一种基于硅灰石新型矿物基聚合物的合成方法

摘要

本发明公开了一种基于硅灰石新型矿物基聚合物的合成方法，包括制备改性硅灰石；制备碱硅酸盐激发剂；改性硅灰石、高岭土、粉煤灰、矿粉、沙子和石子为基本原料，放入搅拌机内，再加入碱硅酸盐激发剂，搅拌均匀，得到砂浆；将砂浆装入模具中，放在振动台上振动，在室温下静置成型，脱模，养护，即得到新型矿物基聚合物。本发明使用化学包覆法对硅灰石的表面进行无机改性，得到的新型矿物基聚合物在抗压强度和耐腐蚀能力大大提升。

说明书

技术领域

本发明涉及混凝土技术领域，尤其涉及一种基于硅灰石新型矿物基聚合物的合成方法。

背景技术

硅灰石作为一种新型工业矿物，由于具有纤维状结构、无毒无嗅、稳定的化学性能、低的吸水率等优良的性能而被广泛应用。随着科技日新月异的发展，在科学家不断地探索下，硅灰石潜在的新用途正陆续被发现，国内外硅灰石市场需求持续增长。对硅灰石进行表面改性、深加工合成新型复合功能材料，提高资源利用的高附加值，显得尤为重要。

目前，钢筋混凝土结构中，混凝土使用的主要原料是硅酸盐水泥。传统的硅酸盐水泥是利用石灰石、粘土等原料，经过两磨一烧的生产工艺制备而成，其中煅烧温度高达1450℃。它的生产是一个高能耗、高资源消耗、高环境负荷的产业，使我国能源、资源和环境不堪重负，给水泥工业的可持续发展带来严峻的挑战。而无机矿物聚合物是由具有潜在活性的工业固体废弃物和碱性激发剂混合而制成的一种新型胶凝材料，免去了传统水泥生产中的烧结过程，不排放CO₂，大量减少烟尘。另外，相对于传统硅酸盐水泥制成的混凝土而言，矿物基聚合物成本低、能耗低，并且早强性与耐蚀性都有一定的提高。但如何使矿物基聚合物的抗压强度与耐久性进一步提升仍然值得探索。

无机矿物聚合物与目前硅酸盐水泥相比具有以下优点：

(1)力学性能优良。无机矿物聚合物早期强度高，只需要养护三天其强度就可以达到最后强度的百分之七十，力学性能完全可以满足建筑结构材料的要求。

(2)耐酸碱性能优良。无机矿物聚合物具有较强的耐腐蚀性以及良好的稳定性，它优良的耐酸碱侵蚀和耐气候变化性能使其不会对周围环境造成新的污染，是一种较为环保的材料。

(3)体积收缩较小。水化之后，传统的硅酸盐水泥会产生较大的化学收缩，但是无机矿物聚合物却能保持良好的体积稳定性。

(4)耐高温性能较强。与传统硅酸盐水泥相比，它具有优异的耐高温性能，将无机矿物聚合物用作建筑材料，对火灾有着良好的抑制作用，对于火灾的防范具有重大意义。

(5)自然资源丰富，生产低能耗。

(6)低孔隙率，低渗透率，耐久性优良。无机矿物聚合物具有良好的孔结构及渗透率，可固化有毒废物，用于固封有毒金属及放射性核废料；且可以抑制普通水泥中金属离子迁移与骨料反应而引起的碱集料反应，没有膨胀，经受自然破坏的能力很强。

此外，我国固体废弃物排放严重，大多得不到合理利用，如粉煤灰、矿渣等。这些固体废弃物大都可用来制备无机矿物聚合物，无机矿物聚合物的合成为合理利用固体废弃物资源提供了一条合理有效的发展路线，同时也展示出无机矿物聚合物材料未来巨大的应用前景。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种对硅灰石的表面改性进行研究并致力于基于硅灰石新型矿物基聚合物的合成方法。

本发明的实施例提供一种基于硅灰石新型矿物基聚合物的合成方法，包括以下步骤：

S1.制备改性硅灰石；

S2.制备碱硅酸盐激发剂；

S3.以步骤S1制备的改性硅灰石、高岭土、粉煤灰、矿粉、沙子和石子为基本原料，放入搅拌机内，再加入步骤S2制备的碱硅酸盐激发剂，搅拌均匀，得到砂浆；

S4.将砂浆装入模具中，放在振动台上振动，在室温下静置成型，脱模，养护，即得到新型矿物基聚合物。

进一步，所述步骤S1中，改性硅灰石的制备方法为在硅灰石的表面利用异相凝聚包覆镍离子。

进一步，所述步骤S1中，改性硅灰石的具体制备方法为：

S1.1.以水为溶剂，溶解硫酸镍，得到改性剂；

S1.2.将改性剂加入到硅灰石中，改性剂根据硅灰石的性质控制浓度；

S1.3.水浴加热，搅拌，静置；

S1.4.抽滤，干燥，即得到改性的硅灰石。

进一步，所述步骤S1.1中，硫酸镍采用分析纯，水采用蒸馏水。

进一步，所述步骤S1.2中，硅灰石为SW-10硅灰石时，改性剂的浓度控制在2605.41μg/ml，硅灰石为F-60硅灰石时，改性剂的浓度控制在2009.89μg/ml。

进一步，所述步骤S1.3中，水浴加热温度为32℃，搅拌速率为300r/min，搅拌时间为10min，搅拌用JJ-1A精密增力电动搅拌器。

进一步，所述步骤S2中，碱硅酸盐激发剂的制备方法为：将一定量的氢氧化钠和水玻璃以1:8的比例称重，并将两者分别倒入烧杯中，用玻璃棒充分搅拌使其混合均匀，即得到碱硅酸盐激发剂。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明使用化学包覆法对硅灰石的表面进行无机改性，利用异相凝聚的原理使硅灰石表面包覆一层镍离子，微观形貌良好，复合镍离子，性能稳定；对于SW-10型号硅灰石，最佳包覆量可达1389.41μg/mL；对于F-60型号硅灰石，最佳包覆量可达570μg/mL；本发明得到的新型矿物基聚合物在抗压强度和耐腐蚀能力大大提升。

附图说明

图1是本发明一种基于硅灰石新型矿物基聚合物的合成方法的一流程图。

图2是本发明一实施例中硅灰石改性前后的SEM表面形貌图，a为改性前，b为改性后。

图3是本发明一实施例中硅灰石改性前后的EDS能谱图，a为改性前，b为改性后。

图4是本发明一实施例中制得新型矿物基聚合物中钢筋试样、水泥基混凝土中钢筋试样和矿物基聚合物中钢筋试样人工海水浸泡七天后的交流阻抗图谱，SN为水泥基混凝土中钢筋试样、AF-60为矿物基聚合物中钢筋试样、AGF-60为新型矿物基聚合物中钢筋试样。

图5是本发明一实施例中制得新型矿物基聚合物中钢筋试样、水泥基混凝土中钢筋试样和矿物基聚合物中钢筋试样自制酸雨浸泡七天后的交流阻抗图谱，SN为水泥基混凝土中钢筋试样、AF-60为矿物基聚合物中钢筋试样、AGF-60为新型矿物基聚合物中钢筋试样。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种基于硅灰石新型矿物基聚合物的合成方法，包括以下步骤：

S1.制备改性硅灰石；在硅灰石的表面利用异相凝聚包覆镍离子。

具体制备方法为：

S1.1.以水为溶剂，溶解硫酸镍，硫酸镍采用分析纯，水采用蒸馏水，得到改性剂；

S1.2.将改性剂加入到硅灰石中，改性剂根据硅灰石的性质控制浓度；

硅灰石为SW-10硅灰石时，改性剂的浓度控制在2605.41μg/ml，硅灰石为F-60硅灰石时，改性剂的浓度控制在2009.89μg/ml。

S1.3.水浴加热，搅拌，静置；

水浴加热温度为32℃，搅拌速率为300r/min，搅拌时间为10min，搅拌用JJ-1A精密增力电动搅拌器。

S1.4.抽滤，干燥，即得到改性的硅灰石。

S2.制备碱硅酸盐激发剂；

制备方法为：将一定量的氢氧化钠和水玻璃以1:8的比例称重，并将两者分别倒入烧杯中，用玻璃棒充分搅拌使其混合均匀，即得到碱硅酸盐激发剂。

S3.以步骤S1制备的改性硅灰石、高岭土、粉煤灰、矿粉、沙子和石子为基本原料，放入搅拌机内，再加入步骤S2制备的碱硅酸盐激发剂，搅拌均匀，得到砂浆；

S4.将砂浆装入模具中，放在振动台上振动，在室温下静置成型，脱模，养护，即得到新型矿物基聚合物。

本发明使用化学包覆法对硅灰石的表面进行无机改性，利用异相凝聚的原理使硅灰石表面包覆一层镍离子，微观形貌良好，复合镍离子，性能稳定；对于SW-10型号硅灰石，最佳包覆量可达1389.41μg/mL；对于F-60型号硅灰石，最佳包覆量可达570μg/mL；本发明得到的新型矿物基聚合物在抗压强度和耐腐蚀能力大大提升。

实施例1

在本实施例中本发明提供一种改性剂溶液成分为：

9.00g/L硫酸镍(NiSO₄·6H₂O)或11.67g/L硫酸镍(NiSO₄·6H₂O)

试验所用试剂均为分析纯，用蒸馏水配制，用JJ-1A精密增力电动搅拌器搅拌。

硅灰石改性的改性参数为：

改性剂浓度为2605.41μg/mL或2009.89μg/mL

T(温度)为32℃

V(搅拌速率)为300r/min

t(搅拌时间)为10min

硅灰石改性有4个改性参数：改性剂浓度、改性温度、搅拌速率、搅拌时间。

在应用双脉冲功能时，正、反向脉冲参数的合理选择至关重要，因为它直接影响到镀层金属的结晶度、沉积速度、厚度分布、杂质含量等。

a、改性剂浓度的选择

改性剂用量是影响改性结果的重要因素，以分析纯NiSO₄·6H₂O为改性试剂进行硅灰石的表面修饰。随着改性剂的用量增加时，包覆量也随之增加，当包覆量达到最大，改性剂的用量继续增加，包覆量反而减小。当改性剂的浓度为2605.41μg/ml时，对SW-10硅灰石而言，改性效果最佳；当改性剂的浓度为2009.89μg/ml时，对F-60硅灰石而言，改性效果最佳。

b、改性温度的选择

当改性温度为32℃时，两种硅灰石改性的效果同时达到最佳，低于或高于这个温度，改性效果会不同程度的降低，所以32℃为改性的最佳温度。

c、搅拌时间的选择

当改性时间为10min时，改性效果最好。随着时间的增加，在强力搅拌器的作用下，已包覆的改性剂会进行脱附，包覆量逐渐减少，使改性效果下降。

使用改性硅灰石及其他原料合成了新型矿物基聚合物，同时制备了硅酸盐水泥基混凝土，各项检测结果表明，使用改性硅灰石合成的新型矿物基聚合物在抗压强度和耐腐蚀能力上都优于水泥基混凝土。

对硅灰石表面进行改性处理后，以高岭土、粉煤灰、矿粉、改性硅灰石及沙子、石子为基本原料，使用水玻璃和氢氧化钠作为碱激发剂，制备新型矿物基聚合物。

首先，将一定量的氢氧化钠和水玻璃以1:8的比例称重，并将两者分别倒入烧杯中，用玻璃棒充分搅拌使其混合均匀，制备成碱硅酸盐激发剂待用；再将高岭土、粉煤灰、矿粉、改性硅灰石及沙子、石子等原料按比例混合，放入砂浆搅拌机内，同时倒入碱硅酸盐激发剂，搅拌90秒；把搅拌均匀的砂浆装入模具，放在振动台上振动60秒，在室温下静置成型，成型后脱模并养护一定时间。

最后，对新型矿物基聚合物进行抗压强度测试，通过人工海水和自制酸雨浸泡实验测试其耐久性能。

人工海水溶液组成为：

氯化钠(NaCl)24.5g/L、氯化镁(MgCl·6H₂O)1.1g/L、硫酸钠(Na₂SO₄)4.1g/L、氯化钙(CaCl₂)1.2g/L、氯化钾(KCl)0.7g/L。

自制酸雨溶液组成为：硝酸钠(NaNO₃)0.0185g/L、硝酸钾(KNO₃)0.0065g/L、氯化钙(CaCl₂)0.0100g/L、氯化镁(MgCl·6H₂O)0.0255g/L、硫酸铵((NH4)₂·SO₄)0.0550g/L、硫酸钙(CaSO₄·2H₂O)0.0500g/L、浓硝酸(61％HNO₃)0.1653g/L、浓盐酸(36％HCl)0.0847g/L、浓硫酸(97％H₂SO₄)0.4167g/L。

性能检测如下：

1.硅灰石外观检查：

采用SU8010型号场发射电子显微镜观察硅灰石的表面形貌。对比改性前后的硅灰石的电镜照片，如图2所示，可以看出：图2b中硅灰石的表面附着了某种物质。对比前后的EDS能谱图，如图3所示，可以看出：图3b中硅灰石中含有明显的Ni。

2.矿物基聚合物抗压强度检测：

采用WAW-1000D型号抗压机对新型矿物基聚合物进行测试以得出它们的抗压强度，其强度明显优于硅酸盐水泥基混凝土。

3.静态浸泡实验

使用耐久试样在人工海水和自制酸雨溶液中浸泡，进行耐蚀性能测试。

将本发明使用改性硅灰石的新型矿物基聚合物中钢筋试样，水泥基混凝土中钢筋试样、矿物基聚合物中钢筋试样在人工海水浸泡七天后，得到如图4所示的交流阻抗图谱。

将本发明使用改性硅灰石的新型矿物基聚合物中钢筋试样，水泥基混凝土中钢筋试样、矿物基聚合物中钢筋试样在自制酸雨浸泡七天后，得到如图5所示的交流阻抗图谱。

图4和图5表明：与硅酸盐水泥基混凝土相比，使用改性硅灰石合成的新型矿物基聚合物耐腐蚀能力更好。

4.电化学测试

使用INTERFACE1000E型号的电化学工作站，采用三电极体系，使用交流阻抗法测定耐久试样中所取出钢筋在3.5％NaCl溶液中的电化学腐蚀特性。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。