地质聚合物组合物及地质聚合物材料.pdf

本发明公开了一种地质聚合物组合物及地质聚合物材料。该地质聚合物组合物含有碱性激发剂和粉煤灰，粉煤灰依据不同平均粒径包含组分A、组分B和组分C中的二者或三者，其中，组分A的平均粒径为5微米以下，组分B的平均粒径为大于5微米且小于等于40微米，组分C的平均粒径为大于40微米。由本发明的地质聚合物组合物制得的地质聚合物材料具有较高的抗压强度，能够满足建筑工程等领域内的应用。

1.  一种地质聚合物组合物，其中，该地质聚合物组合物含有粉煤灰和碱性激发剂，所述粉煤灰依据不同平均粒径包含组分A、组分B和组分C中的二者或三者，其中，组分A的平均粒径为5微米以下，组分B的平均粒径为大于5微米且小于等于40微米，组分C的平均粒径为大于40微米。

2.  根据权利要求1所述的组合物，其中，以粉煤灰的总量为基准，组分A、组分B和组分C的含量各自独立地为0-98重量%，且组分A、组分B和组分C的含量之和为100重量%。

3.  根据权利要求2所述的组合物，其中，以粉煤灰的总量为基准，组分A的含量为0-40重量%，优选为0-30重量%；组分B的含量为10-95重量%，优选为20-90重量%；组分C的含量为0-80重量%，优选为0-30重量%，且组分A、组分B和组分C的含量之和为100重量%。

4.  根据权利要求1-3中任一项所述的组合物，其中，组分A中，粒径小于5微米的粉煤灰占组分A的70重量%以上。

5.  根据权利要求1-4中任一项所述的组合物，其中，组分B中，粒径小于40微米大于5微米的粉煤灰占组分B的70重量%以上。

6.  根据权利要求1-5中任一项所述的组合物，其中，组分C中，粒径小于300微米大于40微米的粉煤灰占组分C的70重量%以上。

7.  根据权利要求1-6中任意一项所述的组合物，其中，所述粉煤灰的粒径分布方式为双峰或多峰分布方式。

8.  根据权利要求1-7中任一项所述的组合物，其中，相对于100重量份的粉煤灰，所述碱性激发剂的含量为10-100重量份，优选为30-60重量份。

9.  根据权利要求1-8中任一项所述的组合物，其中，所述碱性激发剂为基于碱金属硅酸盐和/或碱土金属硅酸盐的碱性激发剂，模数不低于2.2，优选不低于2.4，其中M代表碱金属。

10.  根据权利要求9所述的组合物，其中，所述碱性激发剂为水玻璃，其固体含量不低于34重量%但低于46重量%，优选34.5重量%至42重量%。

11.  根据权利要求1-10中任一项所述的组合物，其中，该组合物还含有添加剂，相对于100重量份的粉煤灰，所述添加剂的含量为0.5-25重量份，优选为1-10重量份；所述添加剂为减水剂、早强剂、防水剂、催化剂、发泡剂、稳泡剂和泵送剂中的一种或多种。

12.  根据权利要求1-11中任一项所述的组合物，其中，该组合物还含有抗压强度增强剂，相对于100重量份的粉煤灰，所述抗压强度增强剂的含量为0.01-5重量份，优选为0.05-2重量份；所述抗压强度增强剂为增韧纤维和/或钢渣。

13.  一种地质聚合物材料，该材料由权利要求1-12中任意一项所述的组合物制成。

地质聚合物组合物及地质聚合物材料
技术领域
本发明涉及地质聚合物组合物及地质聚合物材料。
背景技术
随着人们环保、节能意识的提高以及国家政策的规定，各行各业都在环保、节能方面加大研发力度，以更好地保护人类生活的环境。
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。目前研究比较多的地质聚合物原料是粉煤灰。
粉煤灰是燃煤电场排出的固体废弃物，是排放量较大的工业废渣之一，如果将其利用，可以大大减少其堆放占地污染。粉煤灰具有潜在的水硬性，若将其利用替换水泥来达到所需的粘结性能等，则除了减少其自身的污染外，还能少用高耗能、污染大的水泥，实现环境友好，因此，粉煤灰的利用是当前研究积极开展的重要方向。
但是，在现有技术中，地质聚合物材料的抗压强度还需进一步改善。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够提高地质聚合物材料的抗压强度的地质聚合物组合物以及地质聚合物材料。
本发明的发明人经过数次的实验和摸索发现，利用粉煤灰制备地质聚合物材料时，其粉煤灰的粒径范围直接影响地质聚合物材料的抗压强度，如粉 煤灰的粒径分布方式相同时，地质聚合物材料的抗压强度随平均粒径的降低成非线性增加。在此基础上，在利用粉煤灰制备地质聚合物材料时，使用两种或三种粒径分布的粉煤灰制得的地质聚合物材料与单一粒径分布的粉煤灰制得的地质聚合物材料相比，其抗压强度将进一步显著提高。
为了实现上述目的，本发明提供了一种地质聚合物组合物，其中，该地质聚合物组合物含有碱性激发剂和粉煤灰，该粉煤灰依据不同平均粒径包含组分A、组分B和组分C中的二者或三者，其中，组分A的平均粒径为5微米以下，组分B的平均粒径为大于5微米且小于等于40微米，组分C的平均粒径为大于40微米。
以粉煤灰的总量为基准，组分A、组分B和组分C的含量各自独立地可以为0-98重量%，且组分A、组分B和组分C的含量之和为100重量%。按照本发明的一种优选实施方式，以粉煤灰的总量为基准，组分A的含量为0-40重量%，优选为0-30重量%；组分B的含量为10-95重量%，优选为20-90重量%；组分C的含量为0-80重量%，优选为0-30重量%，且组分A、组分B和组分C的含量之和为100重量%。
优选地，组分A中，粒径小于5微米的粉煤灰占组分A的70重量%以上；更优选地，组分A中，粒径小于5微米的粉煤灰占组分A的75重量%以上。组分B中，粒径小于40微米大于5微米的粉煤灰占组分B的70重量%以上；更优选地，粒径小于40微米大于5微米的粉煤灰占组分B的75重量%以上。组分C中，粒径小于300微米大于40微米的粉煤灰占组分C的70重量%以上；更优选地，粒径小于300微米大于40微米的粉煤灰占组分C的75重量%以上。按照该优选实施方式，可以进一步提高制得的地质聚合物材料的抗压强度。
粉煤灰是煤燃烧后产生的固体废弃物，可包含SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO等组分。
组分A、组分B和组分C可以分别通过研磨至所需的粒径范围并且进行筛选而制得。
优选地，所述粉煤灰的粒径分布方式可以为双峰或多峰分布方式。
对所述碱性激发剂的种类和用量没有特别的限定，只要满足使粉煤灰形成地质聚合物材料即可。
相对于100重量份的粉煤灰，所述碱性激发剂的含量可以为10-100重量份，优选为30-60重量份。
所述碱性激发剂为基于碱金属硅酸盐和/或碱土金属硅酸盐的碱性激发剂，优选为基于碱金属硅酸盐的碱性激发剂。
基于碱金属硅酸盐的碱性激发剂的模数（即SiO₂/M₂O的摩尔比）优选不低于2.2，更优选不低于2.4，其中M代表碱金属。
更优选地，所述碱性激发剂为水玻璃。相对于水玻璃的总量，水玻璃的固体含量可以为不低于34重量%但低于46重量%，优选34.5重量%至42重量%。
优选地，该组合物还含有添加剂。相对于100重量份的粉煤灰，所述添加剂的含量可以为0.5-25重量份，优选为1-10重量份。所述添加剂可以为减水剂、早强剂、防水剂、催化剂、发泡剂、稳泡剂和泵送剂中的一种或多种。
优选地，该组合物还含有抗压强度增强剂。相对于100重量份的粉煤灰，所述抗压强度增强剂的含量可以为0.01-5重量份，优选为0.05-2重量份。所述抗压强度增强剂可以为增韧纤维和/或钢渣。
本发明提供的地质聚合物组合物可以通过常规的制备方法制得，例如将各种成分混合均匀，得到浆料。在混合过程中，优选进行搅拌，搅拌的转速可以为50-150rpm，优选60-125rpm。混合的时间可为10秒至10分钟，优选10秒至5分钟。
本发明还提供了一种地质聚合物材料，该材料由本发明提供的地质聚合物组合物制成。
由本发明提供的地质聚合物组合物制备地质聚合物材料的方法可以为常规的方法，例如，将混合均匀的浆料状的地质聚合物组合物注模成型，自然养护，还可根据需要进一步切割、成品。
由本发明的地质聚合物组合物制得的地质聚合物材料具有较高的抗压强度，能够满足建筑工程等领域内的应用。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1是本发明的具体实施方式中原料4和实施例2的粉煤灰的粒径分布图。
具体实施方式
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
制备例
通过研磨和筛选，制得粒径分布如表1所示的粉煤灰。
表1


实施例1-4
按照下表2所示的配比依据不同平均粒径将上述不同原料混合，制得两种或三种粒径分布的粉煤灰。
表2

图1显示了原料4和实施例2的粉煤灰的粒径分布，其中原料4的粒径分布为单一粒径分布，实施例2的粉煤灰的粒径分布为双峰分布方式。
实施例5-8
实施例5至8用于制备本发明的地质聚合物材料。
本发明实施例中所用NaOH为化学纯的产品，购自中国医药集团北京分公司。所用的水为去离子水。
（1）溶液配制
将水玻璃用水稀释至所设定的浓度。根据下表3中所设定的模数配置成设定浓度的水溶液。
(2)浆体制备
按照表3所示的用量，将实施例1-4的粉煤灰倒入NJ-16A水泥浆搅拌器中，然后加入水玻璃，并设定转速为60rpm下搅拌。搅拌2分钟后得到均 匀混合物，然后将得到的水泥浆倒入测试模具中。
(3)样品测试
对于抗压强度测试，成型条件为室温且相对湿度为（50±10）%。成型之后，将样品转移至水泥标准养护箱中，在标准养护条件（20±1℃，相对湿度≥90%）下放置28天。然后将样品脱模并根据GB/T17671-1999测试其1天，14天及28天抗压强度。对于28天强度的试样，在24h脱模后继续养护在恒温恒湿养护箱中。结果列于下表3中。
对比例1-3
按照与实施例5-8相同的方法，使用制备例的粉煤灰制得试样并进行测定，结果如表3所示。
表3

从表3所示的结果可以看出，在平均粒径相近甚至平均粒径较大时，本发明提供的含有两种或三种平均粒径分布的粉煤灰制成的样品的28天常温 养护抗压强度明显高于只含单一粒径分布的粉煤灰制成的样品。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。