CN111205005A

CN111205005A - 胶凝材料、应用以及混凝土

Info

Publication number: CN111205005A
Application number: CN202010152183.4A
Authority: CN
Inventors: 杜天玲; 刘�英; 姬永生; 王稷良; 于咏妍; 严久鑫; 王欣鹏; 陈豪
Original assignee: Research Institute of Highway Ministry of Transport
Current assignee: Research Institute of Highway Ministry of Transport
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2020-05-29

Abstract

本发明公开了胶凝材料、应用以及混凝土。胶凝材料包括质量比为4.0～5.0:1.85～2.8的含铝硅酸盐的工业固废和碱激发剂。本发明所提供的胶凝材料不需要高温烧结，制备工艺简单，不需要消耗天然原材料资源，利用固废原材料制成，节约能源，减少环境污染。本发明所提供的胶凝材料具有良好的力学性能。

Description

胶凝材料、应用以及混凝土

技术领域

本发明涉及公路工程建设领域，尤其涉及胶凝材料、应用以及混凝土。

背景技术

目前修补材料主要分为有机材料、无机材料和有机无机复合材料，都存在着很多不足的问题：

(1)有机类修补材料：

造价较高，修补周期较短，不利于环保，不适合大面积推广。

(2)有机无机复合材料：

造价高，存在施工不便，不利于环境保护，不适合大面积推广。

(3)无机类修补材料：

无机类修补材料以水泥基无机胶凝材料为主。从力学性能方面来说，早期强度低，恢复交通周期较长，利用大量外加剂后易产生后期强度倒缩情况；与旧混凝土粘结强度低，修补后新旧混凝土处容易产生新裂缝；产品硬而脆，抗折强度低。从环保和能源消耗方面来说，随着我国的交通基础设施建设的高速发展，对水泥等原材料的需求日益剧增。我国是水泥产量大国，长期以来水泥生产中的高温烧结、温室气体排放造成了大气的严重污染，也消耗了大量的自然资源。目前，存在利用工业废料制备复合矿物掺合料快修补材料，然后这种材料仍然存在着以下不足：一是利用工业废料的比例低，约为10％～20％左右，主要是利用其“微集料”的填充作用，对工业废料的利用率较低；二是其矿物掺合料的化学反应原理不一样，其利用其火山灰效应～SiO₂、Al₂O₃等硅酸盐玻璃体，与水泥水化产生的Ca(OH)₂发生二次水化反应，生成水化硅酸钙等凝胶来增加胶凝材料的强度，然而胶凝材料的力学性能仍然有待提高。

因此，针对水泥基无机胶凝材料的上述不足，亟需开发一种力学性能优良，绿色环保的胶凝材料。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本发明的一个目的是提供一种胶凝材料，其具有优异的力学性能，同时不消耗天然资源，利于环保。

本发明的一个目的是提供一种胶凝材料的应用。

本发明的一个目的是提供一种胶凝材料在混凝土和/或砂浆中的应用。

本发明的又一个目的是提供一种混凝土。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种胶凝材料，包括质量比为4.0～5.0:1.85～2.8的含铝硅酸盐的工业固废和碱激发剂。

优选的是，所述的胶凝材料中，所述含铝硅酸盐的工业固废包括粉煤灰和矿渣。

优选的是，所述的胶凝材料中，所述碱激发剂包括碱金属硅酸盐和碱金属氢氧化物。

优选的是，所述的胶凝材料中，所述碱金属硅酸盐为Na₂SiO₃水溶液。

优选的是，所述的胶凝材料中，所述碱金属氢氧化物包括NaOH。

优选的是，所述的胶凝材料，由质量比为0.9～2.2:1.8～4.0:1.6～1.8:0.27～0.32:0～0.3的粉煤灰、矿渣、Na₂SiO₃水溶液、NaOH和Ca(OH)₂组成，其中，所述Na₂SiO₃水溶液的固含量为34.5％，Na₂SiO₃水溶液和NaOH所组成的碱激发剂的模数为1.2～1.4。

本发明还提供了所述的胶凝材料的应用。

所述的胶凝材料在混凝土或砂浆中的应用。

本发明还提供了混凝土，所述混凝土用所述的胶凝材料制备而成。

本发明至少包括以下有益效果：

(1)本发明所提供的胶凝材料不需要高温烧结，制备工艺简单，不需要消耗天然原材料资源，利用固废原材料制成，节约能源，减少环境污染。

(2)相比现有的水泥基无机材料，本发明所提供的胶凝材料具有良好的力学性能。利用本发明所提供的胶凝材料配制的砂浆和混凝土的凝结时间完全可调控，抗压强度和抗折强度性能优异，。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

具体实施方式

下面对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明提供了一种胶凝材料，包括质量比为4.0～5.0:1.85～2.8的含铝硅酸盐的工业固废和碱激发剂。

本发明利用含铝硅酸盐固废物和碱激发剂来制备胶凝材料，其中，富铝硅酸盐固废物的含量相对于现有技术大幅度提高。在该胶凝材料的使用过程中，富铝硅酸盐固废物发生相重构(即解聚～缩聚)。首先是铝硅酸盐矿物原料在碱激发剂中溶解，然溶解的单体固体颗粒表面向颗粒间隙扩散，形成Mn{-(SiO₂)z-AlO₂}n·wH₂O}的凝胶相，然后在碱的进一步作用下碱硅酸盐溶液和铝硅酸原料之间发生聚合反应，最后凝胶相逐渐排除剩余水分，固结形成的聚铝～氧～硅酸盐无定形的一种三维网络结构。这种三维网络结构使得胶凝材料表现出优异的机械力学性能、热稳定性及耐久性。

本发明所提供的胶凝材料的初凝时间大于20min，终凝时间小于60min。通过调节各组分的配比，胶凝材料的凝结时间完全可调控。本发明所提供的胶凝材料配制的砂浆28天的抗折强度可以达到5.7MPa，抗压强度可以达到58.5MPa，混凝土28天的抗折强度可以达到8.0MPa，抗压强度可以达到63MPa。折压比达到0.10～0.15。

而且，本发明的富铝硅酸盐材料选自工业固废材料，不需要高温烧结，制备工艺简单，不需要消耗天然原材料资源，节约能源，减少环境污染。

在一个优选的实施例中，所述的胶凝材料中，所述含铝硅酸盐的工业固废包括粉煤灰和矿渣。

在一个优选的实施例中，所述的胶凝材料中，所述碱激发剂包括碱金属硅酸盐和碱金属氢氧化物。

在一个优选的实施例中，所述的胶凝材料中，所述碱金属硅酸盐为Na₂SiO₃水溶液(水玻璃)。

在一个优选的实施例中，所述的胶凝材料中，所述碱金属氢氧化物包括NaOH。

在一个优选的实施例中，所述的胶凝材料，由质量比为0.9～2.2:1.8～4.0:1.6～1.8:0.27～0.32:0～0.3的粉煤灰、矿渣、Na₂SiO₃水溶液、NaOH和Ca(OH)₂组成，其中，Na₂SiO₃水溶液的固含量为34.5％，Na₂SiO₃水溶液和NaOH所组成的碱激发剂的模数为1.2～1.4。

本发明还提供了所述的胶凝材料的应用。胶凝材料在施用之前，先进行现场制备，其具体制备过程为：将粉煤灰、矿渣、Ca(OH)₂过筛后按照质量比充分拌匀，将Na₂SiO₃水溶液、NaOH按照比例制备成水溶液，加入胶材中充分搅拌即可。其中，粉煤灰、矿渣、Na₂SiO₃、NaOH和Ca(OH)₂的质量比为0.9～2.2:1.8～4.0:1.6～1.8:0.27～0.32:0～0.3。水的用量可以根据实际情况进行调整。该制备过程简单，常温条件下进行，不需要高温烧结。

优选地，本发明所提供的胶凝材料中，矿渣需满足GB/T203-2008中的规定，质量系数宜大于1.2。粉煤灰选用低钙粉煤灰，SiO₂、Al₂O₃的含量宜大于80％。粉煤灰过200目筛。复合激发剂具体由Na₂SiO₃水溶液和NaOH组成,模数1.2～1.4。

本发明还提供了所述的胶凝材料在混凝土或砂浆中的应用。可以利用上述胶凝材料制备混凝土或者砂浆，根据工程需要可在胶凝材料中进一步加入砂和碎石，碎石的级配满足连续级配要求，最大粒径不超过25mm，也可根据具体施工应用采用相应粒径的粗集料。优选地，采用本发明所提供的胶凝材料配制的砂浆或者混凝土时，采用的砂的细度模数2.3～3.0，含泥量少于3.0％，粗骨料为连续级配，符合相应技术要求。混凝土的砂率：36％～40％。

本发明还提供了一种混凝土，所述混凝土用所述的胶凝材料制备而成。具体地，由质量比为0.9～2.2:1.8～4.0.:1.6～1.8:0.27～0.32:0～0.3的粉煤灰、矿渣、Na₂SiO₃水溶液、NaOH和Ca(OH)₂组成时，混凝土的水胶比为0.3～0.4。

实施例一

表1记载了本实施例中胶凝材料中各组分的质量比以及在进行强度力学性能测试时所添加砂的质量比。

表1

实施例二

表2记载了本实施例中胶凝材料中各组分的质量比以及在进行强度力学性能测试时所添加砂的质量比。

表2

胶凝材料成分
		粉煤灰(等外灰过200目筛)	2.2
Na<sub>2</sub>SiO<sub>3</sub>水溶液(n＝3.36)	1.8
		矿渣	2.0
NaOH	0.27
		Ca(OH)<sub>2</sub>	0.2
水	1.0
		砂	13

实施例三

表3 记载了本实施例中胶凝材料中各组分以及在进行强度力学性能测试时所添加砂的质量比。

表3

实施例四

表4记载了利用胶凝材料制备混凝土时胶凝材料各组分以及所添加的砂和碎石的质量比。

表4

混凝土成分
		粉煤灰(Ⅰ)	0.9
Na<sub>2</sub>SiO<sub>3</sub>水溶液(n＝3.36)	1.6
		矿渣	3.3
NaOH	0.32
		水	0.4
砂(Mx＝2.6)	6.9
		小石(5-16mm)	3
大石(10-20mm)	8

对实施例一至实施例三的胶凝材料进行凝结时间以及强度力学性能的测试。

凝结时间测试方法按照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性》中进行。经检测，实施例一至实施例三的胶凝材料的初凝时间大于20min，终凝时间小于60min。通过调节各组分的配比，胶凝材料的凝结时间完全可调控。

抗折强度和抗压强度试验成型方法及测试参照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》GB/T17671-1999。向胶凝材料中加入砂，配制成砂浆。成型胶砂试件制成40mm×40mm×160mm胶砂试件后按照要求进行检测，检测结果见表5。

对实施例四的混凝土进行强度力学性能的测试。对混凝土的成型及检测方法参照国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》GB/T50081的规定，抗压试件尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体试件，抗折强度试件尺寸为150mm×150mm×550mm。对混凝土性能进行测试，测试结果见表5。

表5

由表5可知，本发明所提供的胶凝材料配制的砂浆28天的抗折强度可以达到5.7MPa，抗压强度可以达到58.5MPa，混凝土28天的抗折强度可以达到8.0MPa，抗压强度可以达到63MPa。折压比达到0.10～0.15。

相比现有的水泥基无机材料，本发明所提供的胶凝材料具有良好的力学性能。利用本发明所提供的胶凝材料配制的砂浆和混凝土的凝结时间完全可调控，抗压强度和抗折强度性能优异。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims

1.胶凝材料，其特征在于，包括质量比为4.0～5.0:1.85～2.8的含铝硅酸盐的工业固废和碱激发剂。

2.如权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，所述含铝硅酸盐的工业固废包括粉煤灰和矿渣。

3.如权利要求1或2所述的胶凝材料，其特征在于，所述碱激发剂包括碱金属硅酸盐和碱金属氢氧化物。

4.如权利要求3所述的胶凝材料，其特征在于，所述碱金属硅酸盐为Na₂SiO₃水溶液。

5.如权利要求4所述的胶凝材料，其特征在于，所述碱金属氢氧化物包括NaOH。

6.如权利要求5所述的胶凝材料，其特征在于，由质量比为0.9～2.2:1.8～4.0:1.6～1.8:0.27～0.32:0～0.3的粉煤灰、矿渣、Na₂SiO₃水溶液、NaOH和Ca(OH)₂组成，其中，Na₂SiO₃水溶液的固含量为34.5％，Na₂SiO₃水溶液和NaOH所组成的碱激发剂的模数为1.2～1.4。

7.如权利要求1至6中任一项所述的胶凝材料的应用。

8.如权利要求1至6中任一项所述的胶凝材料在混凝土或砂浆中的应用。

9.混凝土，其特征在于，所述混凝土用如权利要求1至6中任一项所述的胶凝材料制备而成。