CN112390578A - Cnf增强钢渣基地质聚合物胶凝材料、成型体及其制备和应用 - Google Patents

Cnf增强钢渣基地质聚合物胶凝材料、成型体及其制备和应用 Download PDF

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CN112390578A CN202011281055.6A CN202011281055A CN112390578A CN 112390578 A CN112390578 A CN 112390578A CN 202011281055 A CN202011281055 A CN 202011281055A CN 112390578 A CN112390578 A CN 112390578A
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Abstract

本发明涉及一种CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料、成型体及其制备和应用，其中CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料包括以下重量份的各组分：钢渣50～70份；水玻璃5～7份；NaOH 0.8～1.2份；水20～30份；还包括CNF，所述CNF的质量为钢渣质量的0.1～0.5％。与现有技术相比，本发明所提供的CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料，其制备获得的成型体具有更佳的综合力学性能，能更好地实现地质聚合物材料在建筑工程材料领域的应用，也为钢渣的资源化利用提供了新方向，具有良好的产业化前景。

Description

CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料、成型体及其制备和应用
技术领域
本发明涉及环保型建筑材料领域，尤其是涉及一种CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料、成型体及其制备方法和应用。
背景技术
钢渣是炼钢厂粗钢冶炼过程中排放的固体废弃物，主要成分是氧化钙、氧化铁、二氧化硅和氧化铝。由于钢铁产业的迅速发展和钢渣的利用率较低，我国拥有大量的堆积钢渣，这不仅占用宝贵的土地，而且污染环境。地质聚合物材料是指以粉煤灰、高岭土、冶金矿渣、工业废渣等含硅铝氧化合物的矿物和固体废弃物为原料，经碱液激发，发生地质聚合反应，形成的新型绿色胶凝材料。
与硅酸盐水泥材料相比，地质聚合物不仅原料来源广泛、生产能耗低、能实现固废利用，而且强度高、耐酸碱腐蚀、耐火耐高温。钢渣富含硅铝矿物，且经高温煅烧过程，具有一定活性，如果能将钢渣作为一种地质聚合物原料进行固废利用，并代替部分水泥应用到建筑工程领域，必将给“资源节约型”和“环境友好型”社会做出巨大的贡献。但是钢渣成分复杂、活性较低，经碱激发制备的地质聚合物可能存在强度较低，脆性较大，韧性不足的缺点。
因此如何通过增韧补强提高其力学性能，并突出环保优势，是钢渣基地质聚合物材料推广应用的重要问题。
CN1286766C公开了一种无水泥熟料的碱胶凝材料，由钢渣-偏高岭土复合胶凝材料，由钢渣、偏高岭土、水玻璃溶液、硫酸钠、氟化钠混合而成。该技术方案的缺陷为：偏高岭土作为高岭石矿产的煅烧产品，相比水泥，其环保优势并不明显，其中的胶凝材料的配比规律是，抗压强度随着偏高岭土占比的提升而逐渐提高，因此在胶凝材料强度较高时，偏高岭土占比很高，钢渣占比较少；且该技术方案需要用到大量的水玻璃溶液、硫酸钠和氟化钠作为碱性激发剂，这些碱激发剂的生产也需要耗费能源和排放污染物，因此本发明中的胶凝材料的环保优势并不突出，对当前需要解决的技术问题没有借鉴意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料及其制备方法和应用，以此获得的成型体具有更佳的综合力学性能，能更好地实现地质聚合物材料在建筑工程材料领域的应用，也为钢渣的资源化利用提供了新方向。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明中CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料，包括以下重量份的各组分：
Figure BDA0002780788430000021
还包括CNF，所述CNF的质量为钢渣质量的0.1～0.5％。
进一步地，所述CNF的长度为1～15μm，所述CNF的横截面的直径为50～200nm。
进一步地，所述钢渣的平均粒径15～25μm。
进一步地，所述钢渣中CaO的含量为30～40wt％、Fe2O3的含量为22～28wt％、SiO2的含量为13～17wt％、MgO的含量为5～9wt％、Al2O3的含量为4～6wt％。
进一步优选地，所述钢渣中CaO的含量为33～37wt％、Fe2O3的含量为24～26wt％、SiO2的含量为14～16wt％、MgO的含量为6～8wt％、Al2O3的含量可以为5～6wt％。
进一步优选地，所述胶凝材料中，钢渣的主要成分可以包括CaO、Fe2O3、SiO2、MgO、Al2O3等。其中，CaO的含量可以为30～40wt％、Fe2O3的含量可以为22～28wt％、SiO2的含量可以为13～17wt％、MgO的含量可以为5～9wt％、Al2O3的含量可以为4～6wt％。优选的，CaO的含量可以为33～37wt％、Fe2O3的含量可以为24～26wt％、SiO2的含量可以为14～16wt％、MgO的含量可以为6～8wt％、Al2O3的含量可以为5～6wt％。钢渣通常还需要具有合适的烧失量、比表面积和粒径等，
进一步优选地，所述钢渣的烧失量为2～5％，比表面积为0.5～1m2/g，粒径d(0.1)为4～6μm、d(0.5)为15～25μm、d(0.9)为70～90μm。
进一步优选地，本发明所提供的CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料中，按重量份计，可以包括50～55份、55～60份、60～65份、或65～70份钢渣粉，优选可以包括55～65份钢渣粉，所述钢渣粉通常是以粗钢冶炼过程中排放的废渣。
进一步地，所述水玻璃的模数为3.1～3.4。
进一步地，所述水为蒸馏水。
本发明还保护CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将CNF和钢渣在球磨机中球磨，使钢渣磨细成为钢渣粉，并使CNF在钢渣粉中均匀分散，获得分散均匀的CNF与钢渣粉混合体；
(2)将NaOH、水玻璃、余量的水混合均匀，以提供碱性激发剂；
(3)将步骤(1)所提供的CNF和钢渣粉混合体与步骤(2)所提供的碱性激发剂混合均匀；
(4)将步骤(3)所提供的浆体注入模具、养护、脱模，以提供所述成型体。
进一步地，步骤(4)中养护的温度条件为20～30℃。
本发明还保护CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料在建筑工程材料制备领域的用途。本申请所提供的CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料可以用于制备建筑工程材料，所述CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料在硬化以后可以形成具有良好力学性能的成型体，可作为承重材料和/或补强材料等。
本发明还保护一种由上述CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料制备的成型体。
与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
1)本发明所提供的CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料，制备获得的成型体具有更佳的综合力学性能，3d抗压强度可以达到15MPa以上，3d抗折强度可以达到3MPa以上；7d抗压强度可以达到17MPa以上，7d抗折强度可以达到3.5MPa以上；28d抗压强度可以达到19MPa以上，28d抗折强度可以达到4MPa以上，当与未添加CNF的材料相比，3d抗压强度可以提高41％以上、抗折强度可以提高6％以上；7d抗压强度可以提高50％以上、抗折强度可以提高30％以上；28d抗压强度可以提高58％以上、抗折强度可以提高25％以上。
2)本发明通过胶凝材料制备获得的成型体具有更佳的力学性能，且由于钢渣基地质聚合物本身具有的环保优势，可为地质聚合物材料在建筑工程材料领域提供更好的应用，具有良好的产业化前景。
附图说明
图1显示为本发明实施例1中不同龄期的抗压强度分析结果示意图。
图2显示为本发明实施例1中不同龄期的抗折强度分析结果示意图。
图3显示为本发明实施例2中不同龄期的抗压强度分析结果示意图。
图4显示为本发明实施例2中不同龄期的抗折强度分析结果示意图。
具体实施方式
本发明所提供的制备方法中，本领域技术人员可选择合适的方法，通过所述CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料的各个原料，制备所述成型体。例如，在制备过程中，CNF与钢渣在混合时，可以采用试验磨球磨的方法，以将小粒径钢渣磨细成钢渣粉，并将CNF均匀地分散在钢渣粉中，形成均匀的CNF与钢渣粉混合体；再例如，养护的温度条件可以为室温，优选的，养护的温度条件可以为20～30℃。
作为本技术方案核心技术构思的一部分，通过将CNF与特定比例的2～5mm钢渣在试验磨中球磨，所提供的CNF与钢渣粉混合体，与一定比例的水玻璃、NaOH和水配制的碱性激发剂混合均匀后，即可提供CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料。所述CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料中，以胶凝材料为基体、并掺入CNF纤维对基体进行增强增韧，在胶凝材料水硬化以后，获得的成型体具有更佳的综合力学性能。
作为本技术方案核心技术构思的一部分，本发明所提供的CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料中，按重量份计，可以包括5.5～6.0份、6.0～6.5份、或6.5～7.0份水玻璃，优选可以包括5.5～6.5份水玻璃。所述水玻璃通常指由碱金属氧化物和二氧化硅结合而成的可溶性碱金属硅酸盐材料所形成的水溶液，水玻璃可根据碱金属的种类通常可以包括钠水玻璃和钾水玻璃，其溶质的分子式分别为Na2O·nSiO2和K2O·nSiO2，式中的系数n为水玻璃模数。合适的适用于建筑材料领域的水玻璃的浓度对于领域技术人员来说应该是已知的，例如，所述水玻璃中，碱金属氧化物的浓度可以为≥8.2wt％；再例如，所述水玻璃中，二氧化硅的浓度可以为≥26.0wt％；再例如，所述水玻璃的水玻璃模数为3.1～3.4。所述胶凝材料中，水玻璃主要用于与NaOH、水一起形成碱性激发剂，以激发钢渣的地质聚合反应和水化反应。在碱性激发剂中，水玻璃主要的作用是提供硅酸根离子和硅氧低聚体。
作为本技术方案核心技术构思的一部分，本发明所提供的CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料中，按重量份计，可以包括0.8～0.9份、0.9～1.0份、1.0～1.1份或1.1～1.2份NaOH，优选可以包括0.9～1.1份NaOH。所述胶凝材料中，NaOH主要用于与水玻璃、水一起形成碱性激发剂，以激发钢渣的地质聚合反应和水化反应。在碱性激发剂中，NaOH的氢氧根离子可以用来溶解钢渣中的硅和铝，以进行之后的地质聚合反应和水化反应。
作为本技术方案核心技术构思的一部分，本发明所提供的CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料中，按重量份计，可以包括20～22份、22～24份、24～26份、26～28份、或28～30份水，优选可以包括23～27份水。所述胶凝材料中，水主要是作为碱性激发剂的溶剂，以激发钢渣的地质聚合反应和水化反应。所述水通常可以选自蒸馏水。
作为本技术方案核心技术构思的一部分，本发明所提供的CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料中，可以包括CNF(碳纳米纤维)，所述CNF的质量可以为钢渣质量的0.1～0.2％、0.2～0.3％、0.3～0.4％、或0.4～0.5％。所述CNF主要可以在胶凝材料硬化以后，增强其材料的力学强度。所述CNF通常需要具有合适的长径比，其原因在于纤维增强复合胶凝材料的韧性在很大程度上取决于纤维的长径比，随着纤维的长径比增加，裂纹弯曲的增韧效果随之增强，但是长径比过高会大幅度增加纤维的制作成本，且会导致分散的难度增加，例如，所述CNF的横截面的直径可以为50～200nm、50～70nm、70～90nm、90～110nm、110～130nm、130～150nm、150～170nm、或170～200nm，再例如，所述CNF的长度可以为1～15μm、1～2μm、2～3μm、3～5μm、5～7μm、7～9μm、9～11μm、11～13μm、或13～15μm。
本发明中提供的成型体的制备方法，包括：
(1)将CNF和2～5mm钢渣在球磨机中球磨，使钢渣磨细成为钢渣粉，并使CNF在钢渣粉中均匀分散，形成分散均匀的CNF与钢渣粉混合体；
(2)将NaOH、水玻璃、余量的水混合均匀，以提供碱性激发剂；
(3)将步骤(1)所提供的CNF和钢渣粉混合体与步骤(2)所提供的碱性激发剂混合均匀；
(4)将步骤(3)所提供的浆体注入模具、养护、脱模，以提供所述成型体，所述成型体可以是CNF增强钢渣基地质聚合物。
本发明所提供的制备方法中，本领域技术人员可选择合适的方法，通过所述CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料的各个原料，制备所述成型体。例如，在制备过程中，CNF与钢渣在混合时，可以采用试验磨球磨的方法，以将小粒径钢渣磨细成钢渣粉，并将CNF均匀地分散在钢渣粉中，形成均匀的CNF与钢渣粉混合体；再例如，养护的温度条件可以为室温，优选的，养护的温度条件可以为20～30℃。
本发明所提供的CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料，其制备获得的成型体具有更佳的综合力学性能，3d抗压强度可以达到15MPa以上，3d抗折强度可以达到3MPa以上；7d抗压强度可以达到17MPa以上，7d抗折强度可以达到3.5MPa以上；28d抗压强度可以达到19MPa以上，28d抗折强度可以达到4MPa以上，当与未添加CNF的材料相比，3d抗压强度可以提高41％以上、抗折强度可以提高6％以上；7d抗压强度可以提高50％以上、抗折强度可以提高30％以上；28d抗压强度可以提高58％以上、抗折强度可以提高25％以上。总体来说，通过所述胶凝材料制备获得的成型体具有更佳的力学性能，且由于钢渣基地质聚合物本身具有的环保优势，可为地质聚合物材料在建筑工程材料领域提供更好的应用，具有良好的产业化前景。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
选用河北省石家庄市灵寿县泰圳矿产品加工厂所生产的小粒径(2～5mm)钢渣，其主要化学组成为36.54％CaO，24.56％Fe2O3，15.64％SiO2，7.39％MgO，5.43％Al2O3，4.54％MnO，2.62％P2O5，1.75％TiO2，1.53％其他成分，烧失量为3.63％(均为质量百分比)；上海阿拉丁生化科技股份有限公司的分析纯NaOH；山东优索化工厂的工业水玻璃，模数3.3，其主要化学组成为8.11％Na2O，5.89％SiO2，66％H2O；南京先丰纳米材料科技有限公司的XFM60CNF(直径50～200nm、长度1～15μm、纯度≥95％)，掺量为钢渣质量的0.1％；蒸馏水；选用江苏无锡建议SM-500试验磨，转速为48r/min。
本实施例中制备方法包括以下步骤：
(1)将3g CNF和3000g钢渣加入试验磨中球磨0.5h，获得均匀分散的CNF和钢渣粉混合体；
(2)将385g水玻璃、65g NaOH、和530g蒸馏水混合搅拌均匀，冷却24h备用，获得碱性激发剂；
(3)将步骤(1)所提供的CNF和钢渣粉混合体与步骤(2)所得的碱性激发剂加入水泥搅拌机中，快搅2min，慢搅2min，然后将浆体注入模具，根据气泡释放程度振动1-2min，刮平并用塑料薄膜包裹；
(4)在室温(20℃～30℃)下养护24h后脱模，再次用塑料薄膜包裹在室温下养护至龄期；
(5)测试本实施例所获得的CNF增强钢渣基地质聚合物的抗压强度及抗折强度。
将步骤(5)获得的CNF增强钢渣基地质聚合物的抗压和抗折强度，抗压强度和抗折强度的测试方法参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》JGJ/T70-2009，与相同碱激发剂配比下(仅在钢渣球磨过程中未加入CNF)的钢渣基地质聚合物的强度进行对比，结果如图1和图2所示。
实施例2
本实施例选用河北省石家庄市灵寿县泰圳矿产品加工厂所生产的小粒径(2～5mm)钢渣，其主要化学组成为36.54％CaO，24.56％Fe2O3，15.64％SiO2，7.39％MgO，5.43％Al2O3，4.54％MnO，2.62％P2O5，1.75％TiO2，1.53％其他成分，烧失量为3.63％(均为质量百分比)；上海阿拉丁生化科技股份有限公司的分析纯NaOH；山东优索化工厂的工业水玻璃，模数3.3，其主要化学组成为8.11％Na2O，5.89％SiO2，66％H2O；南京先丰纳米材料科技有限公司的XFM60CNF(直径50～200nm、长度1～15μm、纯度≥95％)，掺量为钢渣质量的0.5％；蒸馏水；选用江苏无锡建议SM-500试验磨，转速为48r/min。
本实施例中的CNF增强钢渣基地质聚合物，通过如下方法制备得到：
(1)将15g CNF和3000g钢渣加入试验磨中球磨0.5h，获得均匀分散的CNF和钢渣粉混合体；
(2)将385g水玻璃、65g NaOH、和530g蒸馏水混合搅拌均匀，冷却24h备用，获得碱性激发剂；
(3)将步骤(1)所提供的CNF和钢渣粉混合体与步骤(2)所得的碱性激发剂加入水泥搅拌机中，快搅2min，慢搅2min，然后将浆体注入模具，根据气泡释放程度振动1-2min，刮平并用塑料薄膜包裹；
(4)在室温(20℃～30℃)下养护24h后脱模，再次用塑料薄膜包裹在室温下养护至龄期；
(5)测试本实施例所获得的CNF增强钢渣基地质聚合物的抗压强度及抗折强度。
将步骤(5)获得的CNF增强钢渣基地质聚合物的抗压和抗折强度，抗压强度和抗折强度的测试方法参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》JGJ/T70-2009，与相同碱激发剂配比下(仅在钢渣球磨过程中未加入CNF)的钢渣基地质聚合物的强度进行对比，结果如图3和图4所示。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而且具有高度产业利用价值。
对比例1
CN1286766C公开了一种无水泥熟料的碱胶凝材料。钢渣-偏高岭土复合胶凝材料，由钢渣、偏高岭土、水玻璃溶液、硫酸钠、氟化钠混合而成，其各组份质量配比为：钢渣∶偏高岭土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝1∶0.1-9∶0.66-8∶0.033-0.3∶0.022-0.2；其中，钢渣的比表面积为400-650m2/kg，碱度＞1.2；偏高岭土为煤系高岭土在650-800℃条件下锻烧，比表面积为500-700m2/kg；水玻璃的模数为1.0-2.0，水玻璃的波美度33-44°。
本技术方案相比于对比例1，本技术方案中的生料全部使用固体废弃物材料钢渣，且碱性溶液中的氢氧化钠和水玻璃溶液占比(生料质量的15％)较小，CNF占比(生料质量的0.1％-0.5％)也极低，因此本发明中的胶凝材料的环保优势和力学性能十分突出，有效克服了现有技术中的种种缺点，而且具有高度产业利用价值。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地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揭示，不脱离本发明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 (10)

1.一种CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料，其特征在于，包括以下重量份的各组分：
Figure FDA0002780788420000011
还包括CNF，所述CNF的质量为钢渣质量的0.1～0.5％。
2.根据权利要求1所述的一种CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料，其特征在于，所述CNF的长度为1～15μm，所述CNF的横截面的直径为50～200nm。
3.根据权利要求1所述的一种CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料，其特征在于，所述钢渣的平均粒径15～25μm。
4.根据权利要求1所述的一种CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料，其特征在于，所述钢渣中CaO的含量为30～40wt％、Fe2O3的含量为22～28wt％、SiO2的含量为13～17wt％、MgO的含量为5～9wt％、Al2O3的含量为4～6wt％。
5.根据权利要求4所述的一种CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料，其特征在于，所述钢渣中CaO的含量为33～37wt％、Fe2O3的含量为24～26wt％、SiO2的含量为14～16wt％、MgO的含量为6～8wt％、Al2O3的含量可以为5～6wt％。
6.根据权利要求4所述的一种CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料，其特征在于，所述钢渣的烧失量为2～5％，比表面积为0.5～1m2/g，粒径d(0.1)为4～6μm、d(0.5)为15～25μm、d(0.9)为70～90μm。
7.根据权利要求1所述的一种CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料，其特征在于，所述水玻璃的模数为3.1～3.4。
8.一种由权利要求1中CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料制备的成型体。
9.一种权利要求8中CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料成型体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将CNF和钢渣在球磨机中球磨，使钢渣磨细成为钢渣粉，并使CNF在钢渣粉中均匀分散，获得分散均匀的CNF与钢渣粉混合体；
(2)将NaOH、水玻璃、余量的水混合均匀，以提供碱性激发剂；
(3)将步骤(1)所提供的CNF和钢渣粉混合体与步骤(2)所提供的碱性激发剂混合均匀；
(4)将步骤(3)所提供的浆体注入模具、养护、脱模，以提供所述成型体。
10.一种权利要求1中CNF增强钢渣基地质聚合物胶凝材料在建筑工程材料中的应用。
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