TW201827379A - 預拌粉體及鹼活化漿料的製備方法 - Google Patents

預拌粉體及鹼活化漿料的製備方法 Download PDF

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鄭大偉
李韋皞
李梯群
胡庭凱
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Abstract

本發明提供一種可用於製備鹼活化膠聚合物的預拌粉體，利用該預拌粉體的組成設計使其為粉體形態，令用於起始反應所需的鹼是於該預拌粉體加水後才反應形成，而可更便於使用。

Description

預拌粉體及鹼活化漿料的製備方法
本發明是有關於一種用於混凝土之預拌粉體及製備方法，特別是指一種用於混凝土之鹼活化漿料的預拌粉體，以及利用該預拌粉體製備鹼活化漿料的方法。
由於工業及都市發展快速，因此排放出大量的二氧化碳，大量排放的二氧化碳因為無法被海洋與森林吸收而會積存在大氣層中，導致了地球環境的汙染及溫室效應日趨嚴重；其中，二氧化碳排放的最大產生工業，除了煉鋼、燃煤發電之外，最重要的就是水泥業。因此，開發可以取代傳統水泥漿料，且在生產過程中不會消耗大量的能源，同時也不會產生二氧化碳的新材料，則為此技術領域者開發的重要課題。
無機聚合物（Geopolymer）為近年來發展類似水泥的新型材料，其主要是利用燃煤飛灰、燃煤底灰、焚化底灰、火山灰、黏土、各類爐渣、熔渣、各類廢土及淤泥等矽鋁酸鹽化合物於鹼性溶液下反應所形成的膠結材料。不僅材料取得容易，具高強度、耐久性及耐酸鹼等特性，因此，逐漸被應用於營建工程中以取代傳統的水泥漿料。然而，因為無機聚合物於反應過程中需用到鹼液，而該鹼液為具腐蝕性的水溶液且需事先配製，於運送過程不僅耗能且容易產生危險。最後再將粉體與鹼液混合形成無機聚合物，製程及使用較麻煩，不像傳統波特蘭水泥僅要加水即可形成膠結材料。
因此，本發明之目的，即在提供一種便於使用且安全的預拌粉體，該預拌粉體與水摻合後即可得到混凝土用之鹼活化漿料。
於是，本發明該預拌粉體包含：無機粉體、氫氧化鈣，及碳酸鈉。
其中，該無機粉體包括矽鋁酸鹽類化合物，且該氫氧化鈣及碳酸鈉的莫耳數不小於該預拌粉體與水摻混後，可產生體積莫耳濃度(M)介於2~5M之氫氧化鈉的莫耳數。
此外，本發明的另一目的，即在提供一種鹼活化漿料的製備方法。
於是，本發明該鹼活化漿料的製備方法，包含將水與一預拌粉體摻合後攪拌即可得到，其中，該預拌粉體包括無機粉體、氫氧化鈣，及碳酸鈉，該無機粉體包括矽鋁酸鹽類化合物，該水與該無機粉體是以摻合比值(液/固比)控制在介於0.4~0.8的條件下進行摻混，且該氫氧化鈣及該碳酸鈉於該預拌粉體的莫耳數不小於該預拌粉體與水摻混後，可產生體積莫耳濃度(M)介於2~5M之氫氧化鈉的莫耳數。
本發明之功效在於：提供一種用於混凝土之鹼活化漿料的預拌粉體，利用該預拌粉體的組成設計使其為粉體形態，令用於起始鹼活化漿料反應所需的鹼是於該預拌粉體加水後才反應形成，而可更便於使用。
本發明的預拌粉體是可用於製備混凝土用之鹼活化漿料。該鹼活化漿料可單獨供補強材料或防火材料使用，也可在添加適量的粗、細骨材後形成砂漿或混凝土，取代傳統水泥漿料，供營建材料使用。
本發明鹼活化漿料的製備方法的較佳實施例包含：將水與一預拌粉體摻合後攪拌即可得到。
該預拌粉體包括無機粉體、氫氧化鈣，及碳酸鈉。
該無機粉體包括矽鋁酸鹽類化合物，且較佳地，該無機粉體選自非晶質矽鋁酸鹽化合物，適用於本發明該佳實施例的無機粉體包括：飛灰，例如：燃煤飛灰、燃煤底灰、火山灰、矽灰、黏土、廢玻璃、各類爐渣、熔渣、水淬高爐石、各類廢土及淤泥等矽鋁酸鹽化合物，且可以單一或複合方式混合使用。且該水是以與該無機粉體以摻合比值(液/固比)控制在介於0.4~0.8的條件下進行摻混。
由於本發明是利用乾混時不反應，而於水中始會反應形成氫氧化鈉的氫氧化鈣及碳酸鈉作為本發明鹼活化漿料之強鹼(氫氧化鈉，NaOH)的前驅物，其反應如下式(I)所示。 Ca(OH)2 + Na2 CO3 à 2NaOH + CaCO3 (I) 因此，該預拌粉體於加水前為一穩定的粉體，而於加水後形成鹼活化漿料時，才會產生足以破壞矽鋁酸鹽物質(無機粉體)的Si-O-Si及/或Si-O-Al網狀結構而可進行膠合反應所需的強鹼(NaOH)，而該鹼活化漿料後續則會再度經過脫水、縮合、硬化等過程，重新聚合鍵結而形成膠結材料。
此外，要說明的是，當該預拌粉體加水形成該鹼活化漿料後產生的鹼性過高時，會在由該鹼活化漿料製得的成品的表面形成由鹼金屬與空氣中的水氣和二氧化碳反應而形成的重碳酸鈉結晶物質(俗稱白華)，且鹼性過高反而會破壞形成之鍵結而造成強度降低；而當鹼性不足時則反應性過低，無法產生或較不易進行膠合反應，使得由該鹼活化漿料製得的成品強度不足，而由於本發明該鹼活化漿料的鹼性(即NaOH的體積莫耳濃度(M))取決於加入的水量及該預拌粉體之氫氧化鈣及碳酸鈉的含量。因此，本發明該氫氧化鈣及碳酸鈉於該預拌粉體的莫耳數不小於該預拌粉體與該水摻混後，可產生體積莫耳濃度(M)介於2~5M之氫氧化鈉的莫耳數。此外，因為氫氧化鈣之溶解度較差，因此若需與碳酸鈉足量進行反應，氫氧化鈣/碳酸鈉添加量之莫耳比不得低於1。
此外，要說明的是，當該鹼活化漿料的黏度過低時，流動性過高，容易於使用過程中因自重而引起垂流現象；而黏度過高時則容易造成鹼活化漿體攪拌不易，而使鹼活化反應不完全，因此，較佳地，該水與無機粉體的重量比值(以下簡稱液/固比)是介於0.4~0.8之間，且該鹼活化漿料的黏度(25℃)為2000~8000mPa∙s。
值得一提的是，當自無機粉體表面溶解出之SiO4 、AlO4 單體若數量太少，則最終形成之膠結材料會因結構不完整而造成強度不足，因此，本發明該實施例的該預拌粉體也可再包含一鹼金屬矽酸鹽或矽酸膠，及/或鹼金屬鋁酸鹽，除了可再以鹼金屬矽酸鹽或矽酸膠控制鹼活化液的鹼性之外，可進一步藉由鹼金屬鋁酸鹽調控鋁含量，依照實際情形補足所需的AlO4 單體，如此不僅可彌補自無機粉體表面溶解出之AlO4 單體數量不足的缺點，且當無機粉體是使用一般不含鋁之矽酸鹽類化合物或鋁含量極低之矽酸鹽類化合物(例如玻璃)時，也可正常使用而可有更廣泛的材料選擇。較佳地，該鹼金屬矽酸鹽的含量為該無機粉體重量的10~50%，該鹼金屬鋁酸鹽的添加量為控制令該鹼活化漿料之二氧化矽與三氧化二鋁的莫耳比值(SiO2 /Al2 O3 )介於20~80。
茲利用下述具體例說明本發明該實施例。
無機粉體原料來源： 水淬高爐石(GBFS)：一貫作業煉鋼廠在高爐煉鐵時所產生的水淬爐渣經過研磨而成。 燃煤飛灰(FA)：發電廠燒煤發電，經煙道搜集極細粒的不燃物質
具體例1 將無機粉體(燃煤飛灰、水淬高爐)、氫氧化鈣(Ca(OH)2 )及碳酸鈉(Na2 CO3 )，以預定比例預拌混合3分鐘得到一預拌粉體，之後加水於該預拌粉體，並控制該水與該預拌粉體之無機粉體的比例(液/固)為0.8，攪拌混合後即可得到一鹼活化漿料。 其中，該燃煤飛灰與水淬高爐石的重量比為7：3，且該鹼活化漿料中，由氫氧化鈣(Ca(OH)2 )與碳酸鈉(Na2 CO3 )反應後產生的氫氧化鈉(NaOH)的體積莫耳濃度(M)為2M。
具體例2~14 該具體例2~14的製備方法與該具體例1大致相同，不同處在於該燃煤飛灰及水淬高爐石的比例、液(L)/固(S)比、氫氧化鈣與碳酸鈉的含量，以及矽酸鈉的含量。茲將該具體例1~14中各組成比例整理於表1。其中，該矽酸鈉的添加量是以無機粉體重量的百分比表示。
具體例15~16 該具體例15、16的製備方法與該具體例1大致相同，不同處在於：於得到該預拌粉體後，進一步對該預拌粉體分別進行研磨1小時及3小時，得到平均粒徑分別約為10~11μm及9~10μm的該預拌粉體。
表1 FA：燃煤飛灰 GBFS：水淬高爐石
之後，分別將該等具體例1~14得到的鹼活化漿料混合3分鐘後，注入一模具(ɸ5x10cm)成形，3天後脫模得到樣品，並將該等樣品進行7、14、28、56天的養護後，分別進行抗壓強度(Compressive strength)測試。
茲將前述該等具體例製得之樣品於經過不同養護時間後的抗壓強度測試結果整理於表2~4。
表2
表3
表4
由表2可知，當該預拌粉體的氫氧化鈉濃度增加時，有助於抗壓強度的提升，而再由表3可知，當進一步添加矽酸鈉於該預拌粉體時，也可提升樣品之抗壓強度，例如由具體例11~14可知，當矽酸鈉的添加量大於10%且液固比調整為0.48時，7天抗壓強度已可達到12.5 MPa；隨著矽酸鈉的添加量到50%，其7天抗壓強度則可達到22.5 MPa。此外，由表4則可得知，當該預拌粉體的粒徑越小時，其7天抗壓強度可明顯由7.5 MPa (18.11μm)提升至27.5 MPa (9.18μm)，顯示該預拌粉體粒徑越小越可助於提升膠合反應進行。
接著，再將該具體例15、16製得之樣品於養護28天後，進行30次循環耐候測試(耐候條件說明如下)，之後再量測其抗壓強度，量得的抗壓強度均約為35 MPa，顯示，以本發明之鹼活化漿料製得之成品已可具有優良的耐候性。
耐候測試
單次循環條件：於20~30℃持溫60min，接著，於20分鐘內升溫到50~60℃，於50~60℃持溫60min；接著，於40分鐘內降溫到20~30℃；然後，於20分鐘內降溫到-10℃，再於-10℃持溫60min，最後，於20分鐘內升溫到20~30℃。 其中，20~30℃時，相對濕度為控制在60~80RH%；50~60℃時，相對濕度為控制在85~95RH%。
綜上所述，本發明主要是利用將無機粉體與碳酸鈉及氫氧化鈣先預混形成一固態的預拌粉體。由於碳酸鈉為弱鹼無法破壞矽酸鹽物質(無機粉體)的網狀結構，因此，可形成穩定的該預拌粉體。當欲利用該預拌粉體形成鹼活化漿料時，則僅需加水至該預拌粉體中，此時，該預拌粉體中的碳酸鈉及氫氧化鈣便會反應形成足以令該無機粉體進行膠合反應的強鹼而形成一鹼活化漿料，該鹼活化漿料後續則會再度經過脫水、縮合、硬化等過程，重新聚合鍵結而形成膠結材料，不僅更便於運送，且可提升操作安全性，故確實可達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
無
無

Claims (8)

  1. 一種預拌粉體，用於與水摻合而作為混凝土用之鹼活化漿料，該預拌粉體包含：無機粉體、氫氧化鈣，及碳酸鈉， 其中，該無機粉體包括矽鋁酸鹽類化合物，且該氫氧化鈣及碳酸鈉的莫耳數不小於該預拌粉體與該水摻混後，可產生體積莫耳濃度(M)介於2~5M之氫氧化鈉的莫耳數。
  2. 如請求項1所述的預拌粉體，還包含一鹼金屬矽鋁酸鹽，且該鹼金屬矽鋁酸鹽的含量為該無機粉體重量的10~50%。
  3. 如請求項1所述的預拌粉體，其中，該預拌粉體的粒徑不大於20μm，且氫氧化鈣/碳酸鈉的莫耳比大於1。
  4. 如請求項1所述的預拌粉體，其中，該預拌粉體的粒徑不大於12μm。
  5. 如請求項1所述的預拌粉體，其中，該矽鋁酸鹽類化合物選自爐碴、飛灰，矽灰、或水淬高爐石。
  6. 如請求項1所述的預拌粉體，還包含一鹼金屬鋁酸鹽，且該鹼金屬鋁酸鹽的添加量為控制令該鹼活化漿料的二氧化矽與三氧化二鋁的莫耳比值(SiO2 /Al2 O3 )介於20~80。
  7. 一種鹼活化漿料的製備方法，包含：準備一如請求項1所述的預拌粉體，並將水與該預拌粉體摻合後攪拌即可得到，其中，該水與該無機粉體是以摻合比值(液/固比)控制在介於0.4~0.8的條件下進行摻混，且該氫氧化鈣及碳酸鈉於該預拌粉體的莫耳數不小於該預拌粉體與該水摻混後，可產生體積莫耳濃度(M)介於2~5M之氫氧化鈉的莫耳數。
  8. 如請求項7所述鹼活化漿料的製備方法，其中，該鹼活化漿料硬化後的7天抗壓強度不小於20 MPa。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111302682A (zh) * 2019-12-17 2020-06-19 李韦皞 一种含有碱活化液及无机粉体的碱活化浆料
TWI756063B (zh) * 2021-02-24 2022-02-21 林文欽 輕質灌漿料及其製造方法

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