專利名稱：：粉煤灰基礦物聚合物的制備及應用方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種建筑膠凝材料的制備及應用方法，特別是涉及一種粉煤灰基礦物聚合物的制備及應用方法。
背景技術：
：二十世紀七十年^法國科學家JosephDavidovits等學者對古代混凝土建筑物(如古埃及金字塔、古羅馬大竟技場等)進行研究發(fā)現(xiàn)，這些建筑物中存在一種與有機高分子聚合物的三維網(wǎng)絡狀結構相似、主體是無機物[Si0J和[A10J的四面體聚合物，這種聚合物使這些古代建筑具有非常優(yōu)異的耐久性，即使在惡劣的環(huán)境中也可以保持幾千年而不損壞，從此JosephDavidovits提出了石戶物聚合物(Geopolymers)的才既念。礦物聚合物具有三維網(wǎng)絡結構，Si-0鍵和Al-0鍵是自然界中最穩(wěn)定的共價鍵，而且礦物聚合物的聚合程度高，鑒于上述特性，將其應用于建筑膠凝材料領域，與傳統(tǒng)的無機Al-Si質膠凝材料及硅酸鹽水泥相比有諸多優(yōu)點力學性能好，凝結硬化快，強度高，水化熱低，收縮率和膨脹率小，耐腐蝕性強，耐久性好，可自調溫調濕避免了返潮現(xiàn)象，抗?jié)B性好，耐凍融循環(huán)，耐水熱作用，有較高的界面結合強度，能有效地固定有毒離子，生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)能耗低，低污染，低二氧化碳排放，原料來源廣，成本較低。礦物聚合物所具有的優(yōu)異性能，使其在很多領域內得到了應用，如土木工程、交通和搶修工程、塑料工業(yè)、有毒廢棄物和核廢料的處理、儲藏設備等，同時礦物聚合物還可以在許多領域內代替一些昂貴材料?，F(xiàn)在制備礦物聚合物比較成熟的技術是以高冷土作為原料，先將高嶺土煅燒至500。C以上形成活性較高的偏高嶺土，再使偏高嶺土在特定激發(fā)劑作用下發(fā)生解聚反應形成低聚硅(鋁)氧四面體單元，隨后逐漸脫水縮聚形成具有網(wǎng)絡狀結構的無定形無機聚合物。上述的偏高呤土基礦物聚合物的制備及應用方法，雖其產(chǎn)品具有礦物聚合物的諸多優(yōu)點而確實具有進步性，但是以高嶺土作為膠凝材料的生產(chǎn)原料尚有如下缺陷1、高嶺土的分布較為廣泛，但其作為土壤的重要組分，屬于有限資源，大量使用會對土壤和耕地造成浪費。2、由于高嶺土的活性比較低，必須先后經(jīng)過兩次煅燒才可合成礦物聚合物，耗費了大量的燃料和能量。鑒于上述缺陷，目前有許多相關學者致力于利用粉煤灰等工業(yè)固體廢料來制備礦物聚合物的研究。但是由于粉煤灰與高嶺土的成分、結構、活性影響因素、聚合作用及其反應機理、制備技術、聚合物性能之間存在很大差異，目前的應用多以粉煤灰基礦物聚合物少量摻雜于傳統(tǒng)水泥中形成聚合度較低的產(chǎn)物，而尚無完善、便捷的技術方案將純粉煤灰基礦物聚合物推廣應用于建筑月交凝材料領域。由此可見，上述現(xiàn)有的礦物聚合物膠凝材料在制備及應用上，顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進一步改進。如何能創(chuàng):&一種可兼具高功效、低成本、制備簡單、利于環(huán)保的粉煤灰基礦物聚合物的制備及應用方法，實屬當前重要研發(fā)課題之一，亦成為當前業(yè)界極需改進的目標。陷，本發(fā)明人基于從事此類產(chǎn)品設計制造多年豐富的實務經(jīng)驗及專業(yè)知識，并配合學理的運用，積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設一種新的粉煤灰基礦物聚合物的制備及應用方法，使其更具有實用性。經(jīng)過不斷的研究、設計，并經(jīng)反復試作樣品及改進后，終于創(chuàng)設出確具實用價值的本發(fā)明。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有的礦物聚合物膠凝材料的制備及應用方法存在的缺Pg,而提供一種新型的粉煤灰基礦物聚合物的制備及應用方法，所要解決的技術問題是使其充分利用工業(yè)廢料粉煤灰，降低生產(chǎn)成本，利于環(huán)保，節(jié)約能耗，應用方便且其產(chǎn)品具有礦物聚合物的優(yōu)良特性，從而更加適于實用。本發(fā)明的目的及解決其技術問題是采用以下技術方案來實現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明提出的一種粉煤灰基礦物聚合物的制備及應用方法，主要包括以下步驟向粉煤灰中加入激發(fā)劑溶液并進行攪拌，使?jié){體達到標準稠度；將漿體注入框模成型；對成型產(chǎn)品進行養(yǎng)護；其中所述的激發(fā)劑溶液為2mol/L-5mol/L的石圭酸鹽溶液或固含量為25-40%、才莫數(shù)為1.0-1.5的水玻璃溶液。本發(fā)明的目的及解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實現(xiàn)。前述的粉煤灰基礦物聚合物的制備及應用方法，所述的喬護是將產(chǎn)品帶模放置在50°C-65。C的蒸汽養(yǎng)護箱內，待產(chǎn)品硬化后拆模，然后將產(chǎn)品繼續(xù)放在該溫度的養(yǎng)護箱內養(yǎng)護，養(yǎng)護時間總計3-7日。前述的粉煤灰基礦物聚合物的制備及應用方法，所述的養(yǎng)護是將產(chǎn)品帶模放置在標準養(yǎng)護箱中，養(yǎng)護l日后拆模，然后將產(chǎn)品放入65。C-8(TC的蒸汽養(yǎng)護箱中繼續(xù)養(yǎng)護2-6曰。前述的粉煤灰基礦物聚合物的制備及應用方法，所述的粉煤灰為二級或二級以上，且化學成分的質量百分比為25-40%的A1203、35-60%的Si02,和小于8%的Ca0。前述的粉煤灰基礦物聚合物的制備及應用方法，所述的硅酸鹽溶液為硅酸鈉或硅酸鉀溶液，所述的水玻璃溶液的主要成分為硅酸鈉或硅酸鉀，以及單體氧化硅。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有明顯的優(yōu)點和有益效果，并具有產(chǎn)業(yè)上的廣泛利用價值，其至少具有下列優(yōu)點1、本發(fā)明粉煤灰基礦物聚合物的制備及應用方法，是以工業(yè)廢料粉煤灰基礦物聚合物為原料，不僅降低了生產(chǎn)成本，避免了粉煤灰對環(huán)境的污染，減少了堆放占地，并且不需要專門進行煅燒，節(jié)約了能耗，制備和應用方法都非常簡單，相當具有產(chǎn)業(yè)的利用價值。2、本發(fā)明的產(chǎn)品粉煤灰基礦物聚合物具有礦物聚合物的優(yōu)良特性，力學性能、耐腐蝕性、耐久性、抗?jié)B性好，凝結硬化快，強度高，水化熱低，收縮率和膨脹率小，可自調溫調濕避免了返潮現(xiàn)象，耐凍融循環(huán)，耐水熱作用，有較高的界面結合強度，能有效地固定有毒離子。綜上所述，本發(fā)明粉煤灰基礦物聚合物的制備及應用方法，充分利用工業(yè)廢料粉煤灰，降低成本，利于環(huán)保，節(jié)約能耗，應用方便，產(chǎn)品具有礦物聚合物的優(yōu)良特性。本發(fā)明具有上述諸多優(yōu)點及實用價值，其不論在制備及應用方法上、產(chǎn)品功效上皆有較大的改進，在技術上有顯著的進步，并產(chǎn)生了好用及實用的效果，且較現(xiàn)有的礦物聚合物膠凝材料的制備及應用方法具有增進的突出多項功效，從而更加適于實用，并具有產(chǎn)業(yè)的廣泛利用價值。上述說明僅是本發(fā)明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，并配合附圖，詳細說明如下。具體實施例方式為更進一步闡述本發(fā)明為達成預定發(fā)明目的所采取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的粉煤灰基礦物聚合物的制備及應用方法其具體實施方式、步驟、特征及其功效，詳細說明如后。本發(fā)明粉煤灰基礦物聚合物的制備原料為粉煤灰與激發(fā)劑溶液。粉煤灰原料的選擇本發(fā)明要求選用二級或二級以上的粉煤灰為原料，其化學成分主要為質量百分比25-40%的A1203,35-600/o的Si。2,還含有小于8%的CaO。激發(fā)劑溶液的配制本發(fā)明所使用的激發(fā)劑溶液是硅酸鹽溶液或水玻璃溶液，其中硅酸鹽溶液可以是,圭酸鈉溶液或^圭酸鉀溶液，溶液濃度為2mol/L-5mol/L;水玻璃溶液的主要成分為硅酸鈉或硅酸鉀，還有單體氧化硅，其固含量為25-40%，模數(shù)為1.0-1.5。本發(fā)明粉煤灰基礦物聚合物的制備及應用方法，主要包括以下步驟首先，在常溫下，向粉煤灰中加入激發(fā)劑溶液并進行攪拌，溶液體積與固體質量配比約為0.26-0.33L/kg，以使?jié){體達到標準裯度為條件，而根據(jù)環(huán)境及原料狀況選擇具體配比，所得漿體即為粉煤灰基礦物聚合物凝膠材料。其次，將上述漿體注入框模成型。最后，將成型好的產(chǎn)品進行高溫養(yǎng)護或常溫加高溫養(yǎng)護。其中，高溫養(yǎng)護是將產(chǎn)品帶模放置在5(TC-65。C的蒸汽養(yǎng)護箱內，待產(chǎn)品硬化后拆模，然后將產(chǎn)品繼續(xù)放在該溫度的養(yǎng)護箱內養(yǎng)護，養(yǎng)護時間總計3-7日；常溫加高溫養(yǎng)護是將產(chǎn)品帶模放置在標準養(yǎng)護箱中，養(yǎng)護1曰后拆模，然后將產(chǎn)品放入65。C-8(TC的蒸汽養(yǎng)護箱中繼續(xù)養(yǎng)護2-6曰。本發(fā)明粉煤灰基礦物聚合物的制備及應用方法，是以粉煤灰為主體原料(占90%以上)，從本質上講其產(chǎn)品是一種全新的膠凝材料，能更加充分地利用粉煤灰。雖然制備時要加入一定的堿性溶液，但是在礦物聚合物的網(wǎng)狀結構中，一價、二價金屬離子填充在其中用于平衡Al代替Si后骨架中形成的電價不平衡，最終形成一種"牢籠"結構，使金屬離子成為非自由離子，從而避免了堿骨料反應的可能性。以下是本發(fā)明具體實施例。實施例一以5mol/LK2Si03溶液作為激發(fā)劑，用一級粉煤灰(含釣量3.04%)為原材料，液固體積質量比為0.3L/kg混合攪拌達到標準稠度，成型的產(chǎn)品，在5Q。C蒸汽養(yǎng)護7日后，抗壓強度達57.QMPa，按照水泥相關標準檢測，產(chǎn)品的長期耐久性(耐硫酸鹽、鹽酸腐蝕性，抗;成集料反應性等)符合行業(yè)標準。實施例二以2mol/LLSi03溶液作為激發(fā)劑，用二級粉煤灰(含4丐量4.40%)為原材料，液固體積質量比為0.3L/kg混合攪拌達到標準稠度，成型的產(chǎn)品，在65。C蒸汽養(yǎng)護7日后，抗壓強度達20.lMPa,按照水泥相關標準檢測，產(chǎn)品長期耐久性(耐疏酸鹽、鹽酸腐蝕性，抗堿集料反應性等)符合行業(yè)標準。實施例三以模數(shù)l.0、含固量32%的工業(yè)鈉水玻璃溶液作為激發(fā)劑，用一級粉煤灰(含鈣量3.85%)為原材料，液固體積質量比為0.3L/kg混合攪拌達到標準稠度，成型的產(chǎn)品，常溫養(yǎng)護1日后再在65。C蒸汽養(yǎng)護2日，抗壓強度達45.3MPa,按照水泥相關標準檢測，產(chǎn)品長期耐久性(耐硫酸鹽、鹽酸腐蝕性，抗堿集料反應性等)符合國家標準。實施例四以模數(shù)l.5、含固量25%的工業(yè)鉀水玻璃溶液作為激發(fā)劑，用一級粉煤灰(含鈣量3.04%)為原材料，液固體積質量比為0.3L/kg混合攪拌達到標準稠度，成型的產(chǎn)品，常溫養(yǎng)護1日后再在80。C蒸汽養(yǎng)護2日，抗壓強度達41.7MPa，按照水泥相關標準檢測，產(chǎn)品長期耐久性(耐硫酸鹽、鹽酸腐蝕性，抗堿集料反應性等)符合國家標準。實施例五以模數(shù)1.0、含固量40%的工業(yè)鉀水玻璃溶液作為激發(fā)劑，用二級粉煤灰(含釣量4.40%)為原材料，液固體積質量比為0.3L/kg混合攪拌達到標準稠度，成型的產(chǎn)品，常溫養(yǎng)護1日后再在65。C蒸汽養(yǎng)護6日，抗壓強度達34.GMPaj要照水泥相關標準檢測，產(chǎn)品長期耐久性(耐辟u酸鹽、鹽酸腐蝕性，抗堿集料反應性等)符合國家標準。將上述五個實施例所制備的粉煤灰基礦物聚合物試樣分別取代號為A、B、C、D、E，則按照標準測試各實施例產(chǎn)品的耐久性結果如表1~表4。測試方法分別參照GB/T2420-1981《水泥抗硫酸鹽侵蝕快速試驗方法》、JC/T313-1982(1996)《膨脹水泥膨脹率檢測方法》、JC/T603-1995《水泥膠砂干縮試驗方法》、GBJ82-85《普通混凝上長期性能和耐久性能試驗方法》進行耐久性能的測試。表1粉、"良灰基礦物聚合物產(chǎn)品浸泡HC1強度變化<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表2粉煤灰基礦物聚合物產(chǎn)品浸泡硫酸鹽溶液后強度變化<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表4粉煤灰基礦物聚合物產(chǎn)品干縮率<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>本發(fā)明產(chǎn)品具有很好的耐鹽酸腐蝕性、耐熱性、不會發(fā)生堿集料反應。在一些特殊的工程中，如有毒廢棄物和核廢料的處理工程、防火混凝土、耐高溫結構、耐酸侵蝕的工程、交通搶修工程等，可以用粉煤灰基礦物聚合物替代硅酸鹽水泥配制混凝土，礦物聚合物所具有的各項優(yōu)異性能可以大大延長混凝土的使用壽命，擴大混凝土的應用范圍，發(fā)揮硅酸鹽水泥混凝土所沒有的效能。隨著礦物聚合物復合材料的開發(fā)，還可以通過摻加纖維等物質來滿足不同應用場合的特殊需要，例如，加入玻璃纖維、碳纖維、碳化纖維來增強礦物聚合物的抗彎、抗拉、抗剪強度，并使其在幾百度高溫下，仍可以保持優(yōu)異的物理性能；添加非晶態(tài)金屬纖維來制造核廢料容器；摻加化纖聚丙烯網(wǎng)制造輕質板材；添加有機物PVA、PAA制造人造大理石；還可以采用超細粉密實工藝，通過添加硅灰來制造抗壓強度好的模具料；采用熱壓工藝，制成所需孔隙率和抗壓強度的類巖石膠凝體。本發(fā)明的復合材料產(chǎn)品物理力學性能更加豐富，應用領域將進一步擴展，使其在市政、橋梁、水利、地下、海洋及有害物質的固化等方面具有廣闊的應用前景。在傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)過程中不僅消耗大量的能換，還需排放大量C0j顯室氣體，而火電廠排;改出的大量粉煤灰造成了環(huán)境污染和資源浪費，并且隨著經(jīng)濟的發(fā)展，C02和粉煤灰這兩種工業(yè)副產(chǎn)品的排放量也必將快速增加。本發(fā)明的產(chǎn)品粉煤灰基礦物聚合物作為一種新型膠凝材料來替代水泥，不僅是利用工業(yè)廢料粉煤灰作原料，在制備及應用過程中也不會對環(huán)境產(chǎn)生負面影響，符合可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)利用的經(jīng)濟要求。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術人員，在不脫離本發(fā)明技術方案范圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質對以上實施例所作的任何筒單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案的范圍內。權利要求1、一種粉煤灰基礦物聚合物的制備及應用方法，其特征在于主要包括以下步驟向粉煤灰中加入激發(fā)劑溶液并進行攪拌，使?jié){體達到標準稠度；將漿體注入框模成型；對成型產(chǎn)品進行養(yǎng)護；其中所述的激發(fā)劑溶液為2mol/L-5mol/L的硅酸鹽溶液或固含量為25-40％、模數(shù)為1.0-1.5的水玻璃溶液。2、根據(jù)權利要求1所述的粉煤灰基礦物聚合物的制備及應用方法，其特征在于所述的養(yǎng)護是將產(chǎn)品帶模放置在50。C-65。C的蒸汽養(yǎng)護箱內，待產(chǎn)品硬化后拆模，然后將產(chǎn)品繼續(xù)放在該溫度的養(yǎng)護箱內養(yǎng)護，養(yǎng)護時間總計3-7日。3、根據(jù)權利要求1所述的粉煤灰基礦物聚合物的制備及應用方法，其特征在于所述的養(yǎng)護是將產(chǎn)品帶模放置在標準養(yǎng)護箱中，養(yǎng)護l日后拆模，然后將產(chǎn)品;改入65°C-8(TC的蒸汽養(yǎng)護箱中繼續(xù)養(yǎng)護2-6日。4、根據(jù)權利要求1-3任一權利要求所述的粉煤灰基礦物聚合物的制備及應用方法，其特征在于所述的粉煤灰為二級或二級以上，且化學成分的質量百分比為25-40%的A1203、35-60。/。的Si02，和小于8%的CaO。5、根據(jù)權利要求1-3任一權利要求所述的粉煤灰基礦物聚合物的制備及應用方法，其特征在于所述的硅酸鹽溶液為硅酸鈉或硅酸鉀溶液，所述的水玻璃溶液的主要成分為硅酸鈉或硅酸鉀，以及單體氧化硅。6、根據(jù)權利要求4所述的粉煤灰基礦物聚合物的制備及應用方法，其特征在于所述的石圭酸鹽溶液為硅酸鈉或硅酸鉀溶液，所述的水玻璃溶液的主要成分為硅酸鈉或硅酸鉀，以及單體氧化硅。全文摘要本發(fā)明是有關于一種粉煤灰基礦物聚合物的制備及應用方法，其主要包括以下步驟將激發(fā)劑溶液與粉煤灰混合并攪拌成漿；將漿體注入框模成型；對成型產(chǎn)品進行養(yǎng)護；其中所述的激發(fā)劑溶液為2mol/L-5mol/L的硅酸鹽溶液或固含量為25-40％、模數(shù)為1.0-1.5的水玻璃溶液。本發(fā)明粉煤灰基礦物聚合物的制備及應用方法，充分利用工業(yè)廢料粉煤灰，降低成本，利于環(huán)保，節(jié)約能耗，應用方便，產(chǎn)品具有礦物聚合物的優(yōu)良特性。文檔編號C04B7/26GK101353232SQ200810222290公開日2009年1月28日申請日期2008年9月16日優(yōu)先權日2008年9月16日發(fā)明者侯云芬,劉子科,張守祺,俏李,王棟民,范德科申請人:中國礦業(yè)大學(北京)