一種微膨脹早強型低鈣粉煤灰基堿激發材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種低鈣粉煤灰基堿激發材料及其制備方法，具體涉及一種以低鈣粉 煤灰為主要原料，添加粒化高爐礦渣、納米沸石粉、膨潤土和石膏粉，通過與鉀鈉水玻璃和 苛性堿復配形成的堿激發組分復合，得到一種微膨脹、早強型堿激發膠凝材料，屬建筑材料
技術領域。
【背景技術】
[0002] 硅酸鹽水泥具有硬化后強度高、可塑性強、粘結性好以及耐久性能優良等特點，是 目前使用最廣泛的膠凝材料。然而隨著其原材料的日益緊缺，以及生產過程中產生的高C0 2 排放及高污染，已經給資源的合理利用和環境保護帶來巨大的負面影響。我國燃煤電廠和 低熱值電廠排放的粉煤灰占全國固體廢棄物的40%。粉煤灰作為礦物摻合材，應用于水泥 與混凝土生產中，已是世界范圍內較為成熟的技術。然而現階段，粉煤灰的利用尚存方式單 一、利廢率低，且屬于低附加值的粗放式利用等問題。
[0003] 喊激發材料(Alkali-Activated Materials，簡稱AAM)作為一種以無機[Si04]、 [Al04]四面體形成空間三維網狀鍵接結構的新型膠凝材料，多以高爐礦渣、偏高嶺土、廢玻 璃等天然硅鋁酸鹽礦物或工業固體廢物為主要原料，工藝簡單、節能環保，已成為國內外研 究熱點，具有廣闊的發展空間。
[0004] 粉煤灰基堿激發材料(Alkali-Activated Fly Ash，簡稱AAFA)是利用粉煤灰(FA， 主要成分為Si02、Al20 3、Fe203及少量未燃燒碳)和天然硅鋁原料的相似性，摻加堿性激發組 分，在一定條件下制備而成。與傳統的使用高嶺土或偏高嶺土等為主要原料制備堿激發材 料需要高溫煅燒不同，FA為電力工業高溫燃燒殘留物，無須預熱處理，為其大規模工程應用 提供了有力保障，產生顯著的經濟與社會環保效益。
[0005] 目前國內外研發的AAM，少見以低鈣FA為主料的相關專利，以鋼渣、硅鈣渣微粉、石 煤提釩尾礦、礦渣混凝土再生原料等等為主要原料(無任何粉煤灰組分)研發的AAM專利報 道，與本發明在原料(尤其是主料）的選擇上存在本質區別。中國專利(CN201410618006)中 粉煤灰摻量〇~45%、中國專利(CN201110394108)粉煤灰所占質量比例為5~20%、中國專 利（CN201510181543)粉煤灰/礦渣混合物(兩者比例1:1~4:1)占粉體質量20~40%，以及 中國專利(CN201410856420)所用粉煤灰為25~45%等等，可見這類專利中制備的AAM所用 粉煤灰非主料，摻量均不超過粉體質量的45%。其原因在于：與其他娃錯質原料相比，FA活 性低，其顆粒表面玻璃釉質難以分解并產生化學反應，若摻量過大，將造成AAFA力學性能下 降，或出現因堿激發組分劑量上升導致的"泛霜"現象和體積安定性不良等問題。
[0006] 中國專利（0附018306534、0附018573874、0附018306544)，雖然?六用量范圍與本發 明接近，然而其主要原料為高鈣FA而非低鈣FA。高鈣灰是指游離CaO成分占10%以上的FA， 為Si〇2-Al2〇3_CaO三元系統，而低鈣灰CaO含量一般在3%以內，為Si〇2_Al2〇3二元系統，這兩 種系統在堿激發作用下產生地聚合反應的機理和動力學過程是完全不一樣的。總的來說FA 的CaO含量高，其活性大，制備凝結時間較短、強度較高的AAFA材料，但也存在一個明顯的技 術缺陷:CaO遇水形成強堿Ca(OH)2,極易導致體積安定性不良，甚至出現嚴重開裂和粉化現 象。
【發明內容】
[0007] 針對現有技術中粉煤灰基堿激發材料存在的缺陷，本發明的一個目的是在于提供 一種以低鈣粉煤灰為主料得到的具有良好力學性能(尤其是早強)和優異的體積穩定性(微 膨脹效應）、抗裂性能和耐久性的堿激發材料，滿足土建工程要求。
[0008] 本發明的另一個目的是在于提供一種操作和工藝流程簡單、節能利廢、成本低廉 的制備所述堿激發材料的方法。
[0009] 為了實現上述技術目的，本發明提供了一種微膨脹早強型低鈣粉煤灰基堿激發材 料，該激發材料由粉料和堿激發組分及水按質量比100:10~20:30~50組成;所述的粉料由 以下質量百分比組分組成：
[0010] 低|丐粉煤灰50~95%，
[0011] 粒化高爐礦渣5~20%，
[0012] 納米沸石粉<15%，
[0013] 膨潤土 <10%，
[0014] 石膏粉 <5%。
[0015] 本發明的技術方案針對現有的低鈣粉煤灰用于堿激發材料存在的缺陷而提出，以 低鈣粉煤灰為主要組分，通過引入粒化高爐礦渣、適量的納米級沸石粉和膨潤土及石膏粉 等組分，同時優化復配堿激發組分進行改性，獲得強度高(尤其是早期強度高）、體積穩定且 具有微膨脹效應、抗裂能力優異的堿激發材料。克服了現有技術中低鈣粉煤灰用于堿激發 材料存在的缺陷。
[0016] 優選的方案，低鈣粉煤灰為滿足GB/T1596標準的I級或II級F類粉煤灰，低鈣粉煤 灰中游離CaO小于10.0%。
[0017]優選的方案，粒化高爐礦渣為滿足GB/T18046標準的S95以上等級礦渣粉。
[0018]優選的方案，納米沸石粉粒度大小在20~80nm范圍內，納米沸石粉中無定型Si〇2 和AI2O3總質量百分比含量大于70%。
[0019] 優選的方案，膨潤土為鉀基膨潤土，膨潤土中鈣質蒙脫石質量百分比含量大于 85%〇
[0020] 優選的方案，石膏粉為天然石膏粉或工業副產石膏粉，石膏粉中CaS〇4 · 2H20有效 成分含量在90%以上。工業副產石膏粉為脫硫石膏或磷石膏等。
[0021 ]優選的方案，堿激發組分由等摩爾比的氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液調節鉀鈉水玻璃 的Si02/(Na20+K20)摩爾比至1.1~1.9,并在室溫環境下陳化20~28h得到。
[0022]本發明的堿激發組分由鉀鈉水玻璃和苛性堿復配而成。
[0023] 堿激發組分為I類低模液態娃酸鉀鈉 xNa2〇 · yK2〇 · zSi〇2,其中：x:y= 1:1，z/(x+ y) = l.l ~1·9〇
[0024]鉀鈉水玻璃的模數M(z/(x+y))是通過添加摩爾比1:1氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液， 改變鈉水玻璃中Si02/(Na20+K20)摩爾比大小而調節的，并在室溫環境下陳化20~28h，以供 使用。
[0025] 所述的NaOH或Κ0Η為常規市售產品，其有效成分含量在98%以上。
[0026] 本發明還提供了制備所述的微膨脹早強型低鈣粉煤灰基堿激發材料的制備方法， 該制備方法是將各種粉料混合均勻后，進一步與含堿激發組分的水溶液混合均勻，即得。
[0027] 本發明的低鈣粉煤灰基堿激發材料的制備方法，包括以下步驟：（1)將各種粉料混 合均勻；（2)將鉀鈉水玻璃與氫氧化鈉、氫氧化鉀復配、陳化，得到堿激發組分；（3)將(2)所 得復合堿激發組分稀釋后，與（1)所得混合粉料混合均勻，即得;其中，根據所確定的堿激發 組分用量，摻入的水須扣除堿激發組分所含水量。
[0028] 本發明的低鈣粉煤灰基堿激發材料的具體制備方法如下:在攪拌機內依次加入各 種粉料，啟動攪拌機干拌30s，使粉料混合均勻;根據設計用水量將陳伏20~28h的堿激發組 分稀釋到相應水中；向攪拌機中緩緩加入含設計質量濃度和模數堿激發組分的水，慢攪拌 2min、快攪拌2min至形成質量均勾的拌合物。
[0029]用低鈣粉煤灰基堿激發材料制備的凈漿、砂漿或混凝土試件，在混凝土標準養護 室養護Id后拆模，環境室標準養護、室內自然養護、蒸汽養護均可；養護環境:溫度20~80 °C，相對濕度40~100%。根據養護制度不同，可制備出不同技術性能的堿激發材料，以滿足 不同類型土建工程的使用要求。
[0030]相對現有技術，本發明的技術方案帶來的有益效果：
[0031] 1、以低鈣粉煤灰為主要原料，實現低鈣粉煤灰的充分利用，利用其制備高附加值 的堿激發材料，解決粉煤灰長期堆積的土地資源浪費和環境污染問題，拓寬粉煤灰利用途 徑及提高其經濟附加值;同時利用工業廢石膏、粒化高爐礦渣等，實現了資源綜合化利用；
[0032] 2、本發明的低鈣粉煤灰基堿激發材料配方以低鈣粉煤灰為主要原料，得到一種適 用于多種土建工程應用的新型膠凝材料，根據配比方案的不同，可分別達到42.5、42.5R、 52.5、52.5R、62.5、62.5R水泥強度等級，具有優良的力學性能和優異的體積穩定性(微膨脹 效應）、抗裂性能和耐久性的堿激發材料，滿足土建工程要求。
[0033] 3、本發明的低鈣粉煤灰基堿激發材料獲得微膨脹和早強優勢，具有可快速施工的 特點、體積微膨脹效果以及優異的抗裂性能。收縮開裂是水泥類材料的固有缺陷，而"泛霜" 現象和膨脹粉化往往是高鈣粉煤灰基堿激發材料的隱患，本發明的配方解決了現有技術中 存在的問題。
[0034] 4、本發明制備方法和流程簡單、能耗低，原料成本低，滿足工業生產和土建工程應 用要求。
【附圖說明】
[0035]【圖1】為平板開裂試驗設備示意圖；
[0036]【圖2】為混凝土平板開裂試驗照片。
【具體實施方式】
[0037] 以下實施實例旨在說明本發明，而不是對本發明權利要求保護范圍的進一步限 定。
[0038] 實施例1
[0039] 軟土地基注漿材料：
[0040]粉煤灰顆粒與普通水泥顆粒相比較小，顆粒級配分布更加合理，且球型顆粒表面 呈玻璃質，表面光滑致密。AAFA需水量小、流動度大、滲透性好，膨潤土、石膏的摻入進一步 改善AAFA流動性、粘聚性和產生體積微膨脹，利于其滲透到被加固土體及道路基層后，與加 固體粘結更緊密。
[0041 ] 具體生產過程如下：
[0042]路基層注漿料：II級F類FA比例90%，膨潤土5%，石膏粉5%，鉀鈉水玻璃模數至 1.2，復合堿激發組分質量百分比為12%，水占粉料總質量比0.50:1。
[0043] 土基層注漿料：II級F類FA占8