CN114685069A - 一种硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料及其制备方法与应用，解决了现有技术中往往采用单一的硫酸盐激发剂对粉煤灰进行激活，不能充分激发粉煤灰活性，粉煤灰活性效果不明显且水泥用量较的技术问题。它包括40%‑80%粉煤灰、6%‑30%硫酸盐激发剂和10%‑30%矿渣；所述硫酸盐激发剂为硫酸钠和硫酸钙复合激发剂。本发明使用硫酸盐激发剂，与液体激发剂相比方便运输，使用便捷；减少水泥、熟料的用量。
Description
技术领域
本发明涉及粉煤灰综合利用的技术领域，具体涉及一种硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料的制备方法与应用。
背景技术
粉煤灰所具有的潜在火山灰活性是其作为建筑材料资源的主要原因，但其潜在的火山灰活性需要激发才能得以发挥。粉煤灰活性激发方法大致有碱激发、酸激发和盐激发，在盐激发中使用最普遍和效果较好的是硫酸盐激发。
现有的碱激发粉煤灰胶凝材料制备方法，通常利用液体的碱激发剂，激发粉煤灰中活性成分，制备胶凝材料。这种方法因为使用了液体激发剂，在运输、使用过程中不方便，且液固反应太快，工程应用中实际操作时间较短。
我国粉煤灰多为低钙灰，CaO含量一般在10％以下，与水泥熟料和天然火山灰相比CaO 含量过低。如果单独采用硫酸盐和粉煤灰混合加水，随着硫酸盐增加，经多次试验发现28 天乃至更长时间均不能凝结，因此硫酸盐单独激发粉煤灰活性效果不明显，必须在复合硫酸盐激发的条件下，才能充分激发粉煤灰活性，复合硫酸盐激发剂促使粉煤灰活性激发，水化生成CSH和钙矾石晶体,且不断成长、完善,使得***浆体的强度不断增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料及其制备方法与应用，以解决现有技术中采用单一的硫酸盐激发剂对粉煤灰进行激活不能充分激发粉煤灰早期活性，使得粉煤灰胶凝材料强度达不到工程使用要求，造成水泥用量较多的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的一种硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料，包括下述重量百分比的化学组分：40％-80％粉煤灰、6％-30％硫酸盐激发剂和10％-30％矿渣；
所述硫酸盐激发剂为硫酸钠和硫酸钙的复合激发剂。
可选或优选的，所述粉煤灰比表面积300-500m2/kg，所述粉煤灰中氧化钙含量为3％-10％。
可选或优选的，所述矿渣比表面积为300-500m2/kg。
可选或优选的，所述硫酸钙密度2-3g/cm3，比表面积100-300m2/kg。
可选或优选的，所述粉煤灰、硫酸盐激发剂、矿渣和水泥的重量比为：粉煤灰：硫酸盐激发剂：矿渣：水泥＝40-80：6-30：10-30：20-50。
可选或优选的，所述粉煤灰与硫酸盐激发剂的重量百分比为28.5％-37％：4％-7％，所述硫酸盐激发剂中硫酸钠：硫酸钙两种化学组分的质量比为1：3至2：5。
可选或优选的，所述粉煤灰和硫酸盐激发剂的重量比为：粉煤灰：硫酸盐激发剂＝100： 13.64。
本发明提供的一种硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料的制备方法，包括下述的步骤：
S1制备硫酸盐激发剂；
S3硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料搅拌，将粉煤灰、硫酸盐激发剂、矿渣按照比例放置在混合筒内进行混合，并通过搅拌器加水和水泥或熟料对其进行搅拌，常温下，通过硫酸盐激发剂的激发形成胶凝性能，并形成胶凝材料；
S4硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料检验，对硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料的技术性能指标进行检测。
本发明提供的一种硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料在混凝土中的应用。
基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：
(1)本发明提供的一种硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料及其制备方法与应用，使用复合硫酸盐激发剂，首先常用的激发剂多为液体激发剂，硫酸盐激发剂为固体与液体激发剂相比方便运输和储存，使用便捷；其次其中一种硫酸盐激发剂为工业固体废弃物，增加此种硫酸盐激发剂的使用可减少处置费用；最后硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料与普通胶凝材料相比可直接减少50％水泥、熟料的用量。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。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。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
本发明提供了一种硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料，包括下述重量百分比的化学组分： 40％-80％粉煤灰、6％-30％硫酸盐激发剂和10％-30％矿渣；
所述硫酸盐激发剂为硫酸钠和硫酸钙的复合激发剂。
所述粉煤灰是指从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物。中国火电厂粉煤灰的主要氧化物组成为：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。大量的粉煤灰不加处理，就会产生扬尘，污染大气；若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害，但粉煤灰可资源化利用，如作为混凝土的掺合料等。
所述矿渣为矿石经过选矿或冶炼后的残余物，工业生产中，矿渣发挥着着重要的作用，利用矿渣制成提炼加工为矿渣水泥、矿渣微粉、矿渣粉、矿渣硅酸盐水泥、矿渣棉、高炉矿渣、粒化高炉矿渣粉、铜矿渣、矿渣立磨。若矿渣不做处理的话，对于空气有一定的污染，多年于矿井工作人员也容易由矿渣引起呼吸道疾病。作为可选的实施方式，所述粉煤灰比表面积300-500m2/kg，所述粉煤灰中氧化钙含量为3％-10％。
作为可选的实施方式，所述矿渣比表面积为300-500m2/kg。
作为可选的实施方式，所述硫酸钙密度2-3g/cm3，比表面积100-300m2/kg。
作为可选的实施方式，所述粉煤灰、硫酸盐激发剂、矿渣和水泥的重量比为：粉煤灰：硫酸盐激发剂：矿渣：水泥＝40-80：6-30：10-30：20-50。
作为可选的实施方式，所述粉煤灰与硫酸盐激发剂的重量百分比为28.5％-37％：4％-7％，所述硫酸盐激发剂中硫酸钠：硫酸钙两种化学组分的质量比为1：3至2：5。
经过研发人员的努力，发现当两种激发剂的比在3:10至5:10之间时激发效果最好， 28天抗压强度值比较接近水泥基准组的28天抗压强度值，因此两种激发剂的最佳比例为 30％-50％，激发剂在胶凝材料中的最佳用量为4.5％-6.5％。
作为可选的实施方式，所述粉煤灰和硫酸盐激发剂的重量比为：粉煤灰：硫酸盐激发剂＝100：13.64。
本申请发明人通过大量探索发现，粉煤灰和固体激发剂的重量比在上述范围内时，得到的胶凝材料的性能最好。
本发明提供的一种硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料的制备方法，包括下述的步骤：
S1制备硫酸盐激发剂；
S3硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料搅拌，将粉煤灰、硫酸盐激发剂、矿渣按照比例放置在混合筒内进行混合，并通过搅拌器加水和水泥或熟料对其进行搅拌，常温下，通过硫酸盐激发剂的激发形成胶凝性能，并形成胶凝材料；
S4硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料检验，对硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料的技术性能指标进行检测。
本发明提供的一种硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料在混凝土中的应用。
本申请设置了20组实施例，其中实施例1-8为单一添加硫酸盐激发剂的实施例，实施例9-20为组合添加具有两种化学组分的硫酸盐激发剂的实施例，空白例1-3为不添加任何组分的三组空白对照实验。其中，各组实施例以及空白例中的硫酸盐激发剂、矿渣和粉煤灰的重量比例如表1所示，所述混合材料的总重量为225g：
表1具体实施例的重量比
其中，如实施例1中，其硫酸盐激发剂的加入量为3/(3+5+42)*225g＝13.5g，矿渣的加入量按照相同的办法计算为22.5g，粉煤灰的加入量按照相同的办法计算为189g；
实施例9中，硫酸钠：硫酸钙＝1：3，所述硫酸钠的的质量为1/(1+3+9+37)*225g＝4.5g，所述硫酸钙的加入按照相同的办法计算为13.5g，所述矿渣的加入量按照相同的办法计算为 40.5g，粉煤灰的加入量按照相同的办法计算为166.5g；
实施例1-8表1中所述实施例1-8中硫酸盐激发剂具体制备方法如下：
原料：硫酸盐为硫酸钠、硫酸钙的任意一种进行选取；
具体的制备方法包括下述的几个步骤：
(1)取3％-11％硫酸盐激发剂；
(2)分别称取5％-15％矿渣、24％-42％粉煤灰、225g水、225g水泥和1350g标准砂到胶砂用搅拌机中，充分混合后得水泥胶砂材料；
(3)成型转移到养护箱中，在湿度90％以上，温度20℃下养护24h，得到成型的硫酸盐激发胶凝材料样品，然后脱模在水中养护至性能测试。
实施例5-20
所述表1中的实施例5-20中所述硫酸盐激发剂为复合激发剂具体制备方法如下：
原料：所述硫酸盐激发剂中的比例为硫酸钠：硫酸钙；
具体的制备方法实施方法包括下述的几个步骤：
(1)取比例1：3到2：11硫酸盐进行混合制备激发剂；
(2)将粉煤灰和矿渣放入球磨机中进行球磨，得到所需比表面积(单独粉磨：将各原材料单独粉磨至，粉煤灰和矿渣300-500m2/kg；半混磨—各原料单独粉磨后再混磨10min，所得混合粉比表面积约300-500m2/kg；全混磨—各原料混合粉磨至比表面积约300-500m2/kg；
(3)分别称取4％-13％步骤(1)中制得激发剂、5％-15％矿粉、24％-42％粉煤灰、225g水、 225g水泥和1350g标准砂到胶砂用搅拌机中，充分混合后得水泥胶砂材料；
(4)成型转移到养护箱中，在湿度90％以上，温度20℃下养护24h，得到成型的硫酸盐激发胶凝材料样品，然后脱模在水中养护至性能测试。
空白例1-3
所述表1中的空白例1-3中所述硫酸盐激发剂均未添加，更为具体的：
空白1：分别称取50％粉煤灰、225g水、225g水泥和1350g标准砂；
空白2：分别称取50％矿渣、225g水、225g水泥和1350g标准砂；
空白3：分别称取225g水、450g水泥和1350g标准砂；
具体的制备方法实施方法包括下述的几个步骤：
将材料装入搅拌机中，充分混合后得水泥胶砂材料；成型转移到养护箱中，在湿度90％以上，温度20℃下养护24h，得到成型的硫酸盐激发胶凝材料样品，然后脱模在水中养护至性能测试。
产品应用于混凝土的强度测试
利用以上实施例1-20及空白例1-3制备的硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料与标准砂制备标准砂浆，并分别将制备出的标准砂浆进行养护3天、7天、28天，测试养护后混凝土的3天、 7天、28天强度测试。
试验标准：根据国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081中混凝土的强度测试方法。
试验结果：实施例1-20以及空白例1-3测试所得到的3天、7天和28天的抗压强度试验结果如表2所示：
表2实施例1-20及空白例1-3的测试结果
如表1和表2所示，不加入激发剂单一的粉煤灰胶凝材料的空白例中混凝土的强度并不能满足工程施工要求，特别是28天强度仅为27.4Mpa，不能达到C40混凝土强度要求。实例 1-4硫酸钙作为激发剂时，随着加入量的增加，胶凝材料的强度逐渐降低，实例5-8硫酸钠作为激发剂时，加入量3％-6％时，胶凝材料的强度达到最大，达到C40混凝土强度要求。当两种激发剂的比在3:10至5:10之间时激发效果最好，28天抗压强度值比较接近水泥基准组的28天抗压强度值，因此两种激发剂的最佳比例为30％-50％，激发剂在胶凝材料中的最佳用量为4.5％-6.5％，复合硫酸盐激发剂用量少于单一硫酸钠作为激发剂的用量。
本发明提供的一种硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料及其制备方法与应用，使用复合硫酸盐激发剂，首先常用的激发剂多为液体激发剂，硫酸盐激发剂为固体与液体激发剂相比方便运输和储存，使用便捷；其次其中一种硫酸盐激发剂为工业固体废弃物，增加此种硫酸盐激发剂的使用可减少处置费用；最后硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料与普通胶凝材料相比可直接减少 50％水泥、熟料的用量。
如果单独采用硫酸盐和粉煤灰混合加水，随着硫酸盐增加，经多次试验发现28天乃至更长时间均不能凝结，因此硫酸盐单独激发粉煤灰活性效果不明显，必须在复合硫酸盐激发的条件下，才能充分激发粉煤灰活性，复合硫酸盐激发剂促使粉煤灰活性激发，水化生成CSH 和钙矾石晶体,且不断成长、完善,使得***浆体的强度不断增加。
所述液体激发剂包括水玻璃和氢氧化物碱性溶液，硅酸钠是无色、透明的粘稠状固体。硅酸钠由石英砂与碳酸钠煅烧而成；溶于水呈碱性，其透明的浆状溶液称为水玻璃；氢氧化物是指金属阳离子或铵根离子与氢氧原子团(—OH)形成的无机化合物，也叫作碱，是金属元素(包括铵)的氢氧化物。主要采用易溶于水的氢氧化物，易溶的碱金属、碱土金属氢氧化物多数为强碱，如氢氧化钠NaOH、氢氧化钾KOH、氢氧化钡、氢氧化锂LiOH、氢氧化锶等。
利用液体的碱激发剂，激发粉煤灰中活性成分，制备胶凝材料。然而液体激发剂在运输、使用过程中存在不方便的缺陷，且液固反应速度太快，工程应用中实际操作时间较短。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料，其特征在于，包括下述重量百分比的化学组分：40%-80%粉煤灰、6%-30%硫酸盐激发剂和10%-30%矿渣；
所述硫酸盐激发剂为硫酸钠和硫酸钙的复合激发剂。
2.根据权利要求1所述的一种硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料，其特征在于：所述粉煤灰比表面积300-500m 2 /kg，所述粉煤灰中氧化钙含量为3%-10%。
3.根据权利要求1所述的一种硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料，其特征在于：所述矿渣比表面积为300-500m 2 /kg。
4.根据权利要求1所述的一种硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料，其特征在于：所述硫酸钙密度2-3 g/cm3，比表面积100-300m 2 /kg。
5.根据权利要求1所述的一种硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料，其特征在于：所述粉煤灰、硫酸盐激发剂、矿渣和水泥的重量比为：粉煤灰：硫酸盐激发剂：矿渣：水泥=40-80：6-30：10-30：20-50。
6.根据权利要求1所述的一种硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料，其特征在于：所述粉煤灰与硫酸盐激发剂的重量百分比为28.5%-37%：4%-7%，所述硫酸盐激发剂中硫酸钠：硫酸钙质量比为1：3至2：5。
7.根据权利要求1所述的一种硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料，其特征在于：所述粉煤灰和硫酸盐激发剂的重量比为：粉煤灰：硫酸盐激发剂＝100：13.64。
8.根据权利要求1所述的一种硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括下述的步骤：
S1制备硫酸盐激发剂；
S3硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料搅拌，将粉煤灰、硫酸盐激发剂、矿渣按照比例放置在混合筒内进行混合，并通过搅拌器加水和水泥或熟料对其进行搅拌，常温下，通过硫酸盐激发剂的激发形成胶凝性能，并形成胶凝材料；
S4硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料检验，对硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料的技术性能指标进行检测。
9.根据权利要求1所述的一种硫酸盐激发粉煤灰胶凝材料在混凝土中的应用。
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