[发明专利]一种粉煤灰基无机聚合物复合胶凝材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于有机-无机复合材料领域，具体涉及一种在碱性激发剂的作用下，生成无机聚合物复合胶凝材料及其制备方法，或进一步丙烯酸丁酯-丙烯酸树脂乳液与粉煤灰硅灰提供的无机铝硅酸盐在碱性激发剂的作用下，生成无机聚合物复合胶凝材料及其制备方法。

背景技术

粉煤灰是火力发电厂的煤粉进入1300～1500℃的燃煤锅炉后经收尘器收集的废渣。近年来，我国的能源工业稳步发展，发电能力年增长率为7.3％，电力工业的迅速发展，带来了粉煤灰排放量的急剧增加，1995年粉煤灰的排放量为1.25亿吨，，2000年约为1.5亿吨，到2010年将达到4亿吨。在今后相当长的时期内，火力发电仍然是我国电力工业的主流，粉煤灰的产量也会随之快速增长，大量的粉煤灰长期堆放不仅占用大量的良田，日晒雨淋，会渗入地下，或流入江海，给生态环境造成巨大的压力。在大力倡导的“减量化、再利用、资源化”的循环经济，低碳经济的今天，利用大量的粉煤灰制备新型无机聚合物胶凝材料，以替代水泥材料作为新型建筑胶凝材料，使水泥的产量减少，节约石灰石资源以及水泥熟料烧成过程中的高能耗和高污染，间接达到减排CO₂的目的，是粉煤灰高附加值利用的有效途径之一。

无机聚合物铝硅酸盐胶凝材料是由天然矿物(高岭土、火山灰)以及铝硅酸盐工业固体废弃物(粉煤灰、煤矸石、矿渣、钢渣、磷渣等)在碱性激发剂的作用下，发生硅氧键和铝氧键的断裂，再通过缩聚反应，形成硅氧四面体与铝氧四面体组成的三维网络结构的无机聚合物胶凝材料[1-3]。J.Davidovits于1985年在申请的美国专利中提出了“Geopolymer”的新概念[4]。不同研究者将其称为“碱激发胶凝材料”，“地质聚合物”，“土壤聚合物”，“无机聚合物”等，但都从不同侧面反映了由硅氧铝形成的网络结构的本质。

利用KOH，NaOH，Na₂SiO₃等碱性物质与粉煤灰反应制备无机聚合物胶凝材料有诸多报导，由于粉煤灰与碱反应的活化能比较高，通常需要在一定温度(50-90℃)下养护，以缩短生成无机聚合物胶凝材料的凝结时间，并加快其强度的发展[5-21]。同时，为了节约制备成本，简化工艺过程，J.Temuujin等人[22]探讨了室温养护条件下制备粉煤灰基无机聚合物胶凝材料的工艺条件。S.Frantisek等人[23-26]发明了利用碱激发粉煤灰制备无机聚合物的专利。

Sun等人[27，28]报导了一种PVA纤维增韧的粉煤灰基无机聚合物胶凝材料，PVA纤维的最佳掺量为粉煤灰的1％。Hu等人[29]制备了以沸石及斑脱土作为添加剂的碱激发粉煤灰无机聚合物胶凝材料。D.R.M.Brew等人[30]探索了利用硅灰的碱溶液形成的硅酸钠与铝酸钠溶液进行溶胶-凝胶缩聚反应制备无机聚合物胶凝材料。N.Mamoru等人[31]的发明专利报导了工业废弃物粉煤灰固化成型的方法，将碱液与粉煤灰、硅灰(加入量3-50％)在加热加压的模具中加热加压使其硬化成型，具体的加热固化温度为100-200℃，施加压力2-16MPa。当加热温度为200℃，施加压力为11-16MPa时，其成型件的抗压强度为140MPa。

根据申请人所查阅的大量国内外相关文献资料及专利，仅发现一项涉及碱激发粉煤灰和硅灰制备无机聚合物胶凝材料的专利报导[31]。但该方法是在加热温度为100-200℃，施加压力为2-16MPa的苛刻条件下，使碱激发粉煤灰与硅灰固化，生成无机聚合物胶凝材料。而本发明是采用碱性激发剂与粉煤灰及硅粉反应，同时掺入丙烯酸丁酯-丙烯酸树脂乳液对碱性激发剂粉煤灰基无机聚合物进行增韧改性，继而在室温条件下自然硬化，无需任何外加温度及压力条件，故与N.Mamoru等人[31]报导的专利有本质区别。根据申请人所查阅的大量相关文献资料及专利，没有发现丙烯酸丁酯-丙烯酸乳液增韧的粉煤灰基无机聚合物复合胶凝材料的相关专利及文献报导。以下是发明人给出的参考文献：

[1]J.Davidovits，R.Davidovits，Poly(sialate-disiloxo)-based geopolymericcement and production method thereof，U S Patent 7,229,491(2007).

[2]D.Khate，R.Chaudhary，Mechanism of geopolymerization and factorsinfluencing its development：a review，J.Mater.Sci.42(2007)729-746.