一种粉煤灰、炉底渣、富水电石渣基地聚物及其制备方法
阅读说明：本技术 一种粉煤灰、炉底渣、富水电石渣基地聚物及其制备方法 (Base polymer of fly ash, furnace bottom slag and water-rich carbide slag and preparation method thereof ) 是由 周新星 周亚军 张艳聪 陈毅 刘亚明 边伟 荣亚鹏 高学凯 吕子龙 张必昌 于 2019-11-22 设计创作，主要内容包括：本发明属于新型地聚物注浆材料及其应用技术领域,主要公开了一种粉煤灰、炉底渣、富水电石渣基地聚物及其制备方法,本发明地聚物由循环流化床锅炉燃烧产生的粉煤灰和炉底渣与富水电石渣、碱激发剂溶液、波特兰水泥及减水剂制备而成,其中碱激发剂溶液为氢氧化钠溶液和以下四种钠盐溶液中的至少一种的组合：硅酸钠溶液、硫酸钠溶液、磷酸钠溶液、碳酸钠溶液。本发明地聚物充分利用工业固体废弃物,资源再利用,且掺加的少量波特兰水泥和减水剂可快速固化粉煤灰、炉底渣、富水电石渣基地聚物、安全无毒,对环境友好,强度高,固化时间短；同时该制备方法工艺简单,操作方便。(The invention belongs to the technical field of novel geopolymer grouting materials and application thereof, and mainly discloses a geopolymer based on fly ash, furnace bottom slag and water-rich carbide slag and a preparation method thereof, wherein the geopolymer is prepared from fly ash and furnace bottom slag generated by combustion of a circulating fluidized bed boiler, the water-rich carbide slag, an alkali activator solution, Portland cement and a water reducing agent, wherein the alkali activator solution is a combination of a sodium hydroxide solution and at least one of the following four sodium salt solutions: sodium silicate solution, sodium sulfate solution, sodium phosphate solution and sodium carbonate solution. The geopolymer of the invention fully utilizes industrial solid waste and resources, and the doped small amount of Portland cement and water reducing agent can quickly cure the geopolymer of fly ash, furnace bottom slag and water-rich carbide slag, is safe and nontoxic, is environment-friendly, has high strength and short curing time; meanwhile, the preparation method has simple process and convenient operation.)
技术领域
本发明属于新型地聚物注浆材料及其应用技术领域，具体涉及一种粉煤灰、炉底渣、富水电石渣基地聚物及其制备方法，充分利用了三种工业固体废弃物。
背景技术
地聚物是一种高性能新型凝胶材料，是一类与陶瓷具有相似性能的高性能三维网络状结构的无机胶凝材料，具有耐腐蚀、抗渗透、耐高温、强度高、耐久性好等优点，而且与普通硅酸盐水泥相比，具有原材料来源广、价格低廉、绿色环保、工艺简单等特点。众多优异的性能使得地聚物成为国内外研究的热点，广受关注。
当前，对于地聚物的研究有单一固废原材料基地聚物、复合固废(通常是两种固体废弃物)原材料基地聚物等，然而他们普遍存在着力学性能特别是耐久性差、原材料综合成本高、凝固时间长、难以保持较好的抗压和抗弯折性等缺点。本发明拟以粉煤灰、炉底渣、富水电石渣三种固废为主要原材料制备地聚物，可显著降低材料成本、提高地聚物耐久性等。
发明内容
为解决当前地聚物制备工序复杂，成本居高不下，稳定性差，凝固时间长，且难以保持较好的抗压和抗弯折性等问题，本发明提供了一种粉煤灰、炉底渣、富水电石渣基地聚物及其制备方法，该地聚物耐腐蚀、抗渗透、耐高温、强度高、耐久性好。该制备方法工艺、设备简单、绿色环保、价格低廉、操作方便。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
一种粉煤灰、炉底渣、富水电石渣基地聚物，由粉煤灰、炉底渣、富水电石渣、碱激发剂溶液、普通波特兰水泥、减水剂制备而成；
粉煤灰、炉底渣、富水电石渣和普通波特兰水泥的质量比为3：3：3：1；
粉煤灰、炉底渣、富水电石渣和普通波特兰水泥的总添加量为79.5％-91.0％；
碱激发剂溶液的添加量为8％-20％；
减水剂的添加量为0.2％-1.0％。
添加量指单一原料或几种原料总量占所有原料的质量百分比。
优选的，所述粉煤灰、炉底渣、富水电石渣和的普通波特兰水泥的总添加量为83.4％-89.6％；碱激发剂溶液的添加量为10％-16％；减水剂的添加量为0.2％-0.8％。
所述粉煤灰、炉底渣是由循环流化床燃烧产生的。
所述炉底渣为过0.075mm标准筛的炉底渣，所述富水电石渣是含水量为20wt％-40wt％的电石渣。
所述的碱激发剂溶液为1-10mol/L氢氧化钠溶液和以下四种钠盐溶液中至少一种的组合：1-10mol/L硅酸钠溶液、1-10mol/L硫酸钠溶液、1-10mol/L磷酸钠溶液、1-10mol/L碳酸钠溶液。所述氢氧化钠溶液与任一种钠盐溶液的质量比为1：1。
优选的，所述氢氧化钠溶液浓度为1mol/L。
优选的，所述的碱激发剂溶液为1mol/L氢氧化钠溶液和以下四种钠盐溶液中一种以质量比为1：1组成的混合溶液：1mol/L硅酸钠溶液、1mol/L硫酸钠溶液、1mol/L磷酸钠溶液、1mol/L碳酸钠溶液。
优选的，所述减水剂为聚羧酸系减水剂。
优选的，所述普通波特兰水泥为P.O52.5。
一种上述粉煤灰、炉底渣、富水电石渣基地聚物的制备方法，其步骤如下：
(1)制备碱激发剂溶液：将氢氧化钠溶液与四种钠盐溶液中至少一种混合，经过搅拌器室温、150r/min搅拌30min至均匀后停止搅拌，得到碱激发剂溶液；
(2)制备粉煤灰、炉底渣、富水电石渣固废混合物：将炉底渣与粉煤灰、富水电石渣、普通波特兰水泥混合，经过搅拌器室温150r/min搅拌30min至均匀后停止搅拌，得到粉煤灰、炉底渣、富水电石渣固废混合物；
(3)制备地聚物凝胶：将粉煤灰、炉底渣、富水电石渣固废混合物、碱激发剂溶液和减水剂混合，经过搅拌器45℃、200r/min搅拌1h至均匀后停止搅拌，得到地聚物凝胶；
(4)制备地聚物：将地聚物凝胶倒入水泥三联模，静置12h成型后，脱模，得到粉煤灰、炉底渣、富水电石渣基地聚物，待完全固化后，用于性能测试；
实际应用时，用注浆泵直接将步骤(3)所得地聚物凝胶注入到需要注浆填充之处，静置至固化。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：
1、该地聚物以循环流化床燃烧产生的粉煤灰和炉底渣、富水电石渣三种工业废弃物为主要原材料，具有经济高效、环保等优良特性。
2、该地聚物对环境无污染，粉煤灰、炉底渣和富水电石渣共同使用，可以促使C-S-H的快速生成(如图5所示)，提高地聚物强度和耐久性，且使地聚物固化时间短，可大规模应用于交通运输、土木建筑等工程。
3、该地聚物的制备方法简单易行，操作方便，无毒无污染，所需的设备简单常见，不需要投入过多的设备和使用经费，适合工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1-6中原料粉煤灰样品XRD图谱。
图2为本发明实施例1-6中原料炉底渣样品XRD图谱。
图3为本发明实施例1-6中原料电石渣样品XRD图谱。
图4为实施例3中所制得的地聚物实物样品。
图5为实施例3中所制得的地聚物扫描电镜图片。
具体实施方式
下面申请人将结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1-6所用的原料来源如下：
粉煤灰和炉底渣为山西三维华邦集团有限公司循环流化床燃烧产生的，粉煤灰主要由CaO、SiO2、Al2O3组成，但是高含量成分主要为SiO2、Al2O3，含量占70％以上，粉煤灰主要成分均为无定形的硅铝玻璃体，见图1；其中，炉底渣为过0.075mm标准筛、取筛下料的炉底渣，炉底渣的主要矿物为石英，其次还有少量的红柱石，因含量较少，峰形不明显，见图2；富水电石渣为山西三维华邦集团有限公司制备聚氯乙烯工程中产生的电石渣，该电石渣主要成分为方解石，有部分氢氧化钙晶体，活性较低，针对三维集团电石渣的特性，该电石渣含水量为40％，干燥后有效氧化钙和氧化镁含量约为70％，其中氧化镁含量小于1％。普通波特兰水泥P.O 52.5为山西山水水泥有限公司生产，聚羧酸系减水剂来自河北圣通建材科技有限公司，具体型号为PM 109，氢氧化钠、硅酸钠、硫酸钠、磷酸钠、碳酸钠均购买自国药集团化学试剂有限公司。
力学性能的评判：对于地聚物材料而言，抗压强度、抗折强度是极为重要的评价指标，其大小关系到地聚物在工程中应用，不容忽视。本发明的地聚物材料力学性能测试参照《ASTM D3501-05和D3499-11材料力学性能测试标准》。浆液粘度采用布鲁克菲尔德Brookfield黏度计测试指定温度下的黏度。耐久性采用电子式万能材料试验机，取疲劳寿命作为关键指标。
实施例1
一种粉煤灰基地聚物，由粉煤灰、碱激发剂溶液、普通波特兰水泥及聚羧酸系减水剂制备而成。
所述的碱激发剂溶液由以下重量份的原料制备而成：
氢氧化钠溶液(浓度1mol/L)50份
硅酸钠溶液(浓度1mol/L)50份
所述的粉煤灰混合物由以下重量份的原料制备而成：
粉煤灰90份
水泥10份
所述的地聚物凝胶由以下重量份的原料制备而成：
粉煤灰混合物86.8份
碱激发剂溶液13份
聚羧酸系减水剂0.2份
一种本实施例上述原料配比的粉煤灰基地聚物的制备方法，具体步骤如下：
(1)碱激发剂溶液的制备方法如下：
称取4g氢氧化钠固体配制成1mol/L氢氧化钠溶液、称取10.8g硅酸钠固体配制成1mol/L硅酸钠溶液，将氢氧化钠溶液、硅酸钠溶液按相应重量份组成混合，并经过搅拌器室温、150r/min搅拌30min至均匀后停止搅拌即得碱激发剂溶液。
(2)粉煤灰混合物制备方法如下：
将粉煤灰、P.O 52.5水泥按相应重量份组成经过搅拌器150r/min室温搅拌30min至均匀后停止搅拌即得粉煤灰混合物。
(3)地聚物凝胶制备方法如下：
按相应重量份组成称取粉煤灰混合物和碱激发剂溶液、聚羧酸系减水剂经搅拌器45℃、200r/min搅拌1h至均匀后停止搅拌即得地聚物凝胶。
(4)将地聚物凝胶倒入水泥三联模，静置12h成型后，脱模即得粉煤灰基地聚物。
将步骤(3)所得地聚物凝胶在室温下(20℃)搅拌，粘度达到0.15pa.s时停止搅拌并开始计时固化，24h15min后完全固化。本实施例制备的粉煤灰基地聚物完全固化后的抗压强度为25.8MPa，抗折强度为16.5MPa，20℃时疲劳寿命为8.2万次。
实施例2
一种粉煤灰、炉底渣基地聚物，由粉煤灰、炉底渣、碱激发剂溶液、普通波特兰水泥及聚羧酸系减水剂制备而成。
所述的碱激发剂溶液由以下重量份的原料制备而成：
氢氧化钠溶液(浓度1mol/L)50份
硅酸钠溶液(浓度1mol/L)50份
所述的粉煤灰、炉底渣基固废混合物由以下重量份的原料制备而成：
粉煤灰45份
炉底渣45份
水泥10份
所述的地聚物凝胶由以下重量份的原料制备而成：
粉煤灰、炉底渣基固废混合物86.8份
碱激发剂溶液13份
聚羧酸系减水剂0.2份
一种本实施例上述原料配比的粉煤灰、炉底渣基地聚物的制备方法，具体步骤如下：
(1)碱激发剂溶液的制备方法如下：
称取4g氢氧化钠固体配制成1mol/L氢氧化钠溶液、称取10.8g硅酸钠固体配制成1mol/L硅酸钠溶液，将氢氧化钠溶液、硅酸钠溶液按相应重量份组成混合，并经过搅拌器室温、150r/min搅拌30min至均匀后停止搅拌即得碱激发剂溶液。
(2)粉煤灰、炉底渣基固废混合物制备方法如下：
将炉底渣与粉煤灰、P.O 52.5水泥按相应重量份组成经过搅拌器室温搅拌30min至均匀后停止搅拌即得粉煤灰、炉底渣基固废混合物。
(3)地聚物凝胶制备方法如下：
按相应重量份组成称取粉煤灰、炉底渣基固废混合物和碱激发剂溶液、聚羧酸系减水剂经搅拌器45℃、200r/min搅拌1h至均匀后停止搅拌即得地聚物凝胶。
(4)将地聚物凝胶倒入水泥三联模，静置12h成型后，脱模即得粉煤灰/炉底渣基地聚物。
将步骤(3)所得地聚物凝胶在室温下(20℃)搅拌，粘度达到0.25pa.s时停止搅拌并开始计时固化，15h30min后完全固化。本实施例制备的粉煤灰/炉底渣基地聚物完全固化后抗压强度为35.2MPa，抗折强度为21.0MPa，20℃时疲劳寿命为9.2万次。
实施例3
一种粉煤灰、炉底渣、富水电石渣基地聚物，由粉煤灰和炉底渣、富水电石渣、碱激发剂溶液、普通波特兰水泥及聚羧酸系减水剂制备而成。
所述的碱激发剂溶液由以下重量份的原料制备而成：
氢氧化钠溶液(浓度1mol/L)50份
硫酸钠溶液(浓度1mol/L)50份
所述的粉煤灰、炉底渣、富水电石渣固废混合物由以下重量份的原料制备而成：
粉煤灰30份
炉底渣30份
富水电石渣30份
水泥10份
所述的地聚物凝胶由以下重量份的原料制备而成：
粉煤灰、炉底渣、富水电石渣固废混合物86.8份
碱激发剂溶液13份
聚羧酸系减水剂0.2份
一种本实施例上述原料配比的粉煤灰、炉底渣、富水电石渣基地聚物的制备方法，具体步骤如下：
(1)碱激发剂溶液的制备方法如下：
称取4g氢氧化钠固体配制成1mol/L氢氧化钠溶液、称取16.3g硫酸钠固体配制成1mol/L硫酸钠溶液，将氢氧化钠溶液、硫酸钠溶液按相应重量份组成混合，并经过搅拌器室温、150r/min搅拌30min至均匀后停止搅拌即得碱激发剂溶液。
(2)粉煤灰、炉底渣、富水电石渣固废混合物制备方法如下：
将炉底渣与粉煤灰、富水电石渣、P.O 52.5水泥按相应重量份组成经过搅拌器室温搅拌30min至均匀后停止搅拌即得粉煤灰、炉底渣、富水电石渣固废混合物。
(3)地聚物凝胶制备方法如下：
按相应重量份组成称取粉煤灰、炉底渣、富水电石渣固废混合物和碱激发剂溶液、聚羧酸系减水剂经搅拌器45℃、200r/min搅拌1h至均匀后停止搅拌即得地聚物凝胶。
(4)将地聚物凝胶倒入水泥三联模，静置12h成型后，脱模即得粉煤灰/炉底渣/富水电石渣基地聚物，见图4。
将步骤(3)所得地聚物凝胶在室温下(20℃)搅拌，粘度达到0.16pa.s时停止搅拌并开始计时固化，3h15min后完全固化。本实施例制备的粉煤灰/炉底渣/富水电石渣基地聚物完全固化后抗压强度为45.6MPa，抗折强度为23.2MPa，20℃时疲劳寿命为12.2万次。
实施例4
一种粉煤灰、炉底渣、富水电石渣基地聚物，由粉煤灰和炉底渣、富水电石渣碱激发剂溶液、普通波特兰水泥及聚羧酸系减水剂制备而成。
所述的碱激发剂溶液由以下重量份的原料制备而成：
氢氧化钠溶液(浓度1mol/L)50份
碳酸钠溶液(浓度1mol/L)50份
所述的粉煤灰、炉底渣、富水电石渣固废混合物由以下重量份的原料制备而成：
粉煤灰30份
炉底渣30份
富水电石渣30份
水泥10份
所述的地聚物凝胶由以下重量份的原料制备而成：
粉煤灰、炉底渣、富水电石渣固废混合物89.6份
碱激发剂溶液10份
聚羧酸系减水剂0.4份
一种本实施例上述原料配比的粉煤灰、炉底渣、富水电石渣基地聚物的制备方法，具体步骤如下：
(1)碱激发剂溶液的制备方法如下：
称取4g氢氧化钠固体配制成1mol/L氢氧化钠溶液、称取10.5g碳酸钠固体配制成1mol/L碳酸钠溶液，将氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液按相应重量份组成混合，并经过搅拌器室温、150r/min搅拌30min至均匀后停止搅拌即得碱激发剂溶液。
(2)粉煤灰、炉底渣、富水电石渣固废混合物制备方法如下：
将炉底渣与粉煤灰、富水电石渣、P.O 52.5水泥按相应重量份组成经过搅拌器室温搅拌30min至均匀后停止搅拌即得粉煤灰、炉底渣、富水电石渣固废混合物。
(3)地聚物凝胶制备方法如下：
按相应质量比组成称取粉煤灰、炉底渣、富水电石渣固废混合物和碱激发剂溶液、聚羧酸系减水剂经搅拌器45℃、200r/min搅拌1h至均匀后停止搅拌即得地聚物凝胶。
(4)将地聚物凝胶倒入水泥三联模，静置12h成型后，脱模即得粉煤灰/炉底渣/富水电石渣基地聚物。
将步骤(3)所得地聚物凝胶在室温下(20℃)搅拌，粘度达到0.20pa.s时停止搅拌并开始计时固化，2h45min后完全固化。本实施例制备的粉煤灰/炉底渣/富水电石渣基地聚物完全固化后抗压强度为48.9MPa，抗折强度为26.8MPa，20℃时疲劳寿命为13.6万次。
实施例5
一种粉煤灰、炉底渣、富水电石渣基地聚物，由粉煤灰、炉底渣、富水电石渣、碱激发剂溶液、普通波特兰水泥及聚羧酸系减水剂制备而成。
所述的碱激发剂溶液由以下重量份的原料制备而成：
氢氧化钠溶液(浓度1mol/L)50份
磷酸钠溶液(浓度1mol/L)50份
所述的粉煤灰、炉底渣、富水电石渣固废混合物由以下重量份的原料制备而成：
粉煤灰30份
炉底渣30份
富水电石渣30份
水泥10份
所述的地聚物凝胶由以下重量份的原料制备而成：
粉煤灰、炉底渣、富水电石渣固废混合物83.4份
碱激发剂溶液16份
聚羧酸系减水剂0.6份
一种本实施例上述原料配比的粉煤灰、炉底渣、富水电石渣基地聚物的制备方法，具体步骤如下：
(1)碱激发剂溶液的制备方法如下：
称取4g氢氧化钠固体配制成1mol/L氢氧化钠溶液、称取16.3g磷酸钠固体配制成1mol/L磷酸钠溶液，将氢氧化钠溶液、磷酸钠溶液按相应重量份组成混合，并经过搅拌器室温、150r/min搅拌30min至均匀后停止搅拌即得碱激发剂溶液。
(2)粉煤灰、炉底渣、富水电石渣固废混合物制备方法如下：
将炉底渣与粉煤灰、富水电石渣、P.O 52.5水泥按相应重量份组成经过搅拌器室温搅拌30min至均匀后停止搅拌即得粉煤灰、炉底渣、富水电石渣固废混合物。
(3)地聚物凝胶制备方法如下：
按相应重量份组成称取粉煤灰、炉底渣、富水电石渣固废混合物和碱激发剂溶液、聚羧酸系减水剂经搅拌器45℃、200r/min搅拌1h至均匀后停止搅拌即得地聚物凝胶。
(4)将地聚物凝胶倒入水泥三联模，静置12h成型后，脱模即得粉煤灰/炉底渣/富水电石渣基地聚物。
将步骤(3)所得地聚物凝胶在室温下(20℃)搅拌，粘度达到0.22pa.s时停止搅拌并开始计时固化，2h55min后完全固化。本实施例制备的粉煤灰/炉底渣/富水电石渣基地聚物完全固化后的抗压强度为52.5MPa，抗折强度为26.4MPa，20℃时疲劳寿命为15.2万次。
实施例6
一种粉煤灰、炉底渣、富水电石渣基地聚物，由粉煤灰、炉底渣、富水电石渣、碱激发剂溶液、波特兰水泥及聚羧酸系减水剂制备而成。
所述的碱激发剂溶液由以下重量份的原料制备而成：
氢氧化钠溶液(浓度1mol/L)50份
硅酸钠溶液(浓度1mol/L)50份
所述的粉煤灰、炉底渣、富水电石渣固废混合物由以下重量份的原料制备而成：
粉煤灰30份
炉底渣30份
富水电石渣30份
水泥10份
所述的地聚物凝胶由以下重量份的原料制备而成：
粉煤灰、炉底渣、富水电石渣固废混合物88.2份
碱激发剂溶液11份
聚羧酸系减水剂0.8份
一种本实施例上述原料配比的粉煤灰、炉底渣、富水电石渣基地聚物的制备方法，具体步骤如下：
(1)碱激发剂溶液的制备方法如下：
称取4g氢氧化钠固体配制成1mol/L氢氧化钠溶液、称取10.8g硅酸钠固体配制成1mol/L硅酸钠溶液，将氢氧化钠溶液、硅酸钠溶液按相应重量份组成混合，并经过搅拌器室温、150r/min搅拌30min至均匀后停止搅拌即得碱激发剂溶液。
(2)粉煤灰、炉底渣、富水电石渣固废混合物制备方法如下：
将炉底渣与粉煤灰、富水电石渣、P.O 52.5水泥按相应重量份组成经过搅拌器室温搅拌30min至均匀后停止搅拌即得粉煤灰、炉底渣、富水电石渣固废混合物。
(3)地聚物凝胶制备方法如下：
按相应重量份组成称取粉煤灰、炉底渣、富水电石渣固废混合物和碱激发剂溶液、聚羧酸系减水剂经搅拌器45℃、200r/min搅拌1h至均匀后停止搅拌即得地聚物凝胶。
(4)将地聚物凝胶倒入水泥三联模，静置12h成型后，脱模既得粉煤灰/炉底渣/富水电石渣基地聚物。
将步骤(3)所得地聚物凝胶在室温下(20℃)搅拌，粘度达到0.22pa.s时停止搅拌并开始计时固化，6h12min后完全固化。本实施例制备的粉煤灰/炉底渣/富水电石渣基地聚物完全固化后抗压强度为44.2MPa，抗折强度为22.1MPa，20℃时疲劳寿命为14.5万次。
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