一种以石灰-碳酸钠为激发剂的单组份碱激发胶凝材料

摘要

本发明公开了一种以“石灰+碳酸钠”为激发剂的单组份碱激发胶凝材料，其是以石灰和碳酸钠按摩尔比1:1配制作为激发剂，火山灰活性材料作为被激发对象，将其干拌混合制得。该胶凝材料的抗压强度为P.O 42.5水泥的1.2～1.3倍，且其直接加水即可使用，拌合初期碱性低，凝结时间适中且可通过调整碱掺量或生/熟石灰比例进行调节，具有良好的工程应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于无机胶凝建筑材料技术领域，具体涉及一种以“石灰+碳酸钠”为激发剂的单组份碱激发胶凝材料。

背景技术

目前，全球经济迅速发展，建筑行业的发展尤为迅猛，混凝土使用量巨大，其中更涉及到硅酸盐水泥的大量使用。硅酸盐水泥的生产原材料主要为高品质的石灰石及黏土矿物，需对自然矿物资源大量开采，且硅酸盐水泥生产需“两磨一烧”工艺，期间涉及大量煤炭资源以及电力资源的消耗以及二氧化碳等有害气体的排放，硅酸盐水泥的生产极大地污染了环境和损耗了资源，且该问题日渐显著。

碱激发胶凝材料的使用极大地降低了对环境的不利影响，其是由各种具火山灰活性的工业废料以及高碱性的激发剂制成，具备低能耗、工业废料再利用、低排放、力学及耐久性能优异等显著特点。然而，目前碱激发胶凝材料常用的激发剂为水玻璃、氢氧化钠或两者混合使用，面临着激发剂价格昂贵、需单独配制碱溶液（使用不便）、拌合初期高碱性溶液会对人体造成伤害、凝结时间过快等种种问题，致使其长久以来难以在工程中推广。

发明内容

本发明旨在提供一种采用“石灰+碳酸钠”为激发剂的单组份碱激发胶凝材料，它具有使用方便、低碱性、凝结时间适宜且可调、力学性能优良、低成本以及绿色环保等显著优点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种以石灰-碳酸钠为激发剂的单组份碱激发胶凝材料，其是由作为激发剂的石灰-碳酸钠和火山灰活性材料组成；其中，石灰与碳酸钠的摩尔比为1:1。

所述石灰为生石灰、熟石灰或两者以任意摩尔比组成的混合物；所述火山灰活性材料包括粒化高炉矿渣、粉煤灰、偏高岭土、微晶硅灰、火山灰中的任意一种或几种。

其中，激发剂与火山灰活性材料的质量百分数之比为(8~15):(85~92)。

所述单组份碱激发胶凝材料的使用方法为：将粉状的石灰、碳酸钠以及火山灰活性材料经干拌混合制得单组份碱激发胶凝材料后，与河砂等加水混合搅拌，再将拌合物倒入模具内，用塑料薄膜覆盖密封，1天后拆模，随后进行养护，至合适龄期后方可使用。

将“石灰+碳酸钠”激发剂与火山灰活性材料充分搅拌均匀并加水搅拌后，激发剂中的石灰（生石灰或熟石灰）和碳酸钠发生反应生成高碱性的NaOH（其反应式如下：CaO+Na₂CO₃+H₂O=2NaOH+CaCO₃(↓)或Ca(OH)₂+Na₂CO₃=2NaOH+CaCO₃(↓)），这提供了高碱性环境，可完成对火山灰活性材料的激发，形成C-(A)-S-H凝胶，使材料具有强度。同时，生成的方解石（即CaCO₃）作为一种水化产物，不仅自身力学性能好，且可填充孔隙，并具有晶核作用，可加大凝胶的生成量。

其中，当采用“熟石灰+碳酸钠”为激发剂时，熟石灰直接与碳酸钠反应生成氢氧化钠和碳酸钙，其反应速度快，孔隙液pH值增长快，反应周期短，凝结速度快。而采用“生石灰+碳酸钠”为激发剂时，生石灰先与水反应生成熟石灰，熟石灰再与碳酸钠反应生成氢氧化钠（NaOH）和碳酸钙（CaCO₃），其反应速度慢，孔隙液pH值增长慢，反应周期长，凝结速度慢；其拌合初期碱性不高，对使用者人身伤害较小。当使用熟石灰替代部分生石灰时，与使用生石灰+碳酸钠以及熟石灰+碳酸钠的效果相比，其生成氢氧化钠的速度、孔隙液pH值增长、反应周期和凝结速度均适中，其产生的碳酸钙晶体不仅自身拥有优异的力学性能，且其晶粒生长可提高材料密实性，提高碱激发材料的晶胶比，从而可提高胶凝材料的力学系性能和耐久性。

本发明的显著优点在于：

（1）成本低：相对采用氢氧化钠、水玻璃或混合使用作为激发剂的碱激发胶凝材料，本发明中的“石灰+碳酸钠”激发剂的成本较低；

（2）单组份，使用方便：可先将石灰、碳酸钠、火山灰活性材料进行混合，待使用时直接加水搅拌即可；

（3）拌合阶段碱性低：拌合阶段，其浆体碱性较弱（pH较低），不会对使用者人身产生较大伤害，安全可靠；

（4）凝结时间适宜并可控：本发明单组份碱激发胶凝材料中激发剂的碱当量（Na₂Owt.%）为3%～5%，通过调整激发剂的掺量或生/熟石灰的比例，可获得不同力学性能的单组份碱激发胶凝材料，并可调节胶凝材料的初/终凝结时间，使其在60～200>

（5）性能优异：在同等碱掺量情况下，采用本发明单组份碱激发胶凝材料的抗压强度比使用氢氧化钠为激发剂制备的碱激发胶凝材料的高10%～20%；在同配合比下，本发明单组份碱激发胶凝材料的抗压强度为P.O 42.5水泥的1.2～1.3倍；且折压比高，韧性和抗裂性能好；

（6）绿色环保：在火山灰活性材料中充分利用各种工业固体废弃物，资源再利用，保护环境。

具体实施方式

为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。

实施例

以“石灰+碳酸钠”为激发剂的单组份碱激发胶凝材料中碱激发剂碱当量（Na₂Owt.%）3.87%，熟石灰替代生石灰的摩尔量替代率为50%，即其各组分的质量百分数为：碳酸钠6.62%，生石灰1.75%，熟石灰2.31%，矿渣89.32%。

使用方法的具体步骤：1）称量：按常规用量称取单组份碱激发胶凝材料、河砂等待用，称量误差为不超过设计重量值±1%；2）干拌：将单组份碱激发胶凝材料和河砂等加入搅拌设备中，充分搅拌至均匀；3）加水搅拌：将单组份碱激发胶凝材料质量45%的水加入盛有已搅拌均匀的粉料的搅拌设备中，随后搅拌至均匀；4）浇筑及养护：将拌合物倒入模具内，用塑料薄膜覆盖密封，1天后拆模，随后进行养护，至合适龄期。

该以“石灰+碳酸钠”为激发剂的单组份碱激发胶凝材料制备的砂浆初/终凝时间为71/126 min，28天抗压强度37.2 MPa，抗折强度为9.88 MPa，折压比为0.27。

对比例1

采用单一生石灰为激发剂，即其各组分的质量百分数为：生石灰10.68%，矿渣89.32%，其28天抗压强度9.1MPa，抗折强度为0.8 MPa。

对比例2

采用单一熟石灰为激发剂，即其各组分的质量百分数为：熟石灰10.68%，矿渣89.32%，其28天抗压强度8.4MPa，抗折强度为0.7 MPa。

对比例3

采用单一碳酸钠为激发剂，即其各组分的质量百分数为：碳酸钠10.68%，矿渣89.32%，其28天抗压强度14.2MPa，抗折强度为1.3MPa。

由上述可见，单一采用石灰或碳酸钠为激发剂，所得砂浆的抗压强度及抗折强度明显低于本发明以“石灰+碳酸钠”为激发剂制备的砂浆。这是由于碳酸钠、生石灰和熟石灰均属于弱碱，它们对矿渣的激发能力非常有限，无法形成NaOH和CaCO₃。而将碳酸钠、生石灰和熟石灰混合使用，能形成NaOH和CaCO₃（其机理为：CaO+Ca(OH)₂+2Na₂CO₃+H₂O=4NaOH+2CaCO₃(↓)）。NaOH为强碱，能够很好激发矿渣的活性，提高单组份碱激发胶凝材料的强度。当石灰和碳酸钠按摩尔比1:1时，生成的NaOH最多，从而可使单组份碱激发胶凝材料达到最佳的强度。而生成的CaCO₃晶体不仅自身拥有优异的力学性能，且其晶粒生长可提高材料密实性，提高碱激发材料的晶胶比，从而可进一步提高单组份碱激发胶凝材料的强度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。