一种低碳多元镁质胶凝材料及其制备方法

1.本发明涉及低碳胶凝材料技术领域，尤其是涉及一种低碳多元镁质胶凝材料及其制备方法。


背景技术：

2.硅酸盐水泥的制备生产伴随着大量以石灰石为主的钙质原材料消耗，随之产生巨大的能耗。目前，以水化硅酸镁(m-s-h)为主要产物的镁质胶凝材料受到广泛关注，但目前缺乏规模性应用。针对镁质胶凝材料的研究开发成为建筑材料研究的重要方向。
3.与此同时，硅酸盐水泥的生产导致巨大co2排放。据统计，水泥行业生产co2排放占全球人为碳排放总量的8％，而使用辅助性胶凝材料(scms)替代或部分替代硅酸盐水泥被认为是最有效降低碳排放的技术途径。常用的scms主要包括矿粉、粉煤灰等钢铁、发电厂等工业副产品，但这类材料对于发展中国家以及工业次发达地区储备较少，难以满足实际建筑材料需求。而煅烧粘土作为一种较新的潜在辅助性胶凝材料，分布受地域性影响较小，且储量规模巨大，具有极大的潜在应用价值。
4.但目前基于煅烧粘土的胶凝材料普遍存在早期力学性能差的问题，较难满足实际工程需求。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种低碳多元镁质胶凝材料及其制备方法，解决现有技术中基于煅烧粘土的胶凝材料普遍存在早期力学性能差、难以满足实际需求的技术问题。
6.第一方面，本发明提供一种低碳多元镁质胶凝材料，其原料包括：胶凝组分和辅助激发剂；其中，胶凝组分由煅烧粘土和氧化镁组成；辅助激发剂为硫酸钠、氯化钙、碳酸氢钠、碳酸钠中的至少一种。
7.第二方面，本发明提供一种低碳多元镁质胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
8.将胶凝组分、辅助激发剂、减水剂和水混合均匀，得到浆体；
9.浆体经成型和养护后得到低碳多元镁质胶凝材料。
10.与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
11.本发明创新提出使用多元复合激发手段，根据早期体系的离子溶出过程，结合煅烧粘土的水化机理，利用多种化学辅助激发剂的有机协调，有效提升胶凝材料早期力学性能；本发明提高了材料的早期强度，并保证了材料的后期强度，力学性能发展明显。针对一般煅烧粘土基胶凝材料早期强度低的问题，本发明的低碳多元镁质胶凝材料，3d强度可达18mpa，7d强度可达26mpa。本发明提供的低碳多元镁质胶凝材料，应用场景广泛，工艺流程简单，单位碳排放与能源消耗大大降低，具有极大的潜在应用价值。
附图说明
12.图1是本发明实施例1-3和对比例1-2所得胶凝材料的1d、3d、7d、28d抗压强度。
具体实施方式
13.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
14.第一方面，本发明提供一种低碳多元镁质胶凝材料，其原料包括：胶凝组分和辅助激发剂；其中，胶凝组分由煅烧粘土和氧化镁组成；辅助激发剂为硫酸钠、氯化钙、碳酸氢钠、碳酸钠中的至少一种。
15.本发明体系适用于高岭石粘土，氧化镁可以与高岭石粘土煅烧生成的偏高岭石进行反应。高岭石粘土中通常含有高岭石、蒙脱石和伊利石等矿物质，它们在600℃-800℃煅烧后具有很好的火山灰活性，在氧化镁的作用下，可与水发生反应，生成具有胶凝作用的、水硬性的水化产物，但单独的氧化镁激发煅烧粘土体系存在早期强度低的缺点；本发明体系中的辅助激发剂(硫酸钠、氯化钙、碳酸钠、碳酸氢钠)，通过与氧化镁进行协同激发，以进一步提高体系的早期性能并保证后期强度。
16.本实施方式中，煅烧粘土的粒径尺寸为0.1-1000μm，煅烧粘土中的偏高岭石含量介于40％-80％之间。煅烧粘土的反应活性与煅烧粘土中偏高岭石含量之间具有良好的线性相关性。发明人发现，煅烧粘土的煅烧程度对胶凝材料的性能有很大影响，研究表明，随着煅烧温度的逐渐升高，煅烧粘土反应活性先升高后降低，可以分为三个阶段：煅烧至500-600℃时，粘土颗粒破碎，高岭石脱羟基转变为偏高岭土，结构无序化程度增大，反应活性出现并逐渐增长；煅烧至700-800℃时，粘土颗粒呈现絮状，结构无序化程度进一步增大，反应活性在此温度区间内达到最高；煅烧至900℃，会出现烧结、重结晶等现象，颗粒粒径增大，反应活性骤然下降。升温和保温过程结束后，为了进一步提高煅烧粘土的反应活性，风扇急速冷却优于炉内自然冷却。在本发明的一些优选实施方式中，煅烧粘土通过将粘土以5℃/min的升温速率从室温升温至200-300℃，随后以10℃/min的升温速率从200-300℃升温至700-800℃，并在700-800℃保温1-2h，随后急速冷却得到。在该煅烧制度下，获得的煅烧粘土具有最佳的活性，更有利于在氧化镁和辅助激发剂的作用下，使与水反应形成的胶凝材料具有更高的早期强度。
17.本实施方式中，煅烧粘土与氧化镁的质量比为(1-8)：1，更进一步为4：1。
18.本实施方式中，辅助激发剂占胶凝组分质量的0.05％-10％，进一步为0.05％-2％，更进一步为1％。若辅助激发剂的用量过高，将无法进一步提高激发效果，且大大增加了成本。
19.本实施方式中，该低碳多元镁质胶凝材料的原料还包括：减水剂。减水剂占胶凝组分质量的1％-3％。
20.本实施方式中，该低碳多元镁质胶凝材料的原料还包括：水。进一步地，水占胶凝组分质量的40％-60％。
21.第二方面，本发明提供一种低碳多元镁质胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
22.s1、将胶凝组分、辅助激发剂、减水剂和水混合均匀，得到浆体；
23.s2、浆体经成型和养护后得到低碳多元镁质胶凝材料。
24.在本发明的一些具体实施方式中，上述将胶凝组分、辅助激发剂、减水剂和水混合均匀的步骤包括：
25.将胶凝组分倒入搅拌机中进行搅拌，加入辅助激发剂、减水剂、水继续搅拌至均匀。
26.本实施方式中，养护过程在标准养护条件下进行。具体地，标准养护条件如下：相对湿度大于95％、温度为20
±
3℃。
27.在本发明的一些具体实施方式中，浆体经成型和养护后得到低碳多元镁质胶凝材料的步骤包括：将浆体浇铸至模具中，密封防止水分流失，在20
±
3℃的温度下放置1天后脱模，随后在标准养护条件下养护至指定期龄，得到低碳多元镁质胶凝材料。其中，指定期龄可以为3天、7天、28天，本发明对此不作限制。
28.为避免赘述，本发明以下各实施例和对比例中，粘土的化学组成成分由x射线荧光光谱(xrf)分析得到，具体的化学氧化物组成见表1。
29.表1粘土的化学氧化物组成(wt％)
30.caosio al o fe o mgona ok oloi 0.03056.78635.6292.0030.3400.1993.4931.312
31.煅烧粘土通过以下方法得到：将上述组成的粘土以5℃/min的速率从室温升高至200℃，随后以10℃/min的速率升温至700℃，并在700℃保温1h，随后急速冷却。
32.实施例1
33.称取40g氧化镁和160g煅烧粘土于塑料杯中，先干混3分钟保证样品的均匀性。将2g硫酸钠溶于120g去离子水中。将溶有硫酸钠的去离子水加入到塑料杯中，并加入5g聚羧酸类减水剂保证样品的流动性，混合三分钟，最后将浆体浇铸在20mm
×
20mm
×
20mm大小的模具中，用保鲜膜密封防止水分流失。在20
±
3℃的温度下放置1天后脱模，记为x4，测试抗压强度。将剩余的块体样品放置于相对湿度大于98％、温度为20
±
3℃的养护室内，分别养护至3天、7天，28天并测试抗压强度。
34.实施例2
35.称取40g氧化镁和160g煅烧粘土于塑料杯中，先干混3分钟保证样品的均匀性。将2g氯化钙溶于120g去离子水中。将溶有氯化钙的去离子水加入到塑料杯中，并加入5g聚羧酸类减水剂保证样品的流动性，混合三分钟，最后将浆体浇铸在20mm
×
20mm
×
20mm大小的模具中，用保鲜膜密封防止水分流失。在20
±
3℃的温度下放置1天后脱模，记为x5，测试抗压强度。将剩余的块体样品放置于相对湿度大于98％、温度为20
±
3℃的养护室内，分别养护至3天、7天，28天并测试抗压强度。
36.实施例3
37.称取40g氧化镁和160g煅烧粘土于塑料杯中，先干混3分钟保证样品的均匀性。将2g碳酸氢钠溶于120g去离子水中。将溶有碳酸氢钠的去离子水加入到塑料杯中，并加入5g聚羧酸类减水剂保证样品的流动性，混合三分钟，最后将浆体浇铸在20mm
×
20mm
×
20mm大小的模具中，用保鲜膜密封防止水分流失。在20
±
3℃的温度下放置1天后脱模，记为x6，测试抗压强度。将剩余的块体样品放置于相对湿度大于98％、温度为20
±
3℃的养护室内，分别养护至3天、7天，28天并测试抗压强度。
38.对比例1
39.称取40g氧化镁和160g煅烧粘土于塑料杯中，先干混3分钟保证样品的均匀性。称取120g去离子水，将去离子水加入到塑料杯中，并加入5g聚羧酸类减水剂保证样品的流动性，混合三分钟，最后将浆体浇铸在20mm
×
20mm
×
20mm大小的模具中，用保鲜膜密封防止水分流失。在20
±
3℃的温度下放置1天后脱模，记为x1，并测试抗压强度。将剩余的块体样品放置于相对湿度大于98％、温度为20
±
3℃的养护室内，分别养护至3天、7天，28天并测试抗压强度。
40.对比例2
41.称取40g氧化镁和160g粉煤灰于塑料杯中，先干混3分钟保证样品的均匀性。称取120g去离子水，将去离子水加入到塑料杯中，并加入5g聚羧酸类减水剂保证样品的流动性，混合三分钟，最后将浆体浇铸在20mm
×
20mm
×
20mm大小的模具中，用保鲜膜密封防止水分流失。在20
±
3℃的温度下放置1天后脱模，记为x2，测试抗压强度。将剩余的块体样品放置于相对湿度大于98％、温度为20
±
3℃的养护室内，分别养护至3天、7天，28天并测试抗压强度。
42.对比例3
43.称取40g氧化镁和160g粉煤灰于塑料杯中，先干混3分钟保证样品的均匀性。将2g碳酸氢钠溶于120g去离子水中。将溶有碳酸氢钠的去离子水加入到塑料杯中，并加入5g聚羧酸类减水剂保证样品的流动性，混合三分钟，最后将浆体浇铸在20mm
×
20mm
×
20mm大小的模具中，用保鲜膜密封防止水分流失。在20
±
3℃的温度下放置1天后脱模，记为x3，测试抗压强度。将剩余的块体样品放置于相对湿度大于98％、温度为20
±
3℃的养护室内，分别养护至3天、7天，28天并测试抗压强度。
44.请参阅图1，通过对比例1与实施例1-3对比可知，加入不同辅助激发剂(碳酸氢钠、硫酸钠、氯化钙)，均能够显著提高体系的早期强度和后期强度；其中，实施例3的3d强度可达18mpa，7d强度可达26mpa，说明采用碳酸氢钠作为辅助激发剂与氧化镁复配具有最佳的激发效果。另外，通过实施例3和对比例1～3可以看出，尽管碳酸氢钠在氧化镁激发煅烧粘土体系中显著提高了早期强度，但碳酸氢钠的加入对氧化镁激发粉煤灰体系中(对比例1～2)无明显作用，说明本发明通过煅烧粘土与氧化镁、辅助激发剂复配协同提高低碳多元镁质胶凝材料的早期强度。
45.以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

技术特征：
1.一种低碳多元镁质胶凝材料，其特征在于，其原料包括：胶凝组分和辅助激发剂；其中，胶凝组分由煅烧粘土和氧化镁组成；辅助激发剂为硫酸钠、氯化钙、碳酸氢钠、碳酸钠中的至少一种。2.根据权利要求1所述低碳多元镁质胶凝材料，其特征在于，所述煅烧粘土与氧化镁的质量比为(1-8)：1。3.根据权利要求1所述低碳多元镁质胶凝材料，其特征在于，所述辅助激发剂占胶凝组分质量的0.05％-10％。4.根据权利要求1所述低碳多元镁质胶凝材料，其特征在于，所述低碳多元镁质胶凝材料的原料还包括：减水剂，且所述减水剂占胶凝组分质量的1％-3％。5.根据权利要求1所述低碳多元镁质胶凝材料，其特征在于，所述低碳多元镁质胶凝材料的原料还包括：水，且所述水占胶凝组分质量的40％-60％。6.根据权利要求1所述低碳多元镁质胶凝材料，其特征在于，所述煅烧粘土的粒径尺寸为0.1-1000μm，所述煅烧粘土中的偏高岭石含量介于40％-80％之间。7.根据权利要求1所述低碳多元镁质胶凝材料，其特征在于，所述煅烧粘土通过将粘土以5℃/min的升温速率从室温升温至200-300℃，随后以10℃/min的升温速率从200-300℃升温至700-800℃，并在700-800℃保温1-2h，随后急速冷却得到。8.一种如权利要求1-7中任一项所述低碳多元镁质胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将胶凝组分、辅助激发剂、减水剂和水混合均匀，得到浆体；浆体经成型和养护后得到低碳多元镁质胶凝材料。9.根据权利要求8所述低碳多元镁质胶凝材料的制备方法，其特征在于，所述养护过程在标准养护条件下进行；其中，标准养护条件如下：相对湿度大于95％、温度为20
±
3℃。10.根据权利要求8所述低碳多元镁质胶凝材料的制备方法，其特征在于，所述浆体经成型和养护后得到低碳多元镁质胶凝材料的步骤包括：将浆体浇铸至模具中，密封防止水分流失，在20
±
3℃的温度下放置1天后脱模，随后在标准养护条件下养护至指定期龄，得到低碳多元镁质胶凝材料。

技术总结
本发明公开一种低碳多元镁质胶凝材料及其制备方法。该低碳多元镁质胶凝材料的原料包括：胶凝组分和辅助激发剂；胶凝组分由煅烧粘土和氧化镁组成；辅助激发剂为硫酸钠、氯化钙、碳酸氢钠、碳酸钠中的至少一种。本发明创新提出使用多元复合激发手段，根据早期体系的离子溶出过程，结合煅烧粘土的水化机理，利用多种化学辅助激发剂的有机协调，有效提升胶凝材料早期力学性能；本发明提高了材料的早期强度，并保证了材料的后期强度，力学性能发展明显。本发明提供的低碳多元镁质胶凝材料，应用场景广泛，工艺流程简单，单位碳排放与能源消耗大大降低，具有极大的潜在应用价值。具有极大的潜在应用价值。具有极大的潜在应用价值。


技术研发人员：胡传林 刘蒸蒸 钱雄 沈坤杰 王发洲
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/7/21