CN117383843A - 一种高强度全固废胶凝材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度全固废胶凝材料，包括质量份之比为（40‑75）：（20‑50）：（5‑25）的矿渣粉、钢渣粉、石膏，其中矿渣粉的比表面积≥600 m2/kg、钢渣粉的比表面积≥600 m2/kg，石膏的比表面积≥300 m2/kg。该材料在高温下依然具有良好的强度、硬度和韧性，能有效的避免开裂的问题。
Description
技术领域
本发明涉及全固废胶凝材料技术领域，具体而言，涉及一种高强度全固废胶凝材料及其制备方法和应用。
背景技术
胶凝材料，又称胶结料，在物理、化学作用下，能从浆体变成坚固的石状体，并能胶结其他物料，制成有一定机械强度的复合固体的物质。根据化学组成的不同，胶凝材料可分为无机与有机两大类，石灰、石膏、水泥等工地上俗称为“灰”的建筑材料属于无机胶凝材料；而沥青、天然或合成树脂等属于有机胶凝材料。在工矿企业的生产中，常常会产生大量的废料，这些废料不及时处理往往会对环境造成影响。但是将这些废料进行资源化利用，不仅可以实现水泥和混凝土低碳化，同时可以降低水泥生产企业的生产成本，具有重要的社会经济效益。在将矿渣、钢渣等废料用于胶凝材料的制备中时，由于废料的组成难以准确控制，及其废料中的杂质较多，因此废料制造的胶凝的材料的强度都较低，尤其是在高温环境下，其强度、硬度、韧性等都有明显的降低，常常会出现开裂的情况。
发明内容
本发明提供一种全固废胶凝材料，该材料在高温下依然具有良好的强度、硬度和韧性，能有效的避免开裂的问题。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种高强度全固废胶凝材料，包括质量份之比为（40-75）：（20-50）：（5-25）的矿渣粉、钢渣粉、石膏，其中矿渣粉的比表面积≥600 m2/kg、钢渣粉的比表面积≥600 m2/kg，石膏的比表面积≥300 m2/kg。
进一步地，矿渣粉中包括质量份之比为（40-60）：（20-30）：（10-20）的二氧化硅、氧化镁、氧化钙，其中氧化镁由镁渣提供，氧化钙由电石渣、石灰渣提供。
进一步地，镁渣经过聚酯改性，具体改性步骤如下：将质量份之比为（20-30）：（10-15）：（4-5）：（30-45）的聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸异辛酯、偶氮二异丁腈、乙二醇二甲醚混合，然后在80℃-95℃温度条件下搅拌36h-48h，得到混合料，将质量份之比为（10-15）：（1-2）：（0.5-0.8）：（1200-1250）的混合料、2-叔丁基对苯二酚、三氟乙酸、镁渣混合，然后在120℃-130℃温度条件下搅拌5min-15min，再以10℃/min-12℃/min的速度降温至20℃，再边搅拌边滴加4-羟基丁基丙烯酸酯，得到聚酯改性镁渣。
进一步地，电石渣经过纳米改性，具体改性步骤如下：将电石渣、磷酸盐、三乙醇胺、羧甲基纤维素钠混合，然后在50℃-55℃温度条件下超声震动30min-45min，再向其中加入丙烯酸丁酯、过氧苯甲酸叔丁酯，搅拌均匀，然后再加入二丙二醇单丁醚、正丁醇、N ,N-二甲基乙醇胺，然后以4℃/min-6℃/min的速度升温至75℃，超声震动35min-40min，再保温4h-5h，得到纳米改性电石渣。
进一步地，钢渣粉中包括质量份之比为（35-50）：（30-40）：（10-15）的氧化钙、二氧化硅、氧化铝。
进一步地，钢渣粉经过碳化改性，具体改性步骤如下：将对苯二胺、乙醇、水混合，然后边搅拌边喷涂在钢渣粉上，得到预处理钢渣粉，再将预处理钢渣粉置于碳化箱中，控制碳化温度在70℃-80℃、二氧化碳浓度在85%以上、碳化时间在3天-4天，得到碳化改性钢渣粉。
进一步地，还包括：连结粉体，连结粉体与矿渣粉的质量份之比为（5-12）：（40-75），连结粉体包括质量份之比为（10-12）：（1-1.5）的草木灰和氢氧化钾。
本发明还提供一种高强度全固废胶凝材料的制备方法，用于制备上述高强度全固废胶凝材料。
进一步地，具体包括如下步骤：
S100：将矿渣粉、钢渣粉、石膏混合，然后加入纯净水搅拌，得到第一混合料；
S200：将第一混合料、连结粉体、十二烷基硫酸钠混合，搅拌均匀，得到高强度全固废胶凝材料。
本发明还提供一种高强度全固废胶凝材料的应用，该高强度全固废胶凝材料在60℃-120℃的温度条件下使用。
与现有技术相比，本发明的优点是：本发明的高强度全固废胶凝材料具有良好的强度，尤其是在高温环境下，依然保持有良好的机械性能；本发明通过对镁渣进行聚酯改性、对电石渣进行纳米改性，能有效的提升材料的力学性能，同时通过连接粉体的作用，能在高强度全固废胶凝材料内部保持水分，避免高温将水分带走；而且，本申请中通过对钢渣粉进行碳化改性，能够加强钢渣粉组分、矿渣粉组分在高温下的连接，从而进一步的提升胶凝材料在高温下的强度。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面对本发明的具体实施例做详细的说明。
本实施例提供一种高强度全固废胶凝材料，包括质量份之比为（40-75）：（20-50）：（5-25）的矿渣粉、钢渣粉、石膏，矿渣粉中包括质量份之比为（40-60）：（20-30）：（10-20）的二氧化硅、氧化镁、氧化钙，钢渣粉中包括质量份之比为（35-50）：（30-40）：（10-15）的氧化钙、二氧化硅、氧化铝，其中所述矿渣粉的比表面积≥600m2/kg、所述钢渣粉的比表面积≥600 m2/kg，所述石膏的比表面积≥300 m2/kg。
优选的，包括质量份之比为（53-65）：（32-46）：（15-18）的矿渣粉、钢渣粉、石膏。
优选的，包括质量份之比为62：39：16的矿渣粉、钢渣粉、石膏。
优选的，矿渣粉中包括质量份之比为（48-52）：（23-25）：（17-19）的二氧化硅、氧化镁、氧化钙。
优选的，矿渣粉中包括质量份之比为51：24：18的二氧化硅、氧化镁、氧化钙。
优选的，钢渣粉中包括质量份之比为（38-44）：（32-36）：（12-14）的氧化钙、二氧化硅、氧化铝。
优选的，钢渣粉中包括质量份之比为43：33：13的氧化钙、二氧化硅、氧化铝。
上述氧化镁由镁渣提供，氧化钙由电石渣、石灰渣提供，且镁渣经过聚酯改性、电石渣经过纳米改性。通过对镁渣和电石渣的改性，能够增强组分间的连接，提升全固废胶凝材料高温下的强度。
镁渣聚酯改性的具体步骤如下：将质量份之比为（20-30）：（10-15）：（4-5）：（30-45）的聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸异辛酯、偶氮二异丁腈、乙二醇二甲醚混合，然后在80℃-95℃温度条件下搅拌36h-48h，得到混合料，将质量份之比为（10-15）：（1-2）：（0.5-0.8）：（1200-1250）的混合料、2-叔丁基对苯二酚、三氟乙酸、镁渣混合，然后在120℃-130℃温度条件下搅拌5min-15min，再以10℃/min-12℃/min的速度降温至20℃，再边搅拌边滴加4-羟基丁基丙烯酸酯，得到聚酯改性镁渣。
优选的，聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸异辛酯、偶氮二异丁腈、乙二醇二甲醚的质量份之比为28：12：4.6：39。
优选的，混合料、2-叔丁基对苯二酚、三氟乙酸、镁渣的质量份之比为14：1.15：0.7：1210。
电石渣、石灰渣的质量份之比为2：1，电石渣纳米改性的具体步骤如下：将电石渣、磷酸盐、三乙醇胺、羧甲基纤维素钠混合，然后在50℃-55℃温度条件下超声震动30min-45min，再向其中加入丙烯酸丁酯、过氧苯甲酸叔丁酯，搅拌均匀，然后再加入二丙二醇单丁醚、正丁醇、N ,N-二甲基乙醇胺，然后以4℃/min-6℃/min的速度升温至75℃，超声震动35min-40min，再保温4h-5h，得到纳米改性电石渣。
其中，电石渣、磷酸盐、三乙醇胺、羧甲基纤维素钠、丙烯酸丁酯、过氧苯甲酸叔丁酯、二丙二醇单丁醚、正丁醇、N ,N-二甲基乙醇胺的质量份之比为1500：26：14：25：3：5：11：16：32。
为了进一步的提升全固废胶凝材料的强度，还对钢渣粉进行碳改性，具体步骤如下：将对苯二胺、乙醇、水混合，然后边搅拌边喷涂在所述钢渣粉上，得到预处理钢渣粉，再将所述预处理钢渣粉置于碳化箱中，控制碳化温度在70℃-80℃、二氧化碳浓度在85%以上、碳化时间在3天-4天，得到碳化改性钢渣粉。
优选的，控制碳化温度在75℃、二氧化碳浓度在92%。
为了在高温下将水分锁定在全固废胶凝材料中，还向全固废胶凝材料中添加连结粉体，连结粉体与矿渣粉的质量份之比为（5-12）：（40-75），连结粉体包括质量份之比为（10-12）：（1-1.5）的草木灰和氢氧化钾。
优选的，连结粉体与矿渣粉的质量份之比为（8-10）：（48-62）。
优选的，连结粉体与矿渣粉的质量份之比为9：57。
优选的，连结粉体包括质量份之比为11：1.25的草木灰和氢氧化钾。
实施例1
本实施例中提供一种高强度全固废胶凝材料的制备方法，具体包括如下步骤：
S100：准备质量份之比为62：39：16的矿渣粉、钢渣粉、石膏，矿渣粉中包括质量份之比为51：24：18的二氧化硅、氧化镁、氧化钙，钢渣粉中包括质量份之比为43：33：13的氧化钙、二氧化硅、氧化铝，氧化镁由镁渣提供，氧化钙由电石渣、石灰渣提供，且镁渣经过聚酯改性、电石渣经过纳米改性、钢渣粉进行碳改性，将矿渣粉、钢渣粉、石膏混合，然后加入纯净水搅拌，得到第一混合料；
S200：将质量份之比为150：8：15的第一混合料、连结粉体、十二烷基硫酸钠混合，搅拌均匀，得到高强度全固废胶凝材料。
实施例2
本实施例中提供一种高强度全固废胶凝材料的制备方法，具体包括如下步骤：
S100：准备质量份之比为62：39：16的矿渣粉、钢渣粉、石膏，矿渣粉中包括质量份之比为51：24：18的二氧化硅、氧化镁、氧化钙，钢渣粉中包括质量份之比为43：33：13的氧化钙、二氧化硅、氧化铝，氧化镁由镁渣提供，氧化钙由电石渣、石灰渣提供，且电石渣经过纳米改性、钢渣粉进行碳改性，将矿渣粉、钢渣粉、石膏混合，然后加入纯净水搅拌，得到第一混合料；
S200：将质量份之比为150：8：15的第一混合料、连结粉体、十二烷基硫酸钠混合，搅拌均匀，得到高强度全固废胶凝材料。
实施例3
本实施例中提供一种高强度全固废胶凝材料的制备方法，具体包括如下步骤：
S100：准备质量份之比为62：39：16的矿渣粉、钢渣粉、石膏，矿渣粉中包括质量份之比为51：24：18的二氧化硅、氧化镁、氧化钙，钢渣粉中包括质量份之比为43：33：13的氧化钙、二氧化硅、氧化铝，氧化镁由镁渣提供，氧化钙由电石渣、石灰渣提供，且镁渣经过聚酯改性、钢渣粉进行碳改性，将矿渣粉、钢渣粉、石膏混合，然后加入纯净水搅拌，得到第一混合料；
S200：将质量份之比为150：8：15的第一混合料、连结粉体、十二烷基硫酸钠混合，搅拌均匀，得到高强度全固废胶凝材料。
实施例4
本实施例中提供一种高强度全固废胶凝材料的制备方法，具体包括如下步骤：
S100：准备质量份之比为62：39：16的矿渣粉、钢渣粉、石膏，矿渣粉中包括质量份之比为51：24：18的二氧化硅、氧化镁、氧化钙，钢渣粉中包括质量份之比为43：33：13的氧化钙、二氧化硅、氧化铝，氧化镁由镁渣提供，氧化钙由电石渣、石灰渣提供，且钢渣粉进行碳改性，将矿渣粉、钢渣粉、石膏混合，然后加入纯净水搅拌，得到第一混合料；
S200：将质量份之比为150：8：15的第一混合料、连结粉体、十二烷基硫酸钠混合，搅拌均匀，得到高强度全固废胶凝材料。
实施例5
本实施例中提供一种高强度全固废胶凝材料的制备方法，具体包括如下步骤：
S100：准备质量份之比为62：39：16的矿渣粉、钢渣粉、石膏，矿渣粉中包括质量份之比为51：24：18的二氧化硅、氧化镁、氧化钙，钢渣粉中包括质量份之比为43：33：13的氧化钙、二氧化硅、氧化铝，氧化镁由镁渣提供，氧化钙由电石渣、石灰渣提供，且镁渣经过聚酯改性、电石渣经过纳米改性，将矿渣粉、钢渣粉、石膏混合，然后加入纯净水搅拌，得到第一混合料；
S200：将质量份之比为150：8：15的第一混合料、连结粉体、十二烷基硫酸钠混合，搅拌均匀，得到高强度全固废胶凝材料。
实施例6
本实施例中提供一种高强度全固废胶凝材料的制备方法，具体包括如下步骤：
S100：准备质量份之比为62：39：16的矿渣粉、钢渣粉、石膏，矿渣粉中包括质量份之比为51：24：18的二氧化硅、氧化镁、氧化钙，钢渣粉中包括质量份之比为43：33：13的氧化钙、二氧化硅、氧化铝，氧化镁由镁渣提供，氧化钙由电石渣、石灰渣提供，将矿渣粉、钢渣粉、石膏混合，然后加入纯净水搅拌，得到第一混合料；
S200：将质量份之比为150：8：15的第一混合料、连结粉体、十二烷基硫酸钠混合，搅拌均匀，得到高强度全固废胶凝材料。
实施例7
本实施例中提供一种高强度全固废胶凝材料的制备方法，具体包括如下步骤：
S100：准备质量份之比为62：39：16的矿渣粉、钢渣粉、石膏，矿渣粉中包括质量份之比为51：24：18的二氧化硅、氧化镁、氧化钙，钢渣粉中包括质量份之比为43：33：13的氧化钙、二氧化硅、氧化铝，氧化镁由镁渣提供，氧化钙由电石渣、石灰渣提供，且镁渣经过聚酯改性、电石渣经过纳米改性、钢渣粉进行碳改性，将矿渣粉、钢渣粉、石膏混合，然后加入纯净水搅拌，得到高强度全固废胶凝材料。
性能测试
对实施例一至七中的高强度全固废胶凝材料进行常温抗压强度测试（25℃）和高温抗压强度测试（80℃），测试结果如表1所示。
表1
通过上述对比可以发现，对镁渣经过聚酯改性、电石渣经过纳米改性、钢渣粉进行碳改性以及添加有连结粉体的高强度全固废胶凝材料在常温和高温下均具有良好的抗压强度测试；实施例二至实施例五中，虽然改性的组分各有不同，但是聚酯改性、电石渣经过纳米改性、钢渣粉进行碳改性均具有提升全固废胶凝材料强度的作用；实施例七中，由于没有添加连结粉体，尽管在常温下具有较好的抗压强度，但是在高温下抗压强度下降明显。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1. 一种高强度全固废胶凝材料，其特征在于，包括质量份之比为（40-75）：（20-50）：（5-25）的矿渣粉、钢渣粉、石膏，其中所述矿渣粉的比表面积≥600 m2/kg、所述钢渣粉的比表面积≥600 m2/kg，所述石膏的比表面积≥300 m2/kg。
2.如权利要求1所述的高强度全固废胶凝材料，其特征在于，所述矿渣粉中包括质量份之比为（40-60）：（20-30）：（10-20）的二氧化硅、氧化镁、氧化钙，其中所述氧化镁由镁渣提供，所述氧化钙由电石渣、石灰渣提供。
3.如权利要求2所述的高强度全固废胶凝材料，其特征在于，所述镁渣经过聚酯改性，具体改性步骤如下：将质量份之比为（20-30）：（10-15）：（4-5）：（30-45）的聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸异辛酯、偶氮二异丁腈、乙二醇二甲醚混合，然后在80℃-95℃温度条件下搅拌36h-48h，得到混合料，将质量份之比为（10-15）：（1-2）：（0.5-0.8）：（1200-1250）的所述混合料、2-叔丁基对苯二酚、三氟乙酸、所述镁渣混合，然后在120℃-130℃温度条件下搅拌5min-15min，再以10℃/min-12℃/min的速度降温至20℃，再边搅拌边滴加4-羟基丁基丙烯酸酯，得到聚酯改性镁渣。
4. 如权利要求2所述的高强度全固废胶凝材料，其特征在于，所述电石渣经过纳米改性，具体改性步骤如下：将所述电石渣、磷酸盐、三乙醇胺、羧甲基纤维素钠混合，然后在50℃-55℃温度条件下超声震动30min-45min，再向其中加入丙烯酸丁酯、过氧苯甲酸叔丁酯，搅拌均匀，然后再加入二丙二醇单丁醚、正丁醇、N ,N-二甲基乙醇胺，然后以4℃/min-6℃/min的速度升温至75℃，超声震动35min-40min，再保温4h-5h，得到纳米改性电石渣。
5.如权利要求1所述的高强度全固废胶凝材料，其特征在于，所述钢渣粉中包括质量份之比为（35-50）：（30-40）：（10-15）的氧化钙、二氧化硅、氧化铝。
6.如权利要求5所述的高强度全固废胶凝材料，其特征在于，所述钢渣粉经过碳化改性，具体改性步骤如下：将对苯二胺、乙醇、水混合，然后边搅拌边喷涂在所述钢渣粉上，得到预处理钢渣粉，再将所述预处理钢渣粉置于碳化箱中，控制碳化温度在70℃-80℃、二氧化碳浓度在85%以上、碳化时间在3天-4天，得到碳化改性钢渣粉。
7.如权利要求1-6任一项所述的高强度全固废胶凝材料，其特征在于，还包括：连结粉体，所述连结粉体与所述矿渣粉的质量份之比为（5-12）：（40-75），所述连结粉体包括质量份之比为（10-12）：（1-1.5）的草木灰和氢氧化钾。
8.一种高强度全固废胶凝材料的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求7所述的高强度全固废胶凝材料。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S100：将矿渣粉、钢渣粉、石膏混合，然后加入纯净水搅拌，得到第一混合料；
S200：将所述第一混合料、连结粉体、十二烷基硫酸钠混合，搅拌均匀，得到所述高强度全固废胶凝材料。
10.一种高强度全固废胶凝材料的应用，其特征在于，所述高强度全固废胶凝材料在60℃-120℃的温度条件下使用。
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