CN115557722A - 一种钢渣促水化改性组合物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水泥处理助剂领域，尤其涉及一种钢渣促水化改性组合物及其制备方法。钢渣促水化改性组合物，以质量百分计，原料包括：硅酸金属盐10～30％，碳材料浆液5～20％，有机胺剂12～35，助剂1～5％，去离子水补充余量。本申请制备的组合物其能够有效解决现有的生产中钢渣在水泥和混凝土应用中所存在的问题，能够有效的提高钢渣加入之后，所制得的水泥等制品的耐磨性能，具有良好的助磨效果，有效减少静电团聚，消除钢渣安定性，促进钢渣水化。

Description

一种钢渣促水化改性组合物及其制备方法
技术领域
本发明涉及水泥处理助剂领域，尤其涉及一种钢渣促水化改性组合物及其制备方法。
背景技术
钢渣是粗铁炼钢时产生的固体废弃物。国家***数据表明，我国每生产3吨粗钢约排放1吨钢渣，钢渣排放量约为3亿吨。虽然钢渣具有较高的密实度和硬度，机油充当混凝土用粗、细骨料的潜质，但由于其含有一定量的游离氧化钙和游离氧化镁，存在体积安定性隐患。因此，目前钢渣尚未被大量的用作替代天然骨料应用在混凝土中。钢渣的化血成分与硅酸盐水泥熟料极为相似，有着“劣质水泥熟料”的称号。将钢渣进行粉磨，制备钢渣矿物掺合料替代部分水泥是实现钢渣高附加值应用的主要技术途径。由于钢渣中存在硬度较高的矿物相和韧性较强的单质，致使钢渣难磨难活化，传统的钢渣矿物掺合料中粒径在15～60um，其水泥取代量往往低于10％。
钢渣粉中的游离氧化钙和游离氧化镁在构建服役过程中会发生水化产生膨胀，虽然不至于使混凝土构件开裂，但是会增加其空隙率，降低其强度，影响其服役性能。随着环保要求的提高，为满足钢渣环保化处理及产品化利用的要求，急需解决钢渣在水泥和混凝土应用中所存在的问题。
因此，本申请中提供了一种钢渣促水化改性组合物，能够有效地促进钢渣水化。
发明内容
为了解决上述问题，本发明第一方面提供了一种钢渣促水化改性组合物，以质量百分计，原料包括：硅酸金属盐10～30％，碳材料浆液5～20％，有机胺剂12～35％，助剂1～5％，去离子水补充余量。
作为一种优选的方案，所述硅酸金属盐为硅酸钠、硅酸铝、硅酸锂、硅酸钾、硅酸镁中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述硅酸金属盐为硅酸钠。
作为一种优选的方案，所述碳材料浆液为石墨烯浆液、石墨浆液、氧化石墨烯浆液、碳粉浆液、碳量子点浆液、碳纳米管浆液中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述碳材料浆液为石墨烯浆液。
作为一种优选的方案，所述石墨烯浆液的制备方法包括以下步骤：称取0.2～3g的聚羧酸盐溶于50g水中直至其完全溶解；向上述水溶液中加入固体石墨烯0.5～5g并搅拌30～70min混合结束后，再向其中加入剩余水，使其总量为100g后，用剪切乳化机乳化0.2～2小时后，静置，使其不分层即得。
作为一种优选的方案，所述聚羧酸盐为聚羧酸钠。
作为一种优选的方案，所述聚羧酸盐与石墨烯的质量比为1:2。
作为一种优选的方案，所述有机胺为二异丙醇胺、三异丙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、四羟丙基乙二胺、四羟乙基乙二胺中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述钢渣促水化改性组合物中还包括有10～15wt％含量的改性氧化物纳米粒子；所述改性氧化物纳米粒子的制备方法为：(1)将丁二酸酐溶解于DMF溶液中，并加入一定量的(3-氨丙基)三乙氧基硅烷，在水浴温度60～80℃下加热搅拌1～2小时；(2)之后将含有氧化锌的DMF溶液，滴加进反应溶液，持续搅拌反应1～1.5小时后获得预处理氧化锌粒子；(3)将预处理氧化锌粒子与2-甲基咪唑和硝酸锌混合并加入的乙醇溶剂，在300～500W的水浴超声装置下超声聚合10～15小时，将得到的产物洗涤、干燥，得到改性氧化物纳米粒子。
作为一种优选的方案，所述丁二酸酐与(3-氨丙基)三乙氧基硅烷的质量比为3～5:1～2。
作为一种优选的方案，所述水浴超声装置下超声聚合反应时间为11～13小时。
作为一种优选的方案，所述改性氧化物纳米粒子的平均粒径为300～500nm。
本申请中，使用2-甲基咪唑和硝酸锌共同改性的氧化锌粒子能够有效提高组合物对于水泥的力学性能，耐湿性能以及耐脏性能的提高。本申请人发现改性后的氧化锌粒子在骨架材料上的配位负载形成了具有异质结结构复合粒子。骨架材料中电子的导带和价带均低于二氧化钛，这使得光生载流子被激发时可以在二氧化钛和骨架材料上进行流通，由于电子和电子空穴的正负性特性，电子在骨架材料的导带上聚集，电子空穴在二氧化钛上的价带进行聚集，不容易发生电子-空穴的复合现象，并缩小了二氧化钛的禁带距离，有效改善了二氧化钛在紫外光和可见光双波段的吸收性能。并且由于改性后的二氧化钛纳米粒子的单位粒子的表面粗糙度大幅度升高，表面能明显降低，二氧化钛粒子由之前表面带有4个羟基的亲水性纳米粒子变为疏水性的纳米粒子，能够有效改善最终水泥成品的防水吸湿性。
作为一种优选的方案，所述助剂为润湿剂、分散剂、表面活性剂、抗氧剂、耐紫外剂、防水剂、耐磨剂中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述分散剂为聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚乙二醇单硬脂酸脂、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠中的至少一种。
作为一种优选的方案，所述分散剂为聚乙二醇400或聚乙二醇600。
作为一种优选的方案，所述硅酸金属盐和碳材料浆液的质量比为15～20：7～13。
作为一种优选的方案，所述硅酸金属盐和碳材料浆液的质量比为16：11。
作为一种优选的方案，所述有机胺为三异丙醇胺，四羟乙基乙二胺，三乙醇胺，四羟丙基乙二胺；所述三异丙醇胺，四羟乙基乙二胺，三乙醇胺，四羟丙基乙二胺的质量比为4～8：1～3：5～11：2～4。
作为一种优选的方案，所述三异丙醇胺，四羟乙基乙二胺，三乙醇胺，四羟丙基乙二胺的质量比为5：2：8：3。
作为一种优选的方案，所述组合物在使用时其与钢渣的质量比为0.3～2:1000。
作为一种优选的方案，所述组合物在使用时其与钢渣的质量比为1:1000或0.3:1000。
本发明第二方面提供了一种上述钢渣促水化改性组合物的制备方法，步骤包括以下步骤：(1)将助剂与去离子水充分溶解，搅拌均匀；(2)将硅酸金属盐，碳材料浆液，有机胺剂混合加入混合液，500～800rpm转速下搅拌1～2小时，即得。
有益效果：
1、本申请中提供的一种钢渣促进水化改性组合物，其能够有效解决现有的生产中钢渣在水泥和混凝土应用中所存在的问题，能够有效的提高钢渣加入之后，所制得的水泥等制品的耐磨性能，具有良好的助磨效果，有效减少静电团聚，消除钢渣安定性，促进钢渣水化。
2、本申请中提供的一种钢渣促进水化改性组合物，其通过加入特定的石墨烯浆液，能够有效地消除钢渣粉中的游离的氧化钙和氧化镁水化膨胀而带来的膨胀裂纹影响，提高体系整体的开裂极限强度，增加体系整体密度，从而提高水泥制品整体的力学性能。
3、本申请中提供的一种钢渣促进水化改性组合物，其使用2-甲基咪唑和硝酸锌共同改性的氧化锌粒子能够有效提高组合物对于水泥的力学性能，耐湿性能以及耐脏性能的提高。
具体实施方式
实施例1
实施例1第一方面提供了一种钢渣促水化改性组合物，以质量百分计，原料包括：硅酸金属盐16％，碳材料浆液11％，有机胺剂22％，助剂3％，改性氧化物纳米粒子12％，去离子水补充余量。
其中，硅酸金属盐为硅酸钠；碳材料浆液为石墨烯浆液，其制备方法包括以下步骤：(1)称取1.5g的聚羧酸钠溶于50g水中直至其完全溶解；向上述水溶液中加入固体石墨烯3g并搅拌60min混合结束后，再向其中加入剩余水，使其总量为100g后，用剪切乳化机乳化1.5小时后，静置，使其不分层即得。
助剂为分散剂聚乙二醇400，购买自上海国药试剂公司出售的PEG-400产品。
有机胺为三异丙醇胺，四羟乙基乙二胺，三乙醇胺，四羟丙基乙二胺，质量比为5：2：8：3。
组合物在使用时其与钢渣的质量比为1:1000。
改性氧化物纳米粒子的制备方法为(以质量份计)：(1)将5份丁二酸酐溶解于60份DMF溶液中，并加入2份的(3-氨丙基)三乙氧基硅烷，在水浴温度60～80℃下加热搅拌1～2小时；(2)之后将含有1份氧化锌的50份DMF溶液，滴加进反应溶液，持续搅拌反应1.5小时后获得预处理氧化锌粒子；(3)将1份预处理氧化锌粒子与5份2-甲基咪唑和10份硝酸锌混合并加入的乙醇溶剂，在400W的水浴超声装置下超声聚合12小时，将得到的产物洗涤、干燥，得到改性氧化物纳米粒子。
改性氧化物纳米粒子的平均粒径为380nm。
本实施例第二方面提供了一种上述钢渣促水化改性组合物的制备方法，步骤包括以下步骤：(1)将助剂与去离子水充分溶解，搅拌均匀；(2)将硅酸金属盐，碳材料浆液，有机胺剂，改性氧化物纳米粒子混合加入混合液，550rpm转速下搅拌1.5小时，即得。
实施例2
本实施例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：三异丙醇胺，四羟乙基乙二胺，三乙醇胺，四羟丙基乙二胺的质量比为4：3：5：4。
对比例1
本对比例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：聚羧酸钠加入量为0.5g。
对比例2
本对比例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：三异丙醇胺，四羟乙基乙二胺，三乙醇胺，四羟丙基乙二胺的质量比为0：2：0：3。
对比例3
本对比例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：
性能评价
成型水泥强度测试：采用实施例和对比例制得组合物，以千分之1的用量加入处理后钢渣粉到水泥中进行成型，并且在成型后测试水泥的3天、28天抗折强度和抗压强度，使用水泥为上峰水泥P0425(对照例)，每个实施例对比例测试5个试样，测得的数值的平均值记入表1。
表面水接触角测试：对上述成型后的水泥进行取样座滴法检测表面水接触角，检测液滴为2微升，水泥厚度为10mm，计算表面水接触角度，结果取5次平均值记入表2。
钢渣粉细度和比表面积：采用实施例和对比例中的方案对于钢渣粉料进行同法研磨，记录相应细度百分比和最终比表面积，结果取5次平均值记入表2。。
表1
Figure BDA0003746843910000081
表2
实施例 表面水接触角(°) 细度(％) 比表面积(m<sup>2</sup>/g)
对照例 58.7 12.16 437
实施例1 92.4 13.76 498
实施例2 89.5 12.94 486
对比例1 64.5 11.84 454
对比例2 68.9 11.61 441
通过实施例1～2、对比例1～2和表1可以得知，本发明提供的一种钢渣促水化改性组合物，其能够有效解决现有的生产中钢渣在水泥和混凝土应用中所存在的问题，能够有效的提高钢渣加入之后，所制得的水泥等制品的耐磨性能，具有良好的助磨效果，有效减少静电团聚，消除钢渣安定性，促进钢渣水化。

Claims (10)

1.一种钢渣促水化改性组合物，其特征在于：以质量百分计，原料包括：硅酸金属盐10～30％，碳材料浆液5～20％，有机胺剂12～35％，助剂1～5％，去离子水补充余量。
2.根据权利要求1所述的钢渣促水化改性组合物，其特征在于：所述硅酸金属盐为硅酸钠、硅酸铝、硅酸锂、硅酸钾、硅酸镁中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的钢渣促水化改性组合物，其特征在于：所述碳材料浆液为石墨烯浆液、石墨浆液、氧化石墨烯浆液、碳粉浆液、碳量子点浆液、碳纳米管浆液中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的钢渣促水化改性组合物，其特征在于：所述有机胺为二异丙醇胺、三异丙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、四羟丙基乙二胺、四羟乙基乙二胺中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的钢渣促水化改性组合物，其特征在于：所述助剂为润湿剂、分散剂、表面活性剂、抗氧剂、耐紫外剂、防水剂、耐磨剂中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的钢渣促水化改性组合物，其特征在于：所述分散剂为聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚乙二醇单硬脂酸脂、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的钢渣促水化改性组合物，其特征在于：所述硅酸金属盐和碳材料浆液的质量比为15～20：7～13。
8.根据权利要求7所述的钢渣促水化改性组合物，其特征在于：所述有机胺为三异丙醇胺，四羟乙基乙二胺，三乙醇胺，四羟丙基乙二胺；所述三异丙醇胺，四羟乙基乙二胺，三乙醇胺，四羟丙基乙二胺的质量比为4～8：1～3：5～11：2～4。
9.根据权利要求8所述的钢渣促水化改性组合物，其特征在于：所述组合物在使用时其与钢渣的质量比为0.3～2:1000。
10.一种根据权利要求1～9任一项所述的钢渣促水化改性组合物的制备方法，其特征在于：步骤包括以下步骤：(1)将助剂与去离子水充分溶解，搅拌均匀；(2)将硅酸金属盐，碳材料浆液，有机胺剂混合加入混合液，500～800rpm转速下搅拌1～2小时，即得。
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