CN114671634A - 一种含固废的轻质-保温-高强地质聚合物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含固废的轻质‑保温‑高强地质聚合物及其制备方法，地质聚合物按照重量份数包括二氧化硅气凝胶0.01‑0.5份、硅灰0.1‑0.6份、粉煤灰空心微珠5‑15份、氢氧化钠0.5‑1.5份、水玻璃3‑9份和水1‑4份，其中二氧化硅气凝胶注入到粉煤灰空心微珠的空腔内。本发明采用上述结构的一种含固废的轻质‑保温‑高强地质聚合物及其制备方法，不仅采用粉煤灰空心微珠的固废作为原料，有效提高固废的利用率，低碳环保，而且采用真空法将二氧化硅气凝胶注入到空心微珠空腔内，二者耦合作用，掺入到混凝土中可以有效降低混凝土密度，制备轻质保温混凝土。

Description

一种含固废的轻质-保温-高强地质聚合物及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，特别是涉及一种含固废的轻质-保温-高强地质聚合物及其制备方法。

背景技术

随着社会的发展，超低能耗建筑备受关注，建筑节能是节能减排的重要组成部分，而提高建筑能效最有效的途径就是使用保温材料,它们比普通重量的混凝土具有更低的导热系数，从而降低建筑能耗并提供更好的防火性能。利用固废做胶凝材料一方面实现了废物再利用，另一方面很大程度上减少了二氧化碳的排放，对环境保护起着重要的作用。

粉煤灰空心微珠具有坚硬的外壳，且具备较高的等静压强度，被用作轻质高性能复合材料的填充剂，如汽车和航天工程，同时在地质聚合物基复合材料中也广泛应用。二氧化硅气凝胶作为一种导热系数极低（0.01-0.023 W/m·K）的材料，其在保温混凝土等方面备受关注，但是由于二氧化硅气凝胶脆性大，力学性能差，大量掺入混凝土中会导致抗压强度大幅度降低，因此本发明将二氧化硅气凝胶采用真空方法注入到粉煤灰空心微珠空腔内在制备过程中可以使力学性能有所改善，同时保温效果也得到了提升，该方面的研究还未有相关报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种含固废的轻质-保温-高强地质聚合物及其制备方法，以解决上述建筑保温材料的力学性能和保温效果不好的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种含固废的轻质-保温-高强地质聚合物，地质聚合物按照重量份数包括二氧化硅气凝胶 0.01-0.5份、硅灰 0.1-0.6份、粉煤灰空心微珠5-15份、氢氧化钠 0.5-1.5份、水玻璃 3-9份和水 1-4份，其中二氧化硅气凝胶注入到粉煤灰空心微珠的空腔内。更优选的，地质聚合物按照重量份数包括粉煤灰空心微珠 8-12.3份、硅灰 0.3-0.5份、水 1.5-3.26份、水玻璃 5.16-8.6份、NaOH 0.6-1.2份、二氧化硅气凝胶 0.05-0.49份。

优选的，二氧化硅气凝胶的粒径为0.1-5 mm，孔直径为20-100 nm，自然堆积状态下堆积密度为40-150 kg/m³，比表面积为500-800 m²/g，常温下导热系数为0.01-0.023 W/m·K。二氧化硅气凝胶主要采用无溶剂置换常压干燥制备生产工艺，上述方法制备二氧化硅气凝胶是一种现有技术中常用的方法。更优选的，二氧化硅气凝胶的粒径为0.1-0.8mm。二氧化硅气凝胶具有较好的疏水性能。

优选的，硅灰的平均粒径为0.3-60 μm，密度为560-720 kg/m³，比表面积为19-26m²/g。硅灰中含有约98%的无定型二氧化硅，具备较高的火山灰活性。更优选的，硅灰的平均粒径为0.3-30 μm。更优选的，硅灰的平均粒径为0.3-18 μm。

优选的，粉煤灰空心微珠的粒径为80-160目（96-180 μm），自然状态下堆积密度为368-418.8 kg/m³，常温下导热系数为0.08-0.1 W/m·K，耐火度>1650℃。粉煤灰空心微珠具备优良的耐火保温性能。粉煤灰空心微珠的外观为灰白色，其中SiO₂含量56-62%，A1₂O₃含量33-38%，Fe₂O₃含量2-4%。更优选的，粉煤灰空心微珠的粒径为130-150目（106-113 μm）。

优选的，水玻璃的密度为1526-1559 kg/m³。水玻璃为无色透明粘稠状液体，其SiO₂含量29.99%，Na₂O含量13.75%，Fe含量0.02%，水不溶物0.2%，模数为2.25。

一种含固废的轻质-保温-高强地质聚合物的制备方法，包括以下步骤：

（1）按照重量份数称取粉煤灰空心微珠、二氧化硅气凝胶、硅灰、氢氧化钠、水玻璃和水；

（2）将氢氧化钠与水混合并搅拌直至氢氧化钠完全溶解，得到碱溶液；

（3）将碱溶液与水玻璃混合并搅拌直至水玻璃均匀分散，得到碱激发剂，静置待用；

（4）采用真空法将二氧化硅气凝胶注入到粉煤灰空心微珠的空腔内；

（5）将包裹二氧化硅气凝胶的粉煤灰空心微珠和硅灰加入搅拌锅中，干料搅拌直至混合均匀；

（6）将碱激发剂缓慢加入搅拌锅中，搅拌得到地质聚合物。

优选的，步骤（4）的具体过程为：将硅酸乙酯、乙醇和水加入烧杯中混合均匀，调节pH为2-3，搅拌均匀后调节pH为5-6，静置使其溶胶-凝胶化，将得到的湿凝胶在真空条件下吸附进入粉煤灰空心微珠，然后将粉煤灰空心微珠浸入硅酸乙酯和乙醇的混合液中老化，最后干燥得到包裹有二氧化硅气凝胶的粉煤灰空心微珠。

优选的，步骤（4）中硅酸乙酯、乙醇和水的摩尔比为1：10：5。

优选的，步骤（4）中用1mol/L的稀盐酸调整溶液pH为2-3，通过磁力搅拌器快速搅拌使之混合均匀，反应20-40min后加入0.05mol/L的氨水调整溶液pH为5-6，然后静置20-40min使其溶胶-凝胶化。

优选的，步骤（4）中硅酸乙酯和水混合液的温度为50-60℃，老化时间为24-72小时，干燥条件为70-90℃下常压干燥8-20小时。

其中水玻璃的作用：对地质聚合物具有良好的激发效果，硅酸钠中的活性硅参与到了反应产物形成中，促进生成更多的C-（N）-A-S-H凝胶，使得反应产物更加致密。

硅灰的作用：①硅灰的微填充效应能提升混凝土的密实性，使其内部结构更加致密，从而提升混凝土强度；②缓解甚至避免碱骨料反应。

采用真空法将二氧化硅气凝胶注入到空心微珠空腔内，具有以下作用：①空心微珠具备坚硬的外壳，可以保护二氧化硅气凝胶多孔结构不被破坏，保存其低导热系数的优异性能；②空心微珠具备较高的等静压强度，空心微珠作为外壳包裹二氧化硅气凝胶，掺入到保温混凝土中可有效提高含二氧化硅气凝胶混凝土强度；③混凝土多呈碱性，地质聚合物中更需要碱溶液作为激发剂，二氧化硅气凝胶硅含量较多，不可避免会与碱骨料发生反应，将含铝硅的粉煤灰包裹在二氧化硅气凝胶表面，可避免碱骨料反应发生，提高混凝土耐久性；④二氧化硅气凝胶具有疏水性，制备过程中容易漂浮在混凝土表面，在混凝土中分布不均匀、和易性较差，将粉煤灰空心微珠包裹二氧化硅气凝胶可以使其均匀分布在混凝土中，提高其和易性；⑤二氧化硅气凝胶具有多孔结构、空心微珠具有空腔结构，二者耦合作用，掺入到混凝土中可以有效降低混凝土密度，制备轻质混凝土。

因此，本发明采用上述结构的一种含固废的轻质-保温-高强地质聚合物及其制备方法，具有以下有益效果：

（1）粉煤灰为工业固废，利用粉煤灰空心微珠可有效提高固废的利用率，研究表明，生产一吨地质聚合物比生产一吨水泥二氧化碳排放降低70%，是一种低碳、绿色、环保的建筑材料。

（2）采用真空法将二氧化硅气凝胶注入到空心微珠空腔内，二者耦合作用，掺入到混凝土中可以有效降低混凝土密度，制备轻质混凝土。

（3）通过调整材料的配比，调整二氧化硅气凝胶注入粉煤灰空心微珠的含量，优化碱激发剂的浓度制备出轻质保温强度较高的混凝土。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明二氧化硅气凝胶的电镜图。

具体实施方式

以下将对本发明进行进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明并不限于本实施例。

实施例1

本实施例1轻质保温地质聚合物，按重量份数计，其各组分如下：

106-113μm的粉煤灰空心微珠9.6份（密度为418.8 kg/m³，导热系数为0.08-0.1W/(m·K)），0.3-18 μm的硅灰0.48份，水1.86份，水玻璃7.78份，NaOH为1.0份，纯度为98%，0.1-0.8 mm二氧化硅气凝胶0.27份（密度为40-150 kg/m³，导热系数0.013 W/(m·K)）。

材料制备过程为：

（1）将NaOH片状固体与水混合，用玻璃棒搅拌1-2min直至NaOH完全溶解，制备出浓度为12mol/L的碱溶液；

（2）将碱溶液与已称好水玻璃溶液混合，用玻璃棒搅拌2-3分钟使其均匀分散，得到碱激发剂溶液，静置24h；

（3）采用真空法将二氧化硅气凝胶注入到粉煤灰空心微珠空腔内，保护二氧化硅气凝胶多孔结构不被破坏，保存其低导热系数的优异性能；具体方法如下：将硅酸乙脂、乙醇、去离子水按照摩尔比1：10：5加入烧杯中混合均匀，用1mol/L的稀盐酸调整溶液pH为2-3，通过磁力搅拌器快速搅拌使之混合均匀，反应30min后加入0.05mol/L的氨水调整溶液pH为5-6，然后静置30min使其溶胶-凝胶化，将得到的湿凝胶在真空条件下吸附进入粉煤灰空心微珠，最后将粉煤灰空心微珠浸入55℃的硅酸乙脂和乙醇混合溶液中老化48h,在80℃下常压干燥12h得到包裹二氧化硅气凝胶的粉煤灰空心微珠。

（4）将包裹二氧化硅气凝胶的粉煤灰空心微珠以及硅灰加入搅拌锅中，干料搅拌3-5min，直至混合均匀；

（5）将碱激发剂溶液缓慢加入搅拌锅中，搅拌3-5min，得到保温地质聚合物；

（6）将保温地质聚合物倒入50mm×50mm×50mm的模具中封膜室内养护24h，防止水分蒸发；

（7）试件放入标准养护室内，养护3-28天，养护室条件为20-25℃，湿度90-95%；

（8）材料养护完成后，测试抗压强度，烘干样品后测试样品的密度和导热系数，烘干条件为105℃，24h。

实施例2

本实施例2轻质保温地质聚合物，按重量份数计，其各组分如下：

106-113μm的粉煤灰空心微珠9.6份（密度为418.8 kg/m³，导热系数为0.08-0.1W/(m·K)），0.3-18 μm的硅灰0.48份，水2.18份，水玻璃7.23份，NaOH 为0.93份，纯度为98%，0.1-0.8 mm二氧化硅气凝胶0.32份（密度为40-150 kg/m³，导热系数0.013 W/(m·K)）。

材料制备过程:

除步骤（1）将NaOH片状固体与水混合，用玻璃棒搅拌1-2min直至NaOH完全溶解，制备出浓度为10mol/L的碱溶液外，其余步骤与实施例1相同。

实施例3

本实施例3轻质保温地质聚合物，按重量份数计，其各组分如下：

106-113μm的粉煤灰空心微珠9.6份（密度为418.8 kg/m³，导热系数为0.08-0.1W/(m·K)），0.3-18 μm的硅灰0.48份，水1.86份，水玻璃7.78份， NaOH为1.0份，纯度为98%，0.1-0.8 mm二氧化硅气凝胶0.19份（密度为40-150 kg/m³，导热系数0.013 W/(m·K)）。

材料制备过程与实施例1相同。

对比例1

本对比例1轻质保温地质聚合物，按重量份数计，其各组分如下：

106-113μm的粉煤灰空心微珠9.6份（密度为418.8 kg/m³，导热系数为0.08-0.1W/(m·K)），0.3-18 μm的硅灰0.48份，水2.99份，水玻璃5.79份，NaOH为0.75份，纯度为98%，0.1-0.8 mm二氧化硅气凝胶0.06份（密度为40-150 kg/m³，导热系数0.013 W/(m·K)）。

材料制备过程:

除步骤（1）将NaOH片状固体与水混合，用玻璃棒搅拌1-2min直至NaOH完全溶解，制备出浓度为6mol/L的碱溶液外，其余步骤与实施例1相同。

对比例2

本对比例2轻质保温地质聚合物，按重量份数计，其各组分如下：

106-113μm的粉煤灰空心微珠9.6份（密度为418.8 kg/m³，导热系数为0.08-0.1W/(m·K)），0.3-18 μm的硅灰0.48份，水1.86份，水玻璃7.78份，NaOH为1.0份，纯度为98%，0.1-0.8 mm二氧化硅气凝胶0.46份（密度为40-150 kg/m³，导热系数0.013 W/(m·K)）。

材料制备过程与实施例1相同。

本发明实施例1-3与对比例1-2的轻质保温地质聚合物性能测试结果如表1所示。

表1 实施例1-3和对比例1-2的轻质保温地质聚合物测试结果

实施例与对比例	密度	7d抗压（MPa）	导热系数W/(m·K)	流动性
					实施例1	1000	36.3	0.46	良好
实施例2	900	32.8	0.36	良好
					实施例3	1150	41.9	0.49	良好
对比例1	1700	19.6	1.03	良好，保温效果较差
					对比例2	-	-	-	较差，难以成型

从表1中实施例1-3的测试结果可以看出二氧化硅气凝胶和粉煤灰空心微珠两者耦合使用，可以增加混凝土产品的抗压能力，减小其导热系数，提高保温效果，并且流动性良好，主要原因如下：

二氧化硅气凝胶导热系数极低、密度极低，可用于制备保温砂浆/混凝土，然而其多孔结构导致含对应的保温混凝土强度降低，并且二氧化硅气凝胶性脆，在混凝土制备过程（例如，搅拌过程）中容易破裂，导致孔结构破坏，从而导热系数降低。二氧化硅气凝胶孔隙一般为纳米级，粉煤灰空心微珠直径为微米级，采用真空法将二氧化硅气凝胶注入到空心微珠空腔内，可以①空心微珠具备坚硬的外壳，可以保护二氧化硅气凝胶多孔结构不被破坏，保存其低导热系数的优异性能；②空心微珠具备较高的等静压强度，空心微珠作为外壳包裹二氧化硅气凝胶，掺入到保温混凝土中可有效提高含二氧化硅气凝胶混凝土强度；③混凝土多呈碱性，地质聚合物中更需要碱溶液作为激发剂，二氧化硅气凝胶硅含量较多，不可避免会发生碱骨料反应，将含铝硅的粉煤灰包裹在二氧化硅气凝胶表面，可避免碱骨料反应发生，提高混凝土耐久性；④二氧化硅气凝胶具有疏水性，制备过程中容易漂浮在混凝土表面，在混凝土中分布不均匀、和易性较差，将粉煤灰空心微珠包裹二氧化硅气凝胶可以使其均匀分布在混凝土中，提高其和易性；⑤二氧化硅气凝胶具有多孔结构、空心微珠具有空腔结构，二者耦合作用，掺入到混凝土中可以有效降低混凝土密度，制备轻质混凝土；⑥粉煤灰为工业固废，利用粉煤灰空心微珠可有效提高固废的利用率。

从表1中对比例1-2的测试结果可以看出二氧化硅气凝胶注入粉煤灰空心微珠空腔的含量过多或者过少都会影响到混凝土的力学性能和保温性能，因此调配二氧化硅气凝胶掺入粉煤灰空心微珠的含量，找出具备导热系数低、力学性能好的最佳二氧化硅气凝胶掺量十分重要。

因此，本发明采用上述结构的一种含固废的轻质-保温-高强地质聚合物及其制备方法，不仅采用粉煤灰空心微珠的固废作为原料，有效提高固废的利用率，低碳环保，而且采用真空法将二氧化硅气凝胶注入到空心微珠空腔内，二者耦合作用，掺入到混凝土中可以有效降低混凝土密度，制备轻质保温混凝土。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种含固废的轻质-保温-高强地质聚合物，其特征在于：地质聚合物按照重量份数包括二氧化硅气凝胶 0.01-0.5份、硅灰 0.1-0.6份、粉煤灰空心微珠 5-15份、氢氧化钠0.5-1.5份、水玻璃 3-9份和水 1-4份，其中二氧化硅气凝胶注入到粉煤灰空心微珠的空腔内。

2.根据权利要求1所述的一种含固废的轻质-保温-高强地质聚合物，其特征在于：二氧化硅气凝胶的粒径为0.1-5 mm，孔直径为20-100 nm，自然堆积状态下堆积密度为40-150kg/m³，比表面积为500-800 m²/g，常温下导热系数为0.01-0.023 W/m·K。

3.根据权利要求1所述的一种含固废的轻质-保温-高强地质聚合物，其特征在于：硅灰的平均粒径为0.3-60 μm，密度为560-720 kg/m³，比表面积为19-26 m²/g。

4.根据权利要求1所述的一种含固废的轻质-保温-高强地质聚合物，其特征在于：粉煤灰空心微珠的粒径为80-160目，自然状态下堆积密度为368-418.8 kg/m³，常温下导热系数为0.08-0.1 W/m·K，耐火度>1650℃。

5.根据权利要求1所述的一种含固废的轻质-保温-高强地质聚合物，其特征在于：水玻璃的密度为1526-1559 kg/m³。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种含固废的轻质-保温-高强地质聚合物的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）按照重量份数称取粉煤灰空心微珠、二氧化硅气凝胶、硅灰、氢氧化钠、水玻璃和水；

（2）将氢氧化钠与水混合并搅拌直至氢氧化钠完全溶解，得到碱溶液；

（3）将碱溶液与水玻璃混合并搅拌直至水玻璃均匀分散，得到碱激发剂，静置待用；

（4）采用真空法将二氧化硅气凝胶注入到粉煤灰空心微珠的空腔内；

（5）将包裹二氧化硅气凝胶的粉煤灰空心微珠和硅灰加入搅拌锅中，干料搅拌直至混合均匀；

（6）将碱激发剂缓慢加入搅拌锅中，搅拌得到地质聚合物。

7.根据权利要求6所述的一种含固废的轻质-保温-高强地质聚合物的制备方法，其特征在于：步骤（4）的具体过程为：将硅酸乙酯、乙醇和水加入烧杯中混合均匀，调节pH为2-3，搅拌均匀后调节pH为5-6，静置使其溶胶-凝胶化，将得到的湿凝胶在真空条件下吸附进入粉煤灰空心微珠，然后将粉煤灰空心微珠浸入硅酸乙酯和乙醇的混合液中老化，最后干燥得到包裹有二氧化硅气凝胶的粉煤灰空心微珠。

8.根据权利要求7所述的一种含固废的轻质-保温-高强地质聚合物的制备方法，其特征在于：步骤（4）中硅酸乙酯、乙醇和水的摩尔比为1：10：5。

9.根据权利要求7所述的一种含固废的轻质-保温-高强地质聚合物的制备方法，其特征在于：步骤（4）中用1mol/L的稀盐酸调整溶液pH为2-3，通过磁力搅拌器快速搅拌使之混合均匀，反应20-40min后加入0.05mol/L的氨水调整溶液pH为5-6，然后静置20-40min使其溶胶-凝胶化。

10.根据权利要求7所述的一种含固废的轻质-保温-高强地质聚合物的制备方法，其特征在于：步骤（4）中硅酸乙酯和水混合液的温度为50-60℃，老化时间为24-72小时，干燥条件为70-90℃下常压干燥8-20小时。

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