[go: up one dir, main page]

CN117843303B - 一种地质聚合物基组合物、复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种地质聚合物基组合物、复合材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN117843303B
CN117843303B CN202410028115.5A CN202410028115A CN117843303B CN 117843303 B CN117843303 B CN 117843303B CN 202410028115 A CN202410028115 A CN 202410028115A CN 117843303 B CN117843303 B CN 117843303B
Authority
CN
China
Prior art keywords
ash
parts
geopolymer
composite material
alkaline activator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202410028115.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN117843303A (zh
Inventor
陆路
云山
左春愿
吴雪宁
杨尚卿
汪浩东
陈荣裕
董云
陈昊轩
高宇辰
石燚
孙新国
洪坤
孔德财
张琳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huaiyin Institute of Technology
Original Assignee
Huaiyin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huaiyin Institute of Technology filed Critical Huaiyin Institute of Technology
Priority to CN202410028115.5A priority Critical patent/CN117843303B/zh
Publication of CN117843303A publication Critical patent/CN117843303A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN117843303B publication Critical patent/CN117843303B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/006—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing mineral polymers, e.g. geopolymers of the Davidovits type
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B12/00—Cements not provided for in groups C04B7/00 - C04B11/00
    • C04B12/005—Geopolymer cements, e.g. reaction products of aluminosilicates with alkali metal hydroxides or silicates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2201/00—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values
    • C04B2201/20—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values for the density
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2201/00—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values
    • C04B2201/30—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values for heat transfer properties such as thermal insulation values, e.g. R-values
    • C04B2201/32—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values for heat transfer properties such as thermal insulation values, e.g. R-values for the thermal conductivity, e.g. K-factors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2201/00—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values
    • C04B2201/50—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values for the mechanical strength
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P40/00—Technologies relating to the processing of minerals
    • Y02P40/10—Production of cement, e.g. improving or optimising the production methods; Cement grinding

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)
  • Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)

Abstract

本发明公开了一种地质聚合物基组合物、复合材料及其制备方法，包括以下重量份的组份:粉煤灰8.5份～8.8份、钛渣3.3份～5.7份、硅灰0.1份～0.6份、二氧化硅气凝胶0.3份～0.5份、氢氧化钠0.5份～1份、生物质灰1.5份～2.5份、水1份～3份、减水剂0.1份～0.2、硅烷偶联剂0.05份～0.08份。针对于现有技术中存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种地质聚合物基组合物、复合材料及其制备方法，利用生物质灰与碱性溶液制备改性碱性激发剂，替代传统的碱性激发剂，并通过碳纳米薄膜改善生物质与碱性溶液混合不均匀的问题，提高碱活化过程的效率。

Description

一种地质聚合物基组合物、复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及地质聚合物基复合材料技术领域，具体涉及一种地质聚合物基组合物、一种由该地质聚合物基组合物制得的地质聚合物基复合材料以及该地质聚合物基复合材料的制备方法。
背景技术
地质聚合物(Geopolymer)是近年来国际上研究非常活跃的非金属材料之一。它是以含硅固体物料如粘土、工业废渣或矿渣为主要原料，经适当的工艺处理，在较低温度条件下通过化学反应得到的一类新型无机聚合物材料，可以替代水泥用于建筑、筑路、人工海岛、预制件、耐火材料等领域。
在地质聚合物的制备中通常使用粉煤灰作为原料，通过碱性激发剂使粉煤灰活化以进行化学反应。但是由于碱性激发剂使用过程中会造成大量二氧化碳排放以及成本较高的问题，越来越多的学者将研究方向转变为碱性激发剂的替代物质的寻找，其中研究热点之一是利用生物质替代碱性激发剂制备地质聚合物。
目前在利用生物质灰提取二氧化硅替代碱性激发剂过程中，存在下列问题：一是提取硅源不充分，难以确保从生物质灰中高效、可重复地提取足够的硅源；二是生物质灰中存在金属和其他杂质，难以去除；三是生物质灰与碱性溶液混合不均匀反应性差，PH值弱等问题。上述问题最终会影响制备得到的地质聚合物基复合材料的最终性能。因此，如何改善上述问题，是利用生物质来制备地质聚合物基复合材料研究过程中噩待解决的难题。
发明内容
针对于上述问题，本发明的目的之一在于提供一种地质聚合物基组合物、复合材料及其制备方法，利用生物质灰与碱性溶液制备改性碱性激发剂，替代传统的碱性激发剂，并通过碳纳米薄膜改善生物质与碱性溶液混合不均匀的问题，提高碱活化过程的效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种地质聚合物基组合物，包括以下重量份的组份:
粉煤灰8.5份～8.8份、钛渣3.3份～5.7份、硅灰0.1份～0.6份、二氧化硅气凝胶0.3份～0.5份、氢氧化钠0.5份～1份、生物质灰1.5份～2.5份、水1份～3份、减水剂0.1份～0.2、硅烷偶联剂0.05份～0.08份。
在第一方面可实现的实施方式中，生物质灰选用柏树壳灰、稻壳灰、木屑灰或玉米秸秆灰中的任一种。优选的，生物质灰为生物质灰。柏壳灰中含有较高比例的硅酸盐，也可用稻壳灰、木屑灰、玉米秸秆灰等代替，但是它们硅酸盐的含量相对较低。
粉煤灰，作为一种工业副产品，粉煤灰含有硅酸盐等物质，可能有助于提高复合材料的硬度和耐久性；硅灰、钛渣有助于复合材料力学性能的提高；二氧化硅气凝胶，大幅度降低复合材料的导热系数；氢氧化钠与柏树壳灰反应，形成改性碱性激发剂，促进地质聚合物的形成；柏树壳灰，作为生物质灰来源，和NaOH混合替代传统碱性激发剂；减水剂，通过减少水灰比，提高材料的强度；硅烷偶联剂改性二氧化硅气凝胶，提高其分散性，使其与胶凝材料更好的结合。
上述各组分的含量选择经过反复试验和优化，以达到最佳的地质聚合物基复合材料性能。各组分之间相互配合可以提高复合材料的整体性能，例如硅酸盐的碱活化效应等。各组分的含量选择还需考虑成本和经济可行性。
在第一方面可实现的实施方式中，粉煤灰的废渣密度为1.2g/cm3～2.0g/cm3，且粉煤灰内含有SiO2、CaO和微量金属元素。
在第一方面可实现的实施方式中，硅灰的平均粒径为0.3um～60um，密度为560kg/m3～720kg/m3，比表面积为19m2/g～26m2/g。
在第一方面可实现的实施方式中，二氧化硅气凝胶的孔径为20nm～100nm，粒径为0.1mm～5mm，常温下的导热系数为0.01w/(m.k)～0.23w/(m.k)。
和/或，减水剂为聚羚酸高效减水剂；
和/或，所述水为饮用自来水。
在第一方面可实现的实施方式中，硅烷偶联剂的质量含量>98％，硅烷偶联剂的密度为0.91g/cm3～0.95g/cm3，硅烷偶联剂的沸点为160℃～170℃。
第二方面，本发明提供了一种地质聚合物基复合材料，其由上述地质聚合物基组合物制得。
在第二方面可实现的实施方式中，复合材料的7天后的抗压强度大于35MPa；
和/或，所述复合材料的导热系数小于0.05w/(m.k)。
第三方面，本发明提供了一种地质聚合物基复合材料的制备方法，用于制备上述地质基聚合物基复合材料，包括以下步骤：
S1:制备碱性激发剂，采用碳纳米薄膜对柏树壳灰中进行吸附过滤处理，将处理后的生物质灰与NaOH溶液混合搅拌，获得碱性激发剂；
S2:将煤粉灰钛渣、硅灰和水置于搅拌机中搅拌，然后将二氧化硅气凝胶、高效减水剂以及硅烷偶联剂加入搅拌机中搅拌后，形成气凝胶复合材料悬浊液；
S3:将步骤S1中制备的碱激发剂溶液分阶段缓慢加入气凝胶复合材料悬浊液中，搅拌直至形成具备一定流动性的浆体。
在第三方面可实现的实施方式中，改性版碱激发剂溶液分阶段加入包括以下阶段：
(1)初始阶段：以0.05m3/s～0.15m3/s的速度，将第一部分改性版碱性激发剂溶液，缓慢匀速的加入气凝胶复合材料悬浊液中；
(2)中间阶段：以0.5m3/s～1.5m3/s的速度，将第二部分改性版碱性激发剂溶液，均匀加入气凝胶复合材料悬浊液中；
(3)最后阶段：在接近形成具备一定流动性的浆体时，加入速度应减慢，此时以0.1m3/s～0.3m3/s的速度，将剩余的改性版碱性激发剂溶液，缓慢匀速加入气凝胶复合材料悬浊液中；
其中第一部分改性版碱性激发剂溶液与第二部分改性版碱性激发剂溶液分别占改性版碱性激发剂溶液总量的15％和70％。
在第三方面可实现的实施方式中，步骤S3中需要保持恒定的温度，采用热水浴的方式对反应温度进行调节，使其维持在50℃～70℃。
在第三方面可实现的实施方式中，步骤S3中搅拌速度从100rpm开始，以每分钟增加10rpm，均匀增加到1000rpm，并以此速度持续搅拌。
在第三方面可实现的实施方式中，还包括：
S4:采用浇灌工艺制备地质聚合物复合材料，将步骤S3中流动性浆体倒入模具中，并用超声波震荡直到无气泡析出，得到紧密的块体。
这里非常宽泛地列出了本发明的一些具体实施例，目的是为了更好的理解其详细描述，更好的认识到本发明的技术贡献。当然，这里还有一些将在下文描述的本发明的附加实施例，这些实施例将成为附加的权利要求的主题。
在这方面，在详细说明本发明的至少一个实施例之前，应该明确，本发明并不限定所申请的具体结构以及说明书所表述示的构件的布置。本发明可以有所述实施例之外的其它实施例，并且可以通过多种方式进行实践和实现。同样，这里使用的措词和术语以及摘要仅是为了描述需要，不能看作是对发明的限定。
因此，本领域技术人员应该明白，本公开基于的这个概念可以很容易地作为实现本发明的多个目的的其它结构、方法和系统的基础。因此，应该认为权利要求包括了所有不脱离本发明的精神和范围的等同物。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.与传统的碱性激发剂相比较，本发明中制备的改性版碱性激发剂硅源广泛廉价，降低了生产成本，而对环境污染产生的影响较小，具有可持续性和环保性优势。
2.本发明利用生物质替代传统的碱性激发剂，并通过碳纳米薄膜改善生物质与碱性溶液之间的相互作用，并在活化过程中促进更好的溶解，提高碱活化效率。
3.根据柏树壳的燃烧条件，柏树壳灰中的二氧化硅主要以非晶相出现。它可以替代碱性激发剂硅酸钠中硅的来源，一定程度上解决了传统碱性激发剂造成的大量二氧化碳排放以及成本较高的问题。
4.本发明中生物质灰的主要成分是氧化硅、碳酸钙等，将生物质灰与NaOH溶液混合，NaOH溶液对生物质灰中的硅酸盐等成分进行碱活化，形成水玻璃碱性物质。碳纳米薄膜具有高度的比表面积和活性表面，使其具有较强的吸附能力，碳纳米薄膜的表面具有一定的亲附性，可以选择性地吸附生物质灰中的一些杂质，碳纳米薄膜的孔隙结构和高比表面积有助于有效截留生物质灰中的杂质颗粒，同时也有助于提高过滤效率。
5.本发明通过碳纳米薄膜吸附二氧化硅，可以为二氧化硅提供结合位点，提高柏树壳灰与NaOH溶液两种材料之间的亲和力和相互作用，从而改善柏树壳灰与NaOH碱溶液之间的相互作用，提高碱活化过程的效率。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
第一方面，本申请实施例中提供了一种地质聚合物基组合物，包括以下重量份的组份：粉煤灰8.6份、钛渣3.3份、硅灰0.48份、二氧化硅气凝胶0.3份、氢氧化钠1份、柏树壳灰2份、水1.8份、减水剂0.1份、硅烷偶联剂0.05份。本发明中利用生物质灰与氢氧化钠溶液混合后制备碱性激发剂，以此替代传统的碱性激发剂，能够有效解决传统碱性激发剂在制备以及使用过程中出现的各种问题。
众所周知，生物质灰的主要成分是氧化硅、碳酸钙等，将生物质灰与NaOH溶液混合，NaOH溶液对生物质灰中的硅酸盐等成分进行碱活化，形成水玻璃碱性物质。而柏树壳燃烧后，约25％的初始质量转化为灰烬，产生另一种残留物，称为柏树壳灰(CSA)。柏树壳灰的生产温度可达500℃，远低于生产波特兰水泥熟料和水玻璃所使用的温度。柏树壳灰是高度多孔的颗粒，比重量低，表面积大。根据柏树壳的燃烧条件，柏树壳灰中的二氧化硅主要以非晶相出现。它可以替代碱性激发剂硅酸钠中硅的来源，一定程度上解决了传统碱性激发剂造成的大量二氧化碳排放以及成本较高的问题，具有可持续性和环保性优势。
需要说明的是，现有技术中硅源提取不充分，其难点在于，难以确保从生物质灰中有效提取足够的硅源，以满足地质聚合物制备的要求。则需考虑提取方法的优化和工艺参数的精细调节，以确保高效、可重复的硅源提取。同时由于生物质灰中存在难以去除的金属和其他杂质，以防止这些杂质对地质聚合物制备过程和性能产生负面影响。通过碳纳米薄膜对生物质灰中的杂质进行吸附过滤处理，用以减少杂质的含量。
在第一方面可实现的实施方式中，粉煤灰的废渣密度为1.2g/cm3～2.0g/cm3，且粉煤灰内含有SiO2、CaO和微量金属元素。粉煤灰选用较低的密度，以及较小的粒径，可以有效促进反应的进行，提高了材料的密实性。
在第一方面可实现的实施方式中，硅灰中含有质量分数为98％的无定形二氧化硅，硅灰的平均粒径为0.3um～60um，密度为560kg/m3～720kg/m3，比表面积为19m2/g～26m2/g。选用较大的比较面积等参数可以提高硅灰的分散性，提高制备材料的力学性能。
在第一方面可实现的实施方式中，二氧化硅气凝胶的孔径为20nm～100nm，粒径为0.1mm～5mm，常温下的导热系数为0.01w/(m.k)～0.23w/(m.k)。经过硅烷偶联剂KH-550表面改性的二氧化硅气凝胶能更好的均匀分散在复合材料中。较小的孔径可以限制气体分子的自由运动，减缓热传导的速度，气凝胶较小的孔径可以有效的降低地质聚合物的导热系数；较高的硅烷偶联剂含量意味着更多的硅烷分子与气凝胶表面发生化学反应，形成更稳定和牢固的连接。
在第一方面可实现的实施方式中，减水剂为聚羚酸高效减水剂；水为饮用自来水。硅烷偶联剂选用KH-550硅烷偶联剂，硅烷偶联剂的质量含量>98％，20℃时硅烷偶联剂的密度为0.91g/cm3～0.95g/cm3，硅烷偶联剂的沸点为160℃～170℃，KH-550硅烷偶联剂的闪点约为90℃。
第二方面，本申请实施例中提供了一种地质聚合物基复合材料，其由上述地质聚合物基组合物制得。其中复合材料的7天后的抗压强度大于35MPa；复合材料的导热系数小于0.05w/(m.k)。
第三方面，本申请实施例中提供了一种地质聚合物基复合材料的制备方法，用于制备上述地质基聚合物基复合材料，包括以下步骤：
S1:首先按重量比例称取煤粉灰、钛渣、硅灰、二氧化硅气凝胶、NaOH溶液、柏树壳灰、水、减水剂、硅烷偶联剂。其中收集柏树壳灰1000g并通过100目筛分，以达到粒度均匀，将收集的柏树壳灰通过流化床干燥器80℃干燥3h以降低柏树壳灰内的水分含量，干燥后的柏树壳灰含水量较低，便于进一步加工；利用精细球磨机将柏树壳灰继续打磨。
然后制备碱性激发剂，采用碳纳米薄膜对柏树壳灰中进行吸附过滤处理，过滤掉杂质，以在二氧化硅表面形成致密的外壳，将处理后的柏树壳灰加入烧杯中与NaOH溶液混合并加热至60℃，搅拌5min，沉淀12h后，获得质地均匀的碱性激发剂。由于碳纳米薄膜的高比表面积和活性官能团能有助于生物质灰的活化，从而改善生物质灰与碱性溶液的之间混合不均匀的问题，有助于提高反应效率。
本实施例中碳纳米薄膜通过吸附二氧化硅，可以为二氧化硅提供结合位点，提高柏树壳灰与NaOH溶液两种材料之间的亲和力和相互作用，从而改善柏树壳灰与NaOH碱溶液之间的相互作用，并在活化过程中促进更好的溶解，提高碱活化过程的效率。
S2:将煤粉灰钛渣、硅灰、水置于搅拌机中以1000r/min速度均匀搅拌，然后将二氧化硅气凝胶、20％-40％的拌合水量(即水含量为20％-40％)、聚羧酸高效减水剂、硅烷偶联剂加入搅拌机中搅拌1h后，形成纳米二氧化硅气凝胶复合材料悬浊液，其中煤粉灰优选炼焦煤洗选废渣，是煤炭洗选或选矿过程中产生的副产品。
S3:将步骤S1中制备的碱激发剂溶液分别分阶段缓慢加入气凝胶复合材料悬浊液中，搅拌40min直至形成具备一定流动性的浆体。本实施例中搅拌速度从100rpm开始，以每分钟增加10rpm，均匀增加到1000rpm，并以此速度持续搅拌，可以提供较好的混合效果，过高的速度可能会导致反应物溅出或产生过多的气泡。
上述改性版碱激发剂溶液分阶段加入包括以下阶段：
(1)初始阶段：以0.1m3/s的速度，将第一部分改性版碱性激发剂溶液，缓慢匀速的加入气凝胶复合材料悬浊液中，在这个阶段，改性版碱性激发剂溶液以较慢的速度加入，以便于混合和分散，防止形成大的团聚体。
(2)中间阶段：随着气凝胶复合材料悬浊液的逐渐形成，加入速度可以适当增加，以促进反应的进行，因此，以1.5m3/s的速度，将第二部分改性版碱性激发剂溶液，均匀加入气凝胶复合材料悬浊液中。
(3)最后阶段：在接近形成具备一定流动性的浆体时，加入速度应减慢，以便于控制和调整浆体的最终粘度和流动性，此时以0.3m3/s的速度，将剩余的改性版碱性激发剂溶液，缓慢匀速加入气凝胶复合材料悬浊液中。
其中第一部分改性版碱性激发剂溶液与第二部分改性版碱性激发剂溶液分别占改性版碱性激发剂溶液总量的15％和70％。在添加改性版碱性激发剂时，采用分阶段缓慢加入的方式，有助于控制反应的速率和优化气凝胶复合材料的形成过程。相较于传统的一次性添加碱性激发剂，这种分阶段添加可以更好地提升复合材料的性能。
一方面在控制反应速率方面，分段添加改性版碱性激发剂可以避免过快反应，有利于形成更加均匀和稳定的气凝胶结构。另一方面在提高复合材料性能方面，通过分段添加，可以获得具有更优异力学性能、耐久性和环境适应性的地质聚合物基复合材料。总的来说，分段添加改性版碱性激发剂相较于传统的一次性添加，能够为复合材料提供更精细的结构控制和更优化的性能表现。
上述制备过程中需要保持恒定的温度，采用热水浴的方式对反应温度进行调节，使其维持在55℃，因为温度的变化会影响反应的速率和效率，在热水浴中制备碱性激发剂可以进一步加快反应速率，但需要小心监控温度，以防止过热或局部过热现象，以优化反应过程。
S4:采用浇灌工艺制备地质聚合物复合材料，将步骤S3中流动性浆体倒入模具中，并用超声波震荡直到无气泡析出，得到紧密的块体，即样品。超声波震荡能够有效改善颗粒间的相互作用，防止团聚，使得分散更加均匀，提高了样品的成型质量。
S5:将样品放入标准养护室内，养护7天，养护温度为40℃，养护湿度90％。
S6:样品养护完成后，测试抗压强度，烘干样品后测试样品的导热系数，烘干条件为80℃，48h。
上述参数和步骤的调整是为了优化反应过程，提高复合材料的性能，并确保反应的均匀性和效率。通过这些调整，可以制备出具有更优异力学性能、耐久性和环境适应性的地质聚合物基复合材料。
采用经过碳纳米薄膜吸附处理的柏树壳灰制备得到的碱性激发液，与采用未经过碳纳米薄膜吸附处理的柏树壳灰制备得到的碱性激发液相比，能够观察到经碳纳米薄膜吸附处理后制备得到的碱性激发剂在溶液中分散更均匀，且制备得到的碱性激发剂浓度为10mol/L。而未经碳纳米薄膜吸附处理制备得到的碱性激发剂浓度为8mol/L，且呈弱碱性，会对最后复合材料的抗压抗折强度造成影响。
参阅表1，实施例1-3中经碳纳米薄膜吸附处理后制备得到的复合材料样品的抗压强度为分别为35.6MPa、37.5MPa和36.8MPa，且处理后的复合材料导热系数分别为0.048W/(m*k)、0.046W/(m*k)、0.049W/(m*k)；而对比例1-2中未经碳纳米薄膜吸附处理后制备得到的复合材料样品的抗压强度分别为29.6MPa和30.2MP，且未处理的复合材料导热系数分别为0.052W/(m*k)和0.058W/(m*k)。综上可知，未经碳纳米薄膜吸附处理后制备得到的复合材料的抗压强度明显下降，导热性能也较差。
可以理解的是，导热系数的降低，地质聚合物基复合材料能够减少热损失，这对于需要保持温度稳定的应用，材料更能有效地阻碍热的传导。因此，地质聚合物基复合材料中导热系数的降低可以提高其保温隔热性能。抗压强度的提高通常与材料的结构强度和密实性增加有关，地质聚合物基复合材料中抗压强度的提高可能意味着更好的力学性能，更能承受外部载荷和应力，从而提高了其耐久性。这对于长期受力或者需要承受变化负荷的应用场景中非常重要。
表1为实施例1-3以及对比例1-2制得的复合材料的性能参数表
实施例2
第一方面，本申请实施例中提供了一种地质聚合物基组合物，与实施例1基本相同，其不同之处在于，本实施例的地质聚合物基组合物包括以下重量份的组份：粉煤灰8.6份、钛渣3.3份、硅灰0.48份、二氧化硅气凝胶0.36份、氢氧化钠0.9份、柏树壳灰2.2份、水2.18份、减水剂0.1份、硅烷偶联剂0.05份。
第二方面，本申请实施例中提供了一种地质聚合物基复合材料，其由上述地质聚合物基组合物制得。其中复合材料的7天后的抗压强度为37.5MPa；复合材料的导热系数为0.046w/(m.k)。
第三方面，本申请实施例中提供了一种地质聚合物基复合材料的制备方法，用于制备上述地质基聚合物基复合材料，包括以下步骤：
S1:首先按重量比例称取煤粉灰、钛渣、硅灰、二氧化硅气凝胶、NaOH溶液、柏树壳灰、水、减水剂、硅烷偶联剂。采用碳纳米薄膜对柏树壳灰中进行吸附过滤处理，过滤掉杂质，将处理后的柏树壳灰加入烧杯中与NaOH溶液混合并加热至65℃，搅拌8min，沉淀12h后，获得质地均匀的碱性激发剂。
S2:将煤粉灰钛渣、硅灰、水置于搅拌机中以1100r/min速度均匀搅拌，然后将二氧化硅气凝胶、聚羧酸高效减水剂、硅烷偶联剂加入搅拌机中搅拌1h后，形成纳米二氧化硅气凝胶复合材料悬浊液。
S3:将步骤S1中制备的碱激发剂溶液分别分阶段缓慢加入气凝胶复合材料悬浊液中，搅拌40min直至形成具备一定流动性的浆体。在此过程中需要保持恒定的温度，采用热水浴的方式对反应温度进行调节，使其维持在50℃。
上述改性版碱激发剂溶液分阶段加入包括以下阶段：
(1)初始阶段：以0.05m3/s的速度，将第一部分改性版碱性激发剂溶液，缓慢匀速的加入气凝胶复合材料悬浊液中，在这个阶段，改性版碱性激发剂溶液以较慢的速度加入，以便于混合和分散，防止形成大的团聚体。
(2)中间阶段：随着气凝胶复合材料悬浊液的逐渐形成，加入速度可以适当增加，以0.5m3/s的速度，将第二部分改性版碱性激发剂溶液，均匀加入气凝胶复合材料悬浊液中。
(3)最后阶段：在接近形成具备一定流动性的浆体时，加入速度应减慢，以便于控制和调整浆体的最终粘度和流动性，此时以0.1m3/s的速度，将剩余的改性版碱性激发剂溶液，缓慢匀速加入气凝胶复合材料悬浊液中。
S4:采用浇灌工艺制备地质聚合物复合材料，将步骤S3中流动性浆体倒入模具中，并用超声波震荡直到无气泡析出，得到紧密的块体，即样品。
S5:将样品放入标准养护室内，养护7天，养护温度为45℃，养护湿度95％。
S6:样品养护完成后，测试抗压强度，烘干样品后测试样品的导热系数，烘干条件为110℃，24h。
实施例3
第一方面，本申请实施例中提供了一种地质聚合物基组合物，与实施例1基本相同，其不同之处在于，本实施例的地质聚合物基组合物包括以下重量份的组份：粉煤灰8.6份、钛渣3.3份、硅灰0.48份、二氧化硅气凝胶0.3份、氢氧化钠1份、柏树壳灰2.5份、水1.8份、减水剂0.1份、硅烷偶联剂0.05份。
第二方面，本申请实施例中提供了一种地质聚合物基复合材料，其由上述地质聚合物基组合物制得。其中复合材料的7天后的抗压强度为36.8MPa；复合材料的导热系数为0.049w/(m.k)。
第三方面，本申请实施例中提供了一种地质聚合物基复合材料的制备方法，用于制备上述地质基聚合物基复合材料，包括以下步骤：
S1:首先按重量比例称取煤粉灰、钛渣、硅灰、二氧化硅气凝胶、NaOH溶液、柏树壳灰、水、减水剂、硅烷偶联剂。采用碳纳米薄膜对柏树壳灰中进行吸附过滤处理，过滤掉杂质，将处理后的柏树壳灰加入烧杯中与NaOH溶液混合并加热至63℃，搅拌10min，沉淀12h后，获得质地均匀的碱性激发剂。
S2:将煤粉灰钛渣、硅灰、水置于搅拌机中以1050r/min速度均匀搅拌，然后将二氧化硅气凝胶、聚羧酸高效减水剂、硅烷偶联剂加入搅拌机中搅拌1h后，形成纳米二氧化硅气凝胶复合材料悬浊液。
S3:将步骤S1中制备的碱激发剂溶液分别分阶段缓慢加入气凝胶复合材料悬浊液中，搅拌40min直至形成具备一定流动性的浆体。在此过程中需要保持恒定的温度，采用热水浴的方式对反应温度进行调节，使其维持在70℃。
上述改性版碱激发剂溶液分阶段加入包括以下阶段：
(1)初始阶段：以0.15m3/s的速度，将第一部分改性版碱性激发剂溶液，缓慢匀速的加入气凝胶复合材料悬浊液中，在这个阶段，改性版碱性激发剂溶液以较慢的速度加入，以便于混合和分散，防止形成大的团聚体。
(2)中间阶段：随着气凝胶复合材料悬浊液的逐渐形成，加入速度可以适当增加，以1.0m3/s的速度，将第二部分改性版碱性激发剂溶液，均匀加入气凝胶复合材料悬浊液中。
(3)最后阶段：在接近形成具备一定流动性的浆体时，加入速度应减慢，以便于控制和调整浆体的最终粘度和流动性，此时以0.2m3/s的速度，将剩余的改性版碱性激发剂溶液，缓慢匀速加入气凝胶复合材料悬浊液中。
S4:采用浇灌工艺制备地质聚合物复合材料，将步骤S3中流动性浆体倒入模具中，并用超声波震荡直到无气泡析出，得到紧密的块体，即样品。
S5:将样品放入标准养护室内，养护7天，养护温度为45℃，养护湿度90％。
S6:样品养护完成后，测试抗压强度，烘干样品后测试样品的导热系数，烘干条件为100℃，36h。
对比例1
第一方面，本对比例中提供了一种地质聚合物基组合物，与实施例1基本相同，其不同之处在于，本实施例的地质聚合物基组合物包括以下重量份的组份：粉煤灰7.6份、钛渣3.3份、硅灰0.48份、二氧化硅气凝胶0.36份、氢氧化钠0.9份、柏树壳灰3.2份、水2.18份、减水剂0.1份、硅烷偶联剂0.05份。
第二方面，本申请对比例中提供了一种地质聚合物基复合材料，其由上述地质聚合物基组合物制得。其中复合材料的7天后的抗压强度为29.6MPa；复合材料的导热系数为0.052w/(m.k)。
第三方面，本对比例中提供了一种地质聚合物基复合材料的制备方法，用于制备上述地质基聚合物基复合材料，其制备步骤与实施例1保持一致，其不同之处在于，本对比例的制备过程柏树壳灰未经过碳纳米薄膜吸附处理，其余步骤与实施例1保持一致。
对比例2
第一方面，本对比例中提供了一种地质聚合物基组合物，与实施例1基本相同，其不同之处在于，本实施例的地质聚合物基组合物包括以下重量份的组份：粉煤灰9.0份、钛渣3.3份、硅灰0.48份、二氧化硅气凝胶0.3份、氢氧化钠1份、柏树壳灰1.3份、水1.8份、减水剂0.1份、硅烷偶联剂0.05份。
第二方面，本申请对比例中提供了一种地质聚合物基复合材料，其由上述地质聚合物基组合物制得。其中复合材料的7天后的抗压强度为30.2MPa；复合材料的导热系数为0.058w/(m.k)。
第三方面，本对比例中提供了一种地质聚合物基复合材料的制备方法，用于制备上述地质基聚合物基复合材料，其制备步骤与实施例1保持一致，其不同之处在于，本对比例的制备过程柏树壳灰未经过碳纳米薄膜吸附处理，其余步骤与实施例1保持一致。
可以理解，在说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合实施例所描述的具体特征、结构或特性被包括在根据本申请实施例公开的至少一个范例实施方案或技术中。说明书中的各个地方的短语“在一个实施例中”的出现不一定全部指代同一个实施例。
另外，在本说明书所使用的语言已经主要被选择用于可读性和指导性的目的并且可能未被选择为描绘或限制所公开的主题。因此，本申请实施例的公开旨在说明而非限制本文所讨论的概念的范围。
本发明的许多特征和优点在详细说明中是显然的，因此，利用附加的权利要求来覆盖本发明的所有特征和优点都落入本发明的实质精神和范围内。进一步，因为很容易在技术上进行多种修改和变形，所以不期望将本发明限定为所述的具体结构和运行方式，因此，所有可以采取的修改和等同物都落入本发明的范围。

Claims (10)

1.一种地质聚合物基组合物，其特征在于，包括以下重量份的组份:
粉煤灰8.5份~8.8份、钛渣3.3份~5.7份、硅灰0.1份~0.6份、二氧化硅气凝胶0.3份~0.5份 、氢氧化钠溶液0.5份~1份、生物质灰1.5份~2.5份、水1份~3份、减水剂0.1份~0.2、硅烷偶联剂0.05份~0.08份；
所述生物质灰采用碳纳米薄膜进行吸附过滤处理，除去生物质灰中的杂质后与NaOH溶液混合搅拌，获得改性版碱性激发剂。
2.根据权利要求1所述的地质聚合物基组合物，其特征在于，
所述生物质灰选用柏树壳灰、稻壳灰、木屑灰或玉米秸秆灰中的任一种；
和/或，粉煤灰的废渣密度为1.2g/cm3~2.0g/cm3，且粉煤灰内含有SiO2、CaO和微量金属元素。
3.根据权利要求1所述的地质聚合物基组合物，其特征在于，
所述硅灰的平均粒径为0.3um~60um，密度为560kg/m3~720kg/m3，比表面积为19m2/g~26m2/g；
和/或，所述二氧化硅气凝胶的孔径为20 nm~100 nm，粒径为0.1mm~5 mm，常温下的导热系数为0.01w/(m.k)~0.23w/(m.k)。
4.根据权利要求1所述的地质聚合物基组合物，其特征在于，
所述减水剂为聚羚酸高效减水剂；
和/或，所述水为饮用自来水；
和/或，所述硅烷偶联剂的质量含量>98%，硅烷偶联剂的密度为0.91g/cm³~0.95 g/cm³，硅烷偶联剂的沸点为160℃~170℃。
5.一种地质聚合物基复合材料，其由权利要求1-4 中任一项所述的地质聚合物基组合物制得。
6.根据权利要求5所述的地质聚合物基复合材料，其特征在于，
所述复合材料的抗压强度大于 35MPa；
和/或，所述复合材料的导热系数小于0.05w/(m.k)。
7.一种地质聚合物基复合材料的制备方法，用于制备如权利要求5或6所述的地质基聚合物基复合材料，其特征在于，包括以下步骤：
S1:制备改性版碱性激发剂，采用碳纳米薄膜对生物质灰中的杂质进行吸附过滤处理，将处理后的生物质灰与NaOH溶液混合搅拌，获得改性版碱性激发剂；
S2:将粉煤灰、钛渣、硅灰和水置于搅拌机中搅拌，然后将二氧化硅气凝胶、减水剂以及硅烷偶联剂加入搅拌机中搅拌后，形成气凝胶复合材料悬浊液；
S3:将步骤S1中制备的改性版碱激发剂溶液分阶段缓慢加入气凝胶复合材料悬浊液中，搅拌直至形成具备一定流动性的浆体。
8.根据权利要求7所述的地质聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于，改性版碱激发剂溶液分阶段加入包括以下阶段：
（1）初始阶段：以0.05m3/s~0.15m3/s的速度，将第一部分改性版碱性激发剂溶液，缓慢匀速的加入气凝胶复合材料悬浊液中；
（2）中间阶段：以0.5m3/s~1.5m3/s的速度，将第二部分改性版碱性激发剂溶液，均匀加入气凝胶复合材料悬浊液中；
（3）最后阶段：在接近形成具备一定流动性的浆体时，加入速度应减慢，此时以0.1m3/s~0.3m3/s的速度，将剩余的改性版碱性激发剂溶液，缓慢匀速加入气凝胶复合材料悬浊液中；
其中第一部分改性版碱性激发剂溶液与第二部分改性版碱性激发剂溶液分别占改性版碱性激发剂溶液总量的15%和70%。
9.根据权利要求7或8所述的地质聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于，
所述步骤S3中需要保持恒定的温度，采用热水浴的方式对反应温度进行调节，使其维持在50℃~70℃。
10.根据权利要求9所述的地质聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于，
所述步骤S3中搅拌速度从100rpm开始，以每分钟增加10rpm，均匀增加到1000rpm，并以此速度持续搅拌。
CN202410028115.5A 2024-01-09 2024-01-09 一种地质聚合物基组合物、复合材料及其制备方法 Active CN117843303B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202410028115.5A CN117843303B (zh) 2024-01-09 2024-01-09 一种地质聚合物基组合物、复合材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202410028115.5A CN117843303B (zh) 2024-01-09 2024-01-09 一种地质聚合物基组合物、复合材料及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN117843303A CN117843303A (zh) 2024-04-09
CN117843303B true CN117843303B (zh) 2024-06-25

Family

ID=90528735

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202410028115.5A Active CN117843303B (zh) 2024-01-09 2024-01-09 一种地质聚合物基组合物、复合材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117843303B (zh)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108250473A (zh) * 2018-01-19 2018-07-06 济南大学 一种石墨烯改性玉米秸秆芯复合电磁屏蔽薄膜及其制备方法
CN109455795A (zh) * 2018-11-13 2019-03-12 广西大学 一种生物炭/多孔地质聚合物复合膜的制备方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2862310B1 (fr) * 2003-11-17 2008-04-25 Roquette Freres Utilisation d'une dispersion aqueuse d'au moins un polymere biodegradable contenant au moins un agent stabilisant pour la preparation d'une composition filmogene aqueuse
EP2385966A2 (en) * 2009-01-09 2011-11-16 Stephen Alter Geopolymer compositions
CN109942235B (zh) * 2019-03-20 2021-08-03 天津大学 常温养护高强高抗碳化性能的地聚物混凝土及其制备方法
CN111995272A (zh) * 2020-09-02 2020-11-27 中国地质大学（武汉） 一种稻壳灰及其制备方法、稻壳灰地聚物及其制备方法
CN114671634A (zh) * 2022-05-30 2022-06-28 河北工业大学 一种含固废的轻质-保温-高强地质聚合物及其制备方法
CN116947338A (zh) * 2023-07-11 2023-10-27 内蒙古鄂尔多斯电力冶金集团股份有限公司 一种复合生物质粘结剂改性碱激发胶凝材料及其制备方法
CN117142811A (zh) * 2023-09-20 2023-12-01 齐齐哈尔大学 一种秸秆地聚物墙体材料的制备工艺

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108250473A (zh) * 2018-01-19 2018-07-06 济南大学 一种石墨烯改性玉米秸秆芯复合电磁屏蔽薄膜及其制备方法
CN109455795A (zh) * 2018-11-13 2019-03-12 广西大学 一种生物炭/多孔地质聚合物复合膜的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN117843303A (zh) 2024-04-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112794666B (zh) 一种铁尾矿免烧陶粒及其制备方法
CN112125541A (zh) 一种湿法碳化活化废旧混凝土再生微粉的方法及再生微粉的应用
CN108484115B (zh) 一种利用固体废弃物制备的多孔材料
CN103467018A (zh) 一种用蛭石制备低密度油井固井水泥试块的制备方法
CN114772956B (zh) 一种基于再生混凝土粉与生物炭的高吸碳早强胶凝材料及其应用
CN113955996B (zh) 一种相变抗裂混凝土及其制备方法
CN114656237A (zh) 一种基于钛石膏的路基填料及其制备方法和应用
CN117534361A (zh) 一种冶金固废混凝土掺和料及其制备方法和应用
CN114716193B (zh) 一种再生渣土砖的制备方法
CN115849940B (zh) 一种加气混凝土及其制备方法
CN115259823B (zh) 一种轻质高强低导热系数加气混凝土及其制备方法
CN108706962A (zh) 一种煤矸石-粉煤灰-脱硫石膏体系的高强度陶瓷砖及其制备方法
CN114230299B (zh) 一种全固废高性能轻质材料及其制备方法与应用
CN117843303B (zh) 一种地质聚合物基组合物、复合材料及其制备方法
CN115677379B (zh) 一种泡沫混凝土的制备方法
CN116081968B (zh) 一种抑制化学收缩的碱激发胶凝材料及其制备方法
CN118084363A (zh) 一种矿粉-碳化钢渣复合矿物掺合料的制备方法及应用
CN115353412B (zh) 一种硅酸钙镁轻质保温隔热墙体材料及其制备方法
CN116715491A (zh) 一种钢渣基固碳材料及其制备方法和应用
CN113582550A (zh) 一种玻璃基多孔材料及其制备方法
CN101747011B (zh) 一种轻质可承重墙体材料及其生产方法
CN117843325B (zh) 一种掺加铁尾矿砂的水泥砂浆及其制备方法
CN117361548B (zh) 一种利用秸秆制备改性亲水纳米二氧化硅的方法、产品及超高性能混凝土
CN118145923B (zh) 一种煤泥基碱激发地聚物固废复合胶结材料及其制备方法
CN119059753A (zh) 一种基于过程控制的再生混凝土微粉改性方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant