[发明专利]一种粉煤灰基地质聚合物及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，具体是一种粉煤灰基地质聚合物及其制备方法。

背景技术

水泥材料是用量最大的人造材料，改革开放以来，随着经济建设规模扩大，我国水泥工业得到较快的发展，水泥的产量已经连续多年居世界首位。据有关部分统计，2012年我国水泥年产量已突破20亿吨。传统的硅酸盐水泥利用石灰石、粘土等原料，经过两磨一烧的生产工艺制备而成，其中煅烧温度高达1450℃，因此传统硅酸盐水泥的生产时一个高能耗、高资源消耗、高环境负荷的产业，例如，生产1t水熟料大约消耗1t石灰石，排放1tCO₂，消耗电力约90kW/h，煤约130kg。水泥工业使我国能源、资源和环境不堪重负，给水泥工业的可持续发展带来严峻的挑战。

地质聚合物材料（Geopolymer）是近年来新发展起来的一类碱激发胶凝材料。它是以天然铝硅酸盐矿物或工业固体废弃物（粉煤灰、煤矸石以及矿渣）为主要原料，与含铝质粘土（主要为偏高岭土或高岭石）和适量碱硅酸盐溶液充分混合后，在20～120℃的低温条件下成型硬化生成的一类铝硅酸盐类沸石材料，具有高强度、高耐腐蚀性、耐高温、导热率低等特点。地质聚合材料具有高聚物、陶瓷和水泥等材料的性质，可作为胶凝材料来制备混凝土，砂浆等工程材料，是当今公认最具潜力的水泥胶凝材料替代或补充产品的绿色胶凝材料之一。

目前，中国粉煤灰的排放量每年已超过3.0亿吨。由于煤炭在中国一次性能源消费中约占70%，未来很长一段时期内仍将以燃煤发电为主，因而仍将产生大量的粉煤灰。国内目前对粉煤灰的综合利用率只有30%左右，大量的粉煤灰得不到有效利用，采用堆放处理不仅占用了大量的土地，而且还污染环境，可以说，固体废物的资源化利用任务艰巨。本发明提出的利用粉煤灰为主要原材料配制粉煤灰基地质聚合物具有一定的前瞻性和实用性，目标明确，手段得当，实施容易。但由于地质聚合物多采用液体激发剂，并且得到的地质聚合物强度随原材料成分波动很大，难以实现不同强度等级的地质聚合物标准化配置，本发明所述地质聚合物采用干粉相直接加水搅拌而成，与传统的水泥使用工艺完全一样；同时本发明通过添加硅灰来调整地质聚合物的强度等级，实现了不同强度等级粉煤灰地质聚合物的制备。

发明内容

本发明的目的在于克服现有地质聚合物配比强度难以控制、激发剂采用水剂等技术缺点，提供一种成本低、工艺简单、无毒无污染、原材料来源广泛、强度可控的粉煤灰基地质聚合物；本发明同时提供了上述粉煤灰基地质聚合物的制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种粉煤灰基地质聚合物，包括重量比为20:3的干粉相和水；所述干粉相的组成按重量份计为：粉煤灰60～85份、硅灰0～25份、固体硅酸钠10份、工业纯氢氧化钠5份和三聚磷酸钠0.05～0.12份。

本发明的进一步设置在于，所述的粉煤灰为火力发电厂粉煤灰炉烟道气体中收集的粉末，其CaO质量含量≤10%（属于F类粉煤灰），强度活性指数≥70%，45微米方孔筛筛余≤45.0%（部分技术性能指标达到GB/T1596《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中的III级及以上要求）。

本发明的进一步设置在于，所述硅灰为在冶炼硅铁合金或工业硅时通过烟道排出的粉尘，经收集得到的以无定形二氧化硅为主要成分的粉体材料；SiO₂质量含量≥85%，比表面积≥15m²/g，活性指数≥105%（部分技术要求符合砂浆和混凝土用硅灰（GB/T27690～2011）要求）。

本发明的进一步设置在于，所述固体硅酸钠中Na₂O的质量含量≥7.2%， iO₂的质量含量≥25%，可溶物质质量分数≥95.0，模数在3.0～3.6之间。

本发明的进一步设置在于，所述工业纯氢氧化钠的部分技术指标满足GB209～2006《工业用氢氧化钠》中I类要求，即氢氧化钠（以NaOH计）的质量分数≥94.0。

本发明的进一步设置在于，所述的三聚磷酸钠为市售的粉体状陶瓷减水剂，其纯度≥90.0%。

所述粉煤灰基地质聚合物抗压强度可进行标准化设计，通过调整硅灰掺量可实现抗压强度在40～100MPa等强度范围地质聚合物的配置。

本发明还同时提供了一种粉煤灰基地质聚合物制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将重量份为粉煤灰60～85份、硅灰0～25份、固体硅酸钠10份、工业纯氢氧化钠5份和三聚磷酸钠0.05～0.12份在搅拌机中搅拌均匀，得到干粉相；