一种适用于大掺量低品质粉煤灰水泥基材料的早强剂及制备方法

技术领域

本发明涉及混凝土外加剂技术领域，尤其涉及一种适用于大掺量低品质粉煤灰水泥基材料的早强剂制备方法。

背景技术

煤炭是中国的主要能源来源，在当前和未来几十年，煤炭仍将在一次能源结构中占据主导地位，而粉煤灰是燃煤电厂的副产物，其大量堆积不仅占用土地资源，污染生态环境，还会对人类健康造成极大的危害，不符合可持续发展的要求。因此，有效利用粉煤灰具有极大的环境、经济和社会效益。

高品质粉煤灰由于其形态效应、活性效应及微集料效应已在水泥和混凝土中得到广泛应用，其掺入虽然降低了水泥基材料的早期强度，但可有效改善工作性能和耐久性能，且对后期强度无不利影响，但高品质粉煤灰产量有限，劣质粉煤灰仍占比较大。然而，低品质粉煤灰具有杂质多，烧失量大，活性指数低等特点，其掺入不仅造成水泥基材料早期强度大幅度降低，对后期强度的发展也可能存在不利影响，限制了其在水泥基材料中的大量使用。

目前，水泥基材料中应用最多的早强剂是以有机酸盐为代表的有机系列、以硫酸盐和氯化物为代表的无机盐系列以及复合系列。但大多数早强剂都存在早期强度对掺量变化敏感、对后期强度存在不利影响等缺点，不适用于低品质粉煤灰-水泥体系。因此，开发出既能提高大掺量低品质粉煤灰水泥基材料的早期强度，又对其后期强度无不利影响的早强剂日趋重要。

研究发现，在水泥基材料中添加纳米颗粒可以显著加速水泥基材料的水化过程，从而提高水泥体系试样的早期强度；其中，水泥基材料中最常用的纳米粒子为纳米二氧化硅和纳米水化硅酸钙。纳米二氧化硅不仅具有良好的火山灰活性，为早期水化产物提供直接或间接的成核位点，其还可作为孔隙填料，对孔隙结构和界面过渡区进行修饰，提高水泥石结构致密程度。纳米水化硅酸钙可为水化产物直接提供晶核，降低成核势垒，促进水泥基材料的整体水化和强度发展。另外，纳米粒子的掺入还可通过调控水泥基材料的碱性从而提高粉煤灰的水化程度。因此，通过纳米粒子的协同作用，有望实现对低品质粉煤灰水泥基材料早期强度和后期强度的同时提高；将纳米二氧化硅和纳米水化硅酸钙应用于大掺量低品质粉煤灰水泥基材料的早强剂研发中，具有重要意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种适用于大掺量低品质粉煤灰水泥基材料的早强剂，具体技术方案为：

一种适用于大掺量低品质粉煤灰水泥基材料的早强剂，制备所述早强剂的原料包含以下组分：复合纳米组分32～40份，溶剂48～60份，分散剂5～15份；所述复合纳米组分为纳米二氧化硅和纳米水化硅酸钙的混合物，二者的质量比为1:3～3:1，所述纳米二氧化硅为亲水气相型纳米二氧化硅，所述纳米水化硅酸钙粉体为水热法制得，其粒径为40～60nm。

进一步地，所述纳米二氧化硅纯度大于99％，比表面积不小于300m

进一步地，所述纳米水化硅酸钙是以硅酸钠作为硅源，氯化钙作为钙源，溶解于去离子水中，控制水固比为8～12，钙硅比为1.0～1.4，pH值为12～14，水浴温度为50～70℃，加热5～9d，反复抽滤洗涤，真空干燥，经研磨过筛后所制得。

进一步地，所述分散剂为高效聚羧酸型分散剂，其固含量约为40％。

一种适用于大掺量低品质粉煤灰水泥基材料的早强剂制备方法，将分散剂、复合纳米组分依次溶于溶剂中，搅拌并超声分散，即可制得纳米复合型早强剂的悬浊液。

进一步地，详细步骤如下：

首先将分散剂加入溶剂中搅拌均匀，随后加入纳米二氧化硅，搅拌均匀并超声分散10～15min，再加入纳米水化硅酸钙，搅拌均匀并超声分散10～15min，即可制得纳米复合型早强剂的悬浊液。

有益效果：

本发明所制备的纳米复合型早强剂可显著提高大掺量低品质粉煤灰水泥基材料的早期抗压强度和后期抗压强度，使低品质粉煤灰得以大量回收利用；使用纳米二氧化硅与纳米水化硅酸钙质量比为3:1的配比来制备纳米复合型早强剂时，试样的1d和60d抗压强度最大分别提高了97.2％和32.0％。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步描述：

一种适用于大掺量低品质粉煤灰水泥基材料的早强剂，在不降低大掺量低品质粉煤灰水泥基材料后期强度的前提下，提高大掺量低品质粉煤灰水泥基材料的早期强度。

具体地，制备所述早强剂的原料包含以下组分：

复合纳米组分32～40份，溶剂48～60份，分散剂5～15份；所述复合纳米组分为纳米二氧化硅和纳米水化硅酸钙的混合物，二者的质量比为1:3～3:1，所述纳米二氧化硅为亲水气相型纳米二氧化硅，所述纳米水化硅酸钙粉体为水热法制得，其粒径为40～60nm。

其中，所述纳米二氧化硅纯度大于99％，比表面积不小于300m

其中，所述纳米水化硅酸钙是以硅酸钠作为硅源，氯化钙作为钙源，溶解于去离子水中，控制水固比为8～12，钙硅比为1.0～1.4，pH值为12～14，水浴温度为50～70℃，加热5～9d，反复抽滤洗涤，真空干燥，经研磨过筛后所制得。

其中，所述分散剂为高效聚羧酸型分散剂，其固含量约为40％，解决传统高分子聚合物分散剂存在延缓早期水泥水化的问题。

具体的实施例参见下表1：

按照上表1的组分配比，制备实施例1～3纳米复合型早强剂的详细制备步骤如下：

按照上表1中实施例1～3任一组分配比，称取相关原料，首先将分散剂加入水中，磁力搅拌2～5min，以搅拌均匀；随后加入纳米二氧化硅，磁力搅拌2～5min，以搅拌均匀，并超声分散10～15min；再加入上述制备纳米水化硅酸钙，搅拌均匀并超声分散10～15min，即可制得纳米复合型早强剂的悬浊液。

为验证实施例1～3所制备的纳米复合型早强剂对大掺量低品质粉煤灰水泥基材料试样早期强度及后期强度的影响，参照GB/T 50082-2009中的要求进行力学性能试验，分别测定标准养护1d、3d、7d、28d和60d试样的抗压强度。

其中，按配合比m(水泥):m(低品质粉煤灰):m(标准砂):m(总水量):m(早强剂)＝0.7:0.3:3:0.5:0.11配置砂浆，作为各实施例的大掺量低品质粉煤灰水泥基材料试样。

将实施例1～3所制备的纳米复合型早强剂加入拌合水中，充分搅拌分散后，将拌合水加入容器中，再加入水泥及低品质粉煤灰；使用水泥胶砂搅拌机，低速搅拌30s，在第二个30s开始时匀速加入标准砂，随后高速搅拌30s，停90s后，继续高速搅拌60s。将制备好的水泥胶砂分两次装入三联模中，并使用振实台振实，移入标准养护箱养护至规定龄期，经标准养护1d、3d、7d、28d和60d龄期后，测试试样的抗压强度。

对比例：

按配合比为m(水泥):m(低品质粉煤灰):m(标准砂):m(水):m(超塑化剂)＝0.7:0.3:3:0.5:0.0014配置砂浆，水泥胶砂试样的制备方法同上述实施例。经标准养护1d、3d、7d、28d和60d龄期后，测试试样的抗压强度。

各实施例及对比例经测试后的抗压强度见下表2：

对比实施例1～3和对比例分析可知：

相较于对比例试样，实施例1试样的1d和60d试样分别提高了52.8％和24.9％，实施例2试样的1d和60d试样分别提高了91.7％和28.5％，实施例3试样的1d和60d试样分别提高了97.2％和32.0％。

综上所述，使用本发明制备的纳米复合型早强剂可显著提高大掺量低品质粉煤灰水泥基材料的早期抗压强度和后期抗压强度，使用纳米二氧化硅与纳米水化硅酸钙质量比为3:1的配比来制备纳米复合型早强剂时，试样的1d和60d抗压强度最大分别提高了97.2％和32.0％。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。