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| 硅灰基碱激发剂制备方法 硅酸盐水泥在生产过程中的能耗巨大，且会排放大量的二氧化碳。以硅铝质废弃物和碱激发剂作为原料制备的高强度碱激发胶凝材料成为可代替硅酸盐水泥的新型绿色建筑材料。碱激发胶凝材料的作用机理是通过碱激发剂促使硅铝质原料溶解形成硅氧四面体和铝氧四面体单体，然后进一步通过缩聚反应形成具有三维网络状结构的硅铝酸盐凝胶。目前最常用和有效的碱激发剂是水玻璃，即硅酸钠溶液，使用前需添加氢氧化钠将其调节至目标模数。然而，水玻璃是一种能耗相对较高的工业产物，需将石英砂和纯碱置于1300至1400℃的窑炉中熔融形成，或将石英砂和烧碱置于180℃的高压反应釜中蒸压形成。将水玻璃作为碱激发剂不可避免地会增加碱激发凝胶材料的生产能耗、碳排放和成本，制约了碱激发凝胶材料的推广应用。 单纯以硅灰和氢氧化钠作为碱性激发剂制备得到的碱激发凝胶材料容易开裂，导致碱激发凝胶材料抗拉强度低；这个原因一般是由于碱激发凝结材料在形成过程中凝结硬化快，内外湿度变化不均、水分蒸发导致的干缩裂缝。 为解决现有技术中以硅灰和氢氧化钠作为碱性激发剂制备得到的碱激发凝胶材料容易开裂、抗拉强度低、水玻璃碱激发剂能耗高的技术问题，本技术提供一种硅灰基碱激发剂及制备方法。 为解决上述技术问题，本技术是通过以下技术方案实现的： 硅灰基碱激发剂，其配方按质量百分比包括以下原料：硅灰、氢氧化钠％、水、苯丙乳液。 本技术的硅灰基碱激发剂通过添加苯丙乳液、优化选择各组分的掺量，减少了碱激发凝胶材料的裂纹，使制得的碱激发凝胶材料抗拉强度优于普通的硅灰、氢氧化钠胶凝材料，且强度优于同参数的传统水玻璃凝胶材料，可完全替代水玻璃做碱激发剂；碱激发剂选用工业废弃物为主要原料，有利于推动碱激发剂胶凝材料的推广应用。 本技术硅灰基碱激发剂能够在相对较低的温度下制备得到，相比需要在高温熔融或蒸压条件下制备的水玻璃，本技术所述制备方法降低了碱激发剂的生产成本、能耗和碳排放，且制备方法简单。 用于碱激发胶凝材料的有机-无机复合碱激发剂制 备方法 水泥作为使用最广的胶凝材料，支撑了全球道路、桥梁、隧道等大量基础设施的建设。然而，水泥的生产过程不仅会消耗大量的化石能源，而且会产生大量的温室气体，造成的环境影响已不容忽视。以矿渣、粉煤灰、钢渣等固废为基体的碱激发胶凝材料成为重要的水泥替代品之一。碱激发胶凝材料可消纳固废，有效缓解其造成的土地占用和污染等问题；由于碱激发胶凝材料不具备煅烧过程，所以碱激发胶凝材料较水泥有着更低的碳排放。此外，有些碱激发胶凝材料具有耐高温、耐硫酸盐侵蚀等性能，可以满足特殊工程领域的需要。 然而，碱激发胶凝材料依然存在许多问题。首先，作为基体材料的矿渣、粉煤灰等火山灰材料普遍存在水化活性低的问题，一般需要配合氢氧化钠、水玻璃等强碱激发剂使用。强碱激发使碱激发胶凝材料获得了高的力学性能，但是同时带来了材料成本高、工作性不易调控、高碱度对人体和环境产生危害等问题。当前，弱碱激发剂获得了广泛关注，以碳酸盐、磷酸盐为代表的弱碱激发剂的使用解决了强碱激发剂所带来的诸多问题，但弱碱激发剂促进矿物相溶出慢，造成激发强度不足的缺陷，导致碱激发胶凝材料强度发展缓慢。而有机碱激发剂通过与矿物相离子发生络合作用，加速胶凝材料中矿物相离子的溶出，生成稳定的配位化合物，提高溶液中离子浓度，从而促进水化产物的结晶生长过程。随着矿物相离子被不断消耗，又会反过来促进矿物相离子的溶出过程，能够加快胶凝材料强度的发展，但单一使用成本过高的问题制约了有机碱激发剂的使用。将有机、无机碱激发剂复合，有望综合两者的优势，但当前市面上有机-无机复合的碱激发剂大多采用有机-氯盐，又会带来氯离子浓度过高造成的钢筋腐蚀等问题，制约了碱激发胶凝材料的发展。 该有机-无机复合碱激发剂通过无机碱激发和有机物促进矿物相溶出的协同作用，具有激发效率高，成本低，稳定性好，制备工艺简单等优势，有助于在碱激发胶凝材料的应用和推广。 其原料组分如下：碳酸钠，硫酸钠，半水石膏，轻质石粉，有机碱溶液，水。 本技术还包括根据上述有机-无机复合碱激发剂制备得到的混凝土，其中有机-无机复合碱激发剂折合固体掺量为胶凝材料重量的5～10％。 本技术利用无机碱激发和有机物促进矿物相溶出的协同作用，有较好的激发效果。碳酸钠、硫酸钠、半水石膏、轻质石粉作为无机碱的主要成分能够对矿渣、粉煤灰、钢渣等具有火山灰活性的材料起碱激发的作用，促进矿物相的水化；有机碱通过与矿物相离子发生络合作用，加速胶凝材料中矿物相离子的溶出，生成稳定的配位化合物，提高溶液中离子的过饱和度。 1、本技术提供的有机-无机复合碱激发剂具有较低的碱度，不会对人体和环境造成危害，通过无机碱激发和有机物促进矿物相溶出的协同作用，具有很好的激发效果(与强碱激发相当)，在满足P.O 52.5的强度标准的同时，也不会因为碱度过高发生碱集料反应产生安全隐患，且稳定性好，成本低；2、本技术的制备方法工艺简单，易于实现，具有突出的经济效益。 碱激发剂碱激发凝胶材料混凝土和混凝土的制备方法 水泥和以水泥为胶凝材料的混凝土作为二十世纪早期的产物，在人类经济社会的发展过程中扮演着举足轻重的作用，近一百年来，水泥和混凝土的性能也逐渐提高。然而进入二十一世纪以来，随着人类经济社会的发展和环境保护要求的愈加严苛，水泥已不能满足人们对环保的要求。水泥的生产(通常工艺为“两磨一烧”)需要消耗大量自然资源(如石灰石、粘土等)和能源，而且会排放大量的二氧化碳，造成温室效应，这些都会对环境造成不可逆转的破坏。因此寻找一种新型的低能耗、环境友好的胶凝材料是二十一世纪以来相关领域的科学工作者的一项重要的任务。 碱激发胶凝材料是以碱金属或者碱土金属氧化物为激发剂，以一种或多种富含铝硅钙的矿物为激发材料的一种新型无机胶凝材料，其中，激发剂对激发材料的水化起催化作用。与水泥相比，碱激发胶凝材料具有更低的二氧化碳排放和更低的能量消耗，同时碱激发胶凝材料具有耐酸和化学侵蚀、耐高温防火、低导热系数、低渗透性及在特定条件下速凝早强等特点。一方面可以有效利用其他工业排放的固体废弃物，另一方面可以弥补硅酸盐水泥在某些性能上的不足(如耐高温性能、耐硫酸盐侵蚀性能)，以满足某些工程领域的需要。碱激发胶凝材料凭借碳排放量低、能够合理利用工业固体废弃物等优点，目前已经成为广大研究者的关注热点。 然而，传统的碱激发胶凝材料在使用过程中，由于施工性能较差，过程控制不稳定，严重阻碍了碱激发胶凝材料的推广应用。这是因为碱激发剂与激发材料反应生成新的物质，造成激发剂大量快速失去，活性离子大量减少，此外，新生成的物质有可能附着在表面，堵塞活性离子反应通路，这些原因导致碱激发剂催化激发材料的水化反应速率较快，反应很快减慢或基本终止，一般而言，传统的碱激发凝胶材料的初凝时间为10-30min，不符合水泥行业常规要求的胶凝材料初凝时间应该大于等于45min的标准，阻碍了其大规模工程应用。而且，传统的碱激发凝胶材料还存在容易开裂等不足，在工程应用上受到一定的局限性。此外，还有一部分碱激发胶凝材料以水玻璃为激发剂，其施工性能不佳，且相较于成熟的水泥，其成本不具有优势，这也是碱激发胶凝材料的推广应用受到阻碍的原因之一。 本技术采用廉价的生石灰、磷酸盐和硫酸盐作为三元体系碱激发剂，极大地降低了碱激发胶凝材料的成本，且施工性能好，制备的混凝土凝结时间可控，强度高，无开裂现象。 以重量份计，所述碱激发剂的制备原料包括：硫酸盐；磷酸盐；生石灰。 本技术采用廉价的生石灰、磷酸盐和硫酸盐作为三元体系碱激发剂，极大地降低了碱激发胶凝材料的成本，其中，生石灰遇水后，可生成氢氧化钙，氢氧化钙能够与硫酸盐反应生成硫酸钙沉淀和活性离子，并且，由于硫酸钙微溶于水的特性，一方面，能够起到减慢氢氧化钙和硫酸盐反应速率的作用，这种情况下，活性离子不易快速大量减少，得以缓慢释放，延长激发材料水化反应时间，延长初凝时间。另一方面，新生成的硫酸钙也不易附着在反应物表面堵塞活性离子通路，有利于活性离子催化激发材料水化反应，在延长初凝时间的基础上，保证水化反应顺利进行，提高混凝土的强度。同时，还加入了磷酸盐，氢氧化钙也能够与磷酸盐反应生成磷酸钙和活性离子。一方面，磷酸盐的加入，可以在一定程度上加快氢氧化钙和磷酸盐的反应速率，促进活性离子释放，起到协调激发效果和协调初凝时间的作用。另一方面，由于磷酸盐的加入，也生成了活性离子，由于同离子效应，其与上述氢氧化钙和硫酸盐的反应相互制约，协调控制两个反应的反应速率，避免出现氢氧化钙与硫酸盐反应速率过慢或氢氧化钙与磷酸盐反应速率过快的现象。上述硫酸盐、磷酸盐和生石灰均为粉料，施工性能好，可直接加水搅拌使用；凝结时间可控，初凝时间可控制在45min-2h，终凝时间可控制在1h-3h；强度高，28d抗压强度甚至可达60MPa以上，无开裂现象。 掺碱激发剂早强超高性能混凝土制备方法 超高性能混凝土(Ultra high performance concrete)具有超高的强度、优异的耐久性能以及良好的工作性能，其广泛的应用将颠覆目前土木工程结构的设计、施工等各领域。活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简称RPC)是超高性能混凝土的典型代表之一，是法国布伊格(Bouygues)公司Richard等人于1993年率先提出了的一种具有高强、高韧性、高耐久性和体积稳定性良好的水泥基复合材料。目前常用的制备活性粉末混凝土的原材料包括：水泥、硅灰、磨细石英粉、矿物细掺料、石英砂以及高效减水剂等。 目前由于高温养护制度的制约，活性粉末混凝土一般用于装配式预制构件，活性粉末混凝土预制构件的生产要达到规模化，需要活性粉末混凝土具有早强性能，以便于模具以及养护池的快速循环利用。但是，目前以活性粉末混凝土为代表的超高性能混凝土早期强度往往较低，拆模时间较长，由此制约了单次构件制备时间。混凝土早强剂是解决混凝土早强问题的主要方法，目前广泛使用的混凝土早强剂包括：氯盐、硫酸盐、亚硝酸盐以及有机物早强剂等单一或复合早强型外加剂。外加剂的使用可以针对性地改善混凝土的性能，是解决混凝土制备技术问题的有效手段之一。 碱激发剂是碱激发胶凝材料的专业术语，在化学中叫做催化剂。一般是指苛性碱、含碱性元素的硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硫酸盐、碳酸盐等物质。碱激发剂通过对活性粉末混凝土的水化反应起到催化作用，从而提高了活性粉末混凝土的早期强度。水玻璃作为最广泛使用的碱激发剂，用途非常广泛，几乎遍及国民经济的各个部门。其主要被应用于加固土壤、堵漏、填缝等局部抢修、配制耐酸胶凝材料、配制耐热砂浆，新型水玻璃被称为符合可持续发展的绿色环保型铸造黏结剂。 混凝土，尤其是超高性能混凝土的早强性能是目前混凝土材料发展的研究热点与重要方向，将碱激发剂(水玻璃)作为外加剂掺入超高性能混凝土中，必将提高超高性能混凝土的早期性能，具有显著的创新意义和广泛的工程应用价值。 现有超高性能混凝土早期强度低，拆模时间长，制约了超高性能混凝土装配式预制构件的规模化生产。 本技术具有的有益效果： 第一，本技术由于掺入碱激发剂，大大缩短了超高性能混凝土的初凝时间，并且使得超高性能混凝土具有很高的早期强度，大大缩短了拆模时间，加快了混凝土制备的循环效率； 第二，本技术基于最紧密堆积理论，对石英砂实现级配设计，使得超高性能混凝土各组分之间能够充分堆积，保证了超高性能混凝土的超高强度。 第三，本技术使用了消泡剂，消泡剂可以去除超高性能混凝土中多余的有害气泡，是内部结构更加密实，从而可以提高混凝土的强度与耐久性能。 第四，水胶比即用水量与胶凝材料的质量比，是影响超高性能混凝土抗压强度的主要因素，随着水胶比的增大，抗压强度降低，但是RPC流动性增加。超高性能混凝土水胶比不宜超过0.20。砂胶比即石英砂与胶凝材料的质量比，也是影响超高性能混凝土抗压强度的主要因素，其最佳取值为1.0～1.4之间，砂胶比过大或过小都会导致强度的下降。 第六，在碱激发剂的作用下，胶凝材料中含有大量的Si-O和Al-O键断裂，SiO4和AlO4四面体快速溶出，迅速通过聚缩反应形成大量无机高分子聚合物，从而使得混凝土的早期强度增长很快，达到超早强的效果。 胶凝材料应用以及混凝土 目前修补材料主要分为有机材料、无机材料和有机无机复合材料，都存在着很多不足的问题： (1)有机类修补材料： 造价较高，修补周期较短，不利于环保，不适合大面积推广。 (2)有机无机复合材料： 造价高，存在施工不便，不利于环境保护，不适合大面积推广。 (3)无机类修补材料： 无机类修补材料以水泥基无机胶凝材料为主。从力学性能方面来说，早期强度低，恢复交通周期较长，利用大量外加剂后易产生后期强度倒缩情况；与旧混凝土粘结强度低，修补后新旧混凝土处容易产生新裂缝；产品硬而脆，抗折强度低。从环保和能源消耗方面来说，随着我国的交通基础设施建设的高速发展，对水泥等原材料的需求日益剧增。我国是水泥产量大国，长期以来水泥生产中的高温烧结、温室气体排放造成了大气的严重污染，也消耗了大量的自然资源。目前，存在利用工业废料制备复合矿物掺合料快修补材料，然后这种材料仍然存在着以下不足：一是利用工业废料的比例低，约为10％～20％左右，主要是利用其“微集料”的填充作用，对工业废料的利用率较低；二是其矿物掺合料的化学反应原理不一样，其利用其火山灰效应～SiO2、Al2O3等硅酸盐玻璃体，与水泥水化产生的Ca(OH)2发生二次水化反应，生成水化硅酸钙等凝胶来增加胶凝材料的强度，然而胶凝材料的力学性能仍然有待提高。 因此，针对水泥基无机胶凝材料的上述不足，亟需开发一种力学性能优良，绿色环保的胶凝材料。 胶凝材料，其具有优异的力学性能，同时不消耗天然资源，利于环保。 本技术至少包括以下有益效果： (1)本技术所提供的胶凝材料不需要高温烧结，制备工艺简单，不需要消耗天然原材料资源，利用固废原材料制成，节约能源，减少环境污染。 (2)相比现有的水泥基无机材料，本技术所提供的胶凝材料具有良好的力学性能。利用本技术所提供的胶凝材料配制的砂浆和混凝土的凝结时间完全可调控，抗压强度和抗折强度性能优异。 技术资料费380元，包括生产配方、原料介绍、工艺流程等。 |
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