磷酸粉煤灰水泥及其制备方法 【技术领域】
本发明属于水泥技术领域，特别涉及粉煤灰水泥及其制备方法。
背景技术
粉煤灰是燃煤电厂的煤粉经锅炉燃烧后，排放的工业废渣，它不但污染环境，还要占用土地堆放。粉煤灰从化学组成上看是一种比较典型的火山灰质材料，其中含有大量的铝硅玻璃体，其结构致密，化学性质稳定。粉煤灰具有潜在的火山灰活性，但活性的发挥速度非常缓慢。所谓火山灰活性是指粉煤灰中的硅质或铝硅质材料在有水存在的情况下，与CaO化合形成水硬性固体的性质。因此若对粉煤灰进行活性激发，充分发挥其潜在的活性，使之迅速产生水硬性胶凝性质并获得强度，就可使粉煤灰象普通水泥一样，广泛而方便地应用，才能充分利用粉煤灰这一废渣资源。所以粉煤灰利用的关键，是对其进行活性激发。
在对粉煤灰进行活性激发的技术中，现常用的且较先进的方式是采用碱激发。就是用碱性物质与粉煤灰中的硅、铝氧化物反应生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝物质。但碱激发只是利用粉煤灰的火山灰性质，因而激发速度慢，并且在无硅酸盐水泥熟料的情况下，碱激发粉煤灰作为主要地胶凝材料使用时，其强度较低，通常只能用于道路工程材料、墙体材料等，不能象普通水泥一样广泛使用。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种磷酸粉煤灰水泥及其制备方法，采用酸激发方式。其激发速度快，强度发展迅速；并且制备出的新型胶凝材料具有凝结快、强度高等特性。可充分利用粉煤灰这一工业废渣，使粉煤灰水泥象普通水泥一样广泛使用。
本发明的目的是这样实现的：一种磷酸粉煤灰水泥，主要由粉煤灰、酸性激发剂、水及缓凝剂组成，其配合比例的重量百分比为：粉煤灰50～80、酸性激发剂7～28、水1～26、缓凝剂1～10；或者主要由经缓凝预处理的粉煤灰、酸性激发剂、水组成，其配合比例的重量百分比为：经缓凝预处理的粉煤灰50～80、酸性激发剂4～30、水1～30。其酸性激发剂主要为磷酸等，酸性激发剂激发的是粉煤灰的化学活性而不只是火山灰活性。因此激发速度快，且强度发展十分迅速；所制备出的胶凝材料具有强度高的特点。由于粉煤灰与磷酸水溶液混合后，凝结较迅速，需加入一定量的缓凝剂，以延长凝结时间，其缓凝剂主要为四硼酸钠等；也可采用预处理方法延长凝结时间，粉煤灰缓凝预处理方法为：将粉煤灰在浓度为3～10％的磷酸水溶液中浸泡5～60min后，过滤并干燥后制成缓凝预处理的粉煤灰。
一种磷酸粉煤灰水泥的制备方法，步骤如下：
(1)备料
先按磷酸粉煤灰水泥配合比例的百分比重量将各组分称量备料；
(2)将粉煤灰放置于容器中
然后将粉煤灰或经过缓凝预处理的粉煤灰，放置于容器中；
(3)配制激发剂水溶液
再用另一容器将酸性激发剂与水混合，并搅拌均匀；
(4)制备磷酸粉煤灰水泥
最后将配制的激发剂水溶液倒入放置有粉煤灰的容器中，并加入缓凝剂，或者将激发剂水溶液倒入放置有经缓凝预处理的粉煤灰的容器中，迅速搅拌均匀，然后浇筑成型并在常温下自然养护。
用磷酸作激发剂激发粉煤灰的机理是：从粉煤灰的矿物组成上看，粉煤灰是由于很多熔融的液体急剧冷却所形成的固体，大部分原子不能达到晶体所需的有序程度而形成非晶态，因此氧化物主要以无定型的形态存在，根据氧化物与正磷酸在常温下胶结性能的变化规律：碱性和无定性氧化物在常温下与正磷酸反应可以形成强的胶结剂，因此粉煤灰在常温下即可与磷酸反应生成强胶凝性物质。同时用于配制磷酸粉煤灰水泥的粉煤灰最好采用磨细灰，对原状灰进行一定时间的粉磨，将使粉煤灰比表面积增加，活性增大，有助于强度的提高。
本发明采用上述技术方案后，主要有以下特点：
1、对粉煤灰采用酸性激发方式，其激发速度快、强度发展迅速，有利于粉煤灰这一工业废渣的充分利用。
2、强度高，远远高于粉煤灰其他利用方式的强度，超过常用的普通硅酸盐水泥的强度指标。
3、凝结速度快，粘结性能好，可用于快速抢险，以及用于机场跑道、交通繁忙带混凝土路面等的裂缝、孔洞修补工程。
4、能够在-20℃的低温环境中正常施工。
5、制备方法、工艺和所需设备简单，因而操作方便，便于推广应用。
用本发明制备的磷酸粉煤灰水泥，象普通水泥一样使用方便，可广泛用于快速修补工程及低温环境等恶劣条件下的建筑工程。本发明是“化害为利”、“变废为宝”，使废资源再生、保护环境的有效技术。
【具体实施方式】
下面结合具体实施方式，进一步说明本发明。
实施例1：
本实施例为磷酸粉煤灰水泥与碱激发粉煤灰、普通硅酸盐水泥的抗压强度对比。
本实施例的磷酸粉煤灰水泥主要由粉煤灰、磷酸激发剂、水和四硼酸钠缓凝剂组成，其配合比例的重量百分比为：粉煤灰70.4、磷酸激发剂11.3、水16.9、四硼酸钠缓凝剂1.4。其制备方法和步骤如下：
(1)备料
先按磷酸粉煤灰水泥上述配合比例的百分比重量将各组分称量备料；
(2)将粉煤灰倒入容器中
然后将粉煤灰倒入成型容器中；
(3)配制磷酸水溶液
再用另一容器将磷酸与水混合并搅拌均匀，配制成磷酸水溶液；
(4)制备磷酸粉煤灰水泥
最后将配制的磷酸水溶液倒入放置有粉煤灰的容器中，并加入四硼酸钠缓凝剂，迅速搅拌均匀，然后浇筑成型，试件脱模后放置在常温下自然养护，再分别测其3、7、28天的强度。其中碱激发粉煤灰各龄期强度参考《粉煤灰特性与粉煤灰混凝土》一书(钱觉时著，科学出版社，2002年)，普通硅酸盐水泥各龄期强度为标准强度指标。对比结果见下表： 名 称 抗压强度(MPa) 3d 7d 28d 磷酸粉煤灰水泥 50.5 63.0 67.5 碱激发粉煤灰 (粉煤灰∶生石灰∶芒硝＝80∶17∶3) 2.3 6.8 8.0 普通硅酸盐水泥42.5 16.0 30.0 42.5
从对比结果可知：磷酸粉煤灰水泥的强度最高，特别是早期强度远高于后两者的早期强度。
实施例2：
本实施例为磷酸粉煤灰水泥与普通硅酸盐水泥粘结强度的对比。
(1)用与实施例1相同的组分、配比、制备方法步骤，制备出磷酸粉煤灰水泥，再将旧混凝土试件折断，用本磷酸粉煤灰水泥将其粘结，粘结厚度为10mm。
(2)将普通硅酸盐水泥42.5以0.3的水灰比配成普通硅酸盐水泥净浆，将相同结构及厚度的旧混凝土试件折断，用普通硅酸盐水泥浆将其粘结，粘结厚度仍为10mm。
(3)将两种粘结试件放于常温下养护，分别对比其在1、3、7、28天的粘结抗折强度，如下表： 水泥种类 粘结抗折强度(MPa) 1d 3d 7d 28d 磷酸粉煤灰水泥 3.10 4.18 5.10 5.80 普通硅酸盐水泥 1.30 1.85 2.80 3.30
由对比结果可知：本发明的磷酸粉煤灰水泥各龄期的粘结抗折强度均比普通硅酸盐水泥的粘结抗折强度高。
实施例3：
本实施例为缓凝剂对磷酸粉煤灰水泥凝结时间的影响。
本实施例的磷酸粉煤灰水泥主要由粉煤灰、酸性激发剂、水和缓凝剂组成。酸性激发剂为磷酸，缓凝剂为四硼酸钠。粉煤灰、磷酸、水三者的重量比为10.0∶1.6∶2.4，掺入的四硼酸钠分别为粉煤灰重量的2％、5％、10％。其制备方法步骤如下：
(1)备料
先将粉煤灰、磷酸、水三者按10.0∶1.6∶2.4的重量比称量出，备好料，再将四硼酸钠按粉煤灰重量的2％、5％、10％称量，准备好；
(2)将粉煤灰倒入容器中
然后将粉煤灰倒入成型容器中；
(3)配制磷酸水溶液
再用另一容器将磷酸与水混合并搅拌均匀，配制成磷酸水溶液；
(4)制备磷酸粉煤灰水泥
最后将配制的磷酸水溶液倒入放置有粉煤灰的容器中，并掺入占粉煤灰重量0％或2％或5％或10％的四硼酸钠，迅速搅拌均匀，然后浇筑成型，分别制成四种不同四硼酸钠掺量的磷酸粉煤灰水泥试件。分别测其凝结时间和28天抗压强度，其中凝结时间参考水泥凝结时间的测定方法采用维卡仪测定，从磷酸水溶液加入粉煤灰时开始记时，到磷酸粉煤灰水泥开始凝结的初凝时间。结果见下表： 四硼酸钠掺量(％) 0 2 5 10 初凝时间(min) 1.7 3.6 6.0 22.4 28d抗压强度(MPa) 72.0 67.5 58.0 47.5
从表中数据可知：缓凝剂四硼酸钠的掺入量越高，磷酸粉煤灰水泥的初凝时间越长，缓凝剂的加入能起到延缓凝结的作用，但其抗压强度有所降低。
实施例4：
本实施例为粉煤灰缓凝预处理对磷酸粉煤灰水泥凝结时间的影响。
先将粉煤灰分别用浓度为3.0％、5.0％、7.5％、10.0％的磷酸水溶液各浸泡30min，过滤后烘干，制成四种经缓凝预处理的粉煤灰。本实施例的磷酸粉煤灰水泥主要由经缓凝预处理的粉煤灰、磷酸激发剂和水组成，其配合比例的重量百分比为：经缓凝预处理的粉煤灰71.4、磷酸激发剂11.4、水17.2。其制备方法和步骤如下：
(1)备料
先按磷酸粉煤灰水泥上述配合比例的百分比重量将各组分称量备料；
(2)将粉煤灰倒入容器中
然后将经缓凝预处理的粉煤灰倒入成型容器中；
(3)配制磷酸水溶液
再用另一容器将磷酸与水混合并搅拌均匀，配制成磷酸水溶液；
(4)制备磷酸粉煤灰水泥
最后将配制的磷酸水溶液倒入放置有经缓凝预处理的粉煤灰的容器中，迅速搅拌均匀，然后浇筑成型，分别制成四种不同的磷酸粉煤灰水泥试件。然后与相同配合比例，但采用未经过缓凝预处理的粉煤灰制备的磷酸粉煤灰水泥试件比较。分别测其凝结时间和28天抗压强度，其中凝结时间参考水泥凝结时间的测定方法采用维卡仪测定，从磷酸水溶液加入粉煤灰时开始记时，到磷酸粉煤灰水泥开始凝结的初凝时间。结果见下表：预处理磷酸浓度(％)未经过预处理 3.0 5.0 7.5 10.0 初凝时间(min) 1.7 4.7 8.5 45.0 73.0 28d抗压强度(MPa) 65.0 55.7 52.0 48.5 38.0
从表中数据可知：对粉煤灰进行缓凝预处理时，浸泡粉煤灰所用的磷酸溶液的浓度越大，磷酸粉煤灰水泥的初凝时间越长，能起到延缓凝结的作用，但其抗压强度有所降低。