂性通过将地质聚合物混凝土拌制均匀后浇筑在800mm×600mm×100mm的平板内，成型30min后将风扇放置于混凝土平行面引入5m/s的风速，24h后进行观察测量。
实施例1
一种硅灰/火山灰基地质聚合物混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)改性火山灰的制备：首先将火山灰放入高温炉中加热至750℃煅烧48h后，冷却至室温；将所得粉料加入PM4L行星式球磨机中球磨至粉料比表面积＞500m2/kg；
2)按配比称取各原料，各原料及其所占重量份数为:改性火山灰100份，硅灰82份，粉煤灰90份，砂50份，石500份，碱硅酸盐溶液110份(其中NaOH的浓度为18mol/L，Na2SiO3的浓度为6mol/L)，橡胶粉20份；
3)将称取的各原料搅拌均匀，形成和易性较好的流态混凝土，进行装模，在80℃环境下养护24小时后脱模，然后室温养护28d，即得所述地质聚合物混凝土试件。
实施例2
一种硅灰/火山灰基地质聚合物混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)改性火山灰的制备：先将火山灰放入高温炉中加热至750℃煅烧48h后，冷却至室温；将所得粉料加入PM4L行星式球磨机中球磨至粉料比表面积＞500m2/kg；
2)按配比称取各原料，各原料及其所占重量份数为:改性火山灰130份，硅灰85份，粉煤灰100份，砂50份，石600份，碱硅酸盐溶液120份(其中NaOH的浓度为18mol/L，Na2SiO3的浓度为6mol/L)，橡胶粉15份；
3)将称取的各原料搅拌均匀，形成和易性较好的流态混凝土，进行装模，在80℃环境下养护24小时后脱模，然后室温养护28d，即得所述地质聚合物混凝土试件。
实施例3
一种硅灰/火山灰基地质聚合物混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)改性火山灰的制备：改性火山灰的制备：首先将火山灰放入高温炉中加热至750℃煅烧48h后，冷却至室温；将所得粉料加入PM4L行星式球磨机中球磨至粉料比表面积＞500m2/kg；
2)按配比称取各原料，各原料及其所占重量份数为:改性火山灰110份，硅灰90份，粉煤灰120份，砂40份，石500份，碱硅酸盐溶液100份(其中NaOH的浓度为18mol/L，Na2SiO3的浓度为6mol/L)，橡胶粉25份；
3)将称取的各原料搅拌均匀，形成和易性较好的流态混凝土，进行装模，在80℃环境下养护24小时后脱模，然后室温养护28d，即得所述地质聚合物混凝土试件。
对比例1
一种粉煤灰基地质聚合物混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料及其所占重量份数为：粉煤灰190份，硅灰82份，砂50份，石500份，碱硅酸盐溶液110份(其中NaOH的浓度为18mol/L，Na2SiO3的浓度为6mol/L)，橡胶粉20份；
2)将称取的各原料搅拌均匀，形成和易性较好的流态混凝土，进行装模，在80℃环境下养护24小时后脱模，然后室温养护28d，即得所述地质聚合物混凝土试件。
对比例2
一种火山灰基地质聚合物混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料及其所占重量份数为:火山灰100份，硅灰82份，粉煤灰90份，砂50份，石500份，碱硅酸盐溶液110份(其中NaOH的浓度为18mol/L，Na2SiO3的浓度为6mol/L)，橡胶粉20份；
2)将称取的各原料搅拌均匀，形成和易性较好的流态混凝土，进行装模，在80℃环境下养护24小时后脱模，然后室温养护28d，即得所述地质聚合物混凝土试件。
对比例3
一种硅灰/火山灰基地质聚合物混凝土，其制备方法包括如下步骤：
1)改性火山灰的制备：首先将火山灰放入高温炉中加热至750℃煅烧48h后，冷却至室温；将所得粉料加入PM4L行星式球磨机中球磨至粉料比表面积＞500m2/kg；
2)按配比称取各原料，各原料及其所占重量份数为:改性火山灰100份，硅灰82份，粉煤灰90份，砂50份，石500份，碱硅酸盐溶液110份(其中NaOH的浓度为18mol/L，Na2SiO3的浓度为6mol/L)；
3)将称取的各原料搅拌均匀，形成和易性较好的流态混凝土，进行装模，在80℃环境下养护24小时后脱模，然后室温养护28d，即得所述地质聚合物混凝土试件。
将实施例1～3和对比例1～3所得地质聚合物混凝土分别进行力学性能、耐酸碱性能及耐久性能等测试，结果见表1。
表1实施例1～3和对比例1～3所得地质聚合物混凝土的性能测试结果
Figure BDA0002331493810000051
上述结果表明：利用本发明所述改进火山灰所得地质聚合物混凝土可表现出优异的力学性能，并可进一步改善收缩性、抗渗性和耐久性能，可为高性能地质聚合物混凝土的制备提供一条全新思路。
上述实施例仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种硅灰/火山灰基地质聚合物混凝土，其特征在于，各原料及其所占重量份数包括：改性火山灰80-150份，硅灰70-100份，粉煤灰80-120份，砂30-50份，石400-600份，碱硅酸盐溶液80-120份，橡胶粉10-30份；
所述改性火山灰的制备方法包括如下步骤：
1)对火山灰进行热激发：将火山灰加热至700～800℃煅烧45-50h，冷却至室温；
2)将步骤1)所得粉料球磨至表面积＞500m2/kg，即得所述改性火山灰；
所述碱硅酸盐溶液为NaOH与Na2SiO3的混合溶液。
2.根据权利要求1所述的硅灰/火山灰基地质聚合物混凝土，其特征在于，所述火山灰为高铝火山灰，其Al2O3含量为20wt％以上，密度为1.50-2.50g/cm3，比表面积为350-400m2/kg。
3.根据权利要求1所述的硅灰/火山灰基地质聚合物混凝土，其特征在于，所述硅灰的SiO2含量为90wt％以上，密度为2.0-2.80g/cm3，比表面积为18000-21000m2/kg。
4.根据权利要求1所述的硅灰/火山灰基地质聚合物混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，其通过45μm方孔筛筛余率为15-25％，密度为2.0-3.0g/cm3。
5.根据权利要求1所述的硅灰/火山灰基地质聚合物混凝土，其特征在于，所述砂粒级配为Ⅰ区中砂，砂细度模数为2.3-3.0，表观密度为1.5-2.5g/cm3，含泥量为2％以下。
6.根据权利要求1所述的硅灰/火山灰基地质聚合物混凝土，其特征在于，所述石选用卵石，卵石级配为5-20mm连续粒级。
7.根据权利要求1所述的硅灰/火山灰基地质聚合物混凝土，其特征在于，所述碱硅酸盐溶液中，NaOH的浓度为16-18mol/L，Na2SiO3的浓度为5-8mol/L。
8.根据权利要求1所述的硅灰/火山灰基地质聚合物混凝土，其特征在于，所述橡胶粉的细度为80-200目。
9.权利要求1～8任一项所述硅灰/火山灰基地质聚合物混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，各原料及其所占重量份数包括：改性火山灰80-150份，硅灰70-100份，粉煤灰80-120份，砂30-50份，石400-600份，碱硅酸盐溶液80-120份，橡胶粉10-30份；
2)将称取的改性火山灰、硅灰、粉煤灰、砂、石、橡胶粉加入碱硅酸盐溶液中，进行拌合，得到具有一定流动性的混凝土拌合物，装入试模，加热养护、脱模，然后进行室温养护，即得所述硅灰/火山灰基地质聚合物混凝土。
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