地質(zhì)聚合物混合設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是與本身為建筑和建造用材料的地質(zhì)聚合物相關(guān)的技術(shù)，并且尤其涉及一種地質(zhì)聚合物混合設(shè)計(jì)方法以優(yōu)化所述地質(zhì)聚合物中每一種組分的混合比率。
【背景技術(shù)】
[0002]地質(zhì)聚合物是在低溫下僅通過鋁硅酸鹽成分與堿性活化劑的化學(xué)反應(yīng)來固化的一種無機(jī)粘合劑。因?yàn)楫a(chǎn)生地質(zhì)聚合物不需要燒制工藝，所以與波特蘭水泥相比較，用于生產(chǎn)的能耗少得多，并且二氧化碳排放也可降低多達(dá)80%或更多。因此，地質(zhì)聚合物作為對生態(tài)環(huán)境友好的材料而吸引關(guān)注。
[0003]然而，集中于立即工業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)場研究已經(jīng)在沒有對地質(zhì)聚合物科學(xué)方法的系統(tǒng)支持的情況下進(jìn)行，并且因此，術(shù)語非燒結(jié)無機(jī)粘合劑在廣義上可互換地使用，而不與‘地質(zhì)聚合物’的確切概念一致。
[0004]地質(zhì)聚合物的確切概念是指其中無機(jī)粘合劑與堿性活化劑彼此組合并且接著固化的材料。重要的是，其僅在使用來自于無機(jī)粘合劑中具有火山灰和無定形特征的材料時(shí)可以被稱為地質(zhì)聚合物。也就是說，熱電廠中的飛灰和底灰、偏高嶺土、堿石灰玻璃水泥、天然火山灰、煤塊灰等等可以用作地質(zhì)聚合物的成分。然而，其中使用高爐熔渣作為無機(jī)粘合劑的情況不對應(yīng)于地質(zhì)聚合物，因?yàn)楫a(chǎn)生類似于水泥礦物的C-S-H凝膠作為主要產(chǎn)物。
[0005]如上文所描述，對地質(zhì)聚合物進(jìn)行的研究有所偏向，并且集中于現(xiàn)場適用性。對地質(zhì)聚合物的大多數(shù)研究論文集中于研究在與摩爾濃度增加的堿性活化劑反應(yīng)之后的抗壓強(qiáng)度變化，而不管成分的化學(xué)組成或特征。在本身為地質(zhì)聚合物成分的煤灰的情況下，堿性反應(yīng)性很大程度上取決于煤的燃燒條件、煤灰中所含有的礦物的類型和含量、顆粒的大小和形狀、煤灰的存儲條件等等。因此，除堿性活化劑的濃度之外，地質(zhì)聚合物的特性還由許多各種條件決定。然而，對地質(zhì)聚合物的研究基于經(jīng)驗(yàn)，而非對反應(yīng)性決定因子的科學(xué)研究來進(jìn)行。
[0006]基于經(jīng)驗(yàn)使用強(qiáng)堿金屬產(chǎn)生的地質(zhì)聚合物不具有均勻的品質(zhì)，并且還由于使用過量堿金屬而造成安全性問題和制造成本增加。舉例來說，大量使用強(qiáng)堿金屬在孔隙溶液(pore solut1n)中留下過量的鈉，并且所述鈉與空氣中的二氧化碳反應(yīng)而造成地質(zhì)聚合物表面上的風(fēng)化(efflorescence)。
[0007]因此，需要對影響地質(zhì)聚合物特征的因子的科學(xué)分析，并且用于設(shè)計(jì)地質(zhì)聚合物配方的標(biāo)準(zhǔn)化方法需要基于所述科學(xué)分析來確立。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]技術(shù)問題
[0009]本發(fā)明的目的是提供一種地質(zhì)聚合物混合設(shè)計(jì)方法，其中預(yù)設(shè)影響地質(zhì)聚合物特性的因子的參考值，并且可以事先計(jì)算允許地質(zhì)聚合物符合所產(chǎn)生的這些參考值的成分混合比率。
[0010]技術(shù)解決方案
[0011]根據(jù)本發(fā)明的地質(zhì)聚合物混合設(shè)計(jì)方法是決定通過混合其中包含鋁硅酸鹽組分的基本材料、堿性活化劑以及水來產(chǎn)生的地質(zhì)聚合物的配方，并且所述方法的特征在于包含成分分析步驟，所述步驟用于選擇所述基本材料和所述堿性活化劑并且分析其化學(xué)組成；基本計(jì)算步驟，所述步驟用于計(jì)算每單位重量的所述基本材料、所述堿性活化劑以及所述水中的S1、Al、Na以及H中每一種的摩爾數(shù)(mole);目標(biāo)設(shè)定步驟，所述步驟用于設(shè)定決定地質(zhì)聚合物特征的主要因子的參考值，主要因子包含最后產(chǎn)生的地質(zhì)聚合物中的Si/Al摩爾比(mole rat1)和Na/Al摩爾比；以及混合比率計(jì)算步驟，所述步驟基于在所述基本計(jì)算步驟中所計(jì)算的結(jié)果，用于計(jì)算在所述基本材料、所述堿性活化劑以及所述水的混合物中所述基本材料、所述堿性活化劑以及所述水中每一種的混合比率以便符合在所述目標(biāo)設(shè)定步驟中所設(shè)定的所述主要因子的參考值。
[0012]有利作用
[0013]根據(jù)本發(fā)明的地質(zhì)聚合物混合設(shè)計(jì)方法提供一種方法，其中在預(yù)設(shè)對地質(zhì)聚合物特性具有顯著作用的因子，即Si/Al比率和Na/Al比率以及水含量比率的同時(shí)，可以計(jì)算符合這些因子的設(shè)定值的地質(zhì)聚合物的成分混合比率。
[0014]因此，所述方法提供地質(zhì)聚合物調(diào)配中的更科學(xué)和系統(tǒng)的可行性。另外，可以使用根據(jù)基于地質(zhì)聚合物主要因子的配方設(shè)計(jì)而產(chǎn)生的樣本來提供基于地質(zhì)聚合物結(jié)構(gòu)和特征的活躍研究。
[0015]此外，根據(jù)本發(fā)明的科學(xué)形成設(shè)計(jì)可以促進(jìn)使用成分的經(jīng)濟(jì)效率，并且控制可能造成穩(wěn)定性問題(如所產(chǎn)生地質(zhì)聚合物的風(fēng)化)的因子。
[0016]本發(fā)明提供在地質(zhì)聚合物特征中最重要且基本的這類數(shù)據(jù)，并且因此預(yù)期其有助于復(fù)興地質(zhì)聚合物工業(yè)。
【附圖說明】
[0017]圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一種地質(zhì)聚合物混合設(shè)計(jì)方法的示意性流程圖。
[0018]圖2展示根據(jù)Si/Al比率的地質(zhì)聚合物應(yīng)用。
[0019]圖3展示本發(fā)明實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)。
[0020]圖4展示樣品(煤池灰)的化學(xué)組成。
[0021]圖5是展示樣品的定量X-射線衍射分析結(jié)果的圖形。
[0022]圖6展示從書川熱電廠獲得的煤池灰的無定形組成分析結(jié)果，其由X-射線熒光光譜法和定量X-射線衍射分析來計(jì)算。
[0023]圖7是展示在圖3中所示條件下產(chǎn)生的地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度的圖形。
[0024]圖8(a)到圖8(c)展示三種樣品的斷裂表面的掃描電子顯微鏡圖像。
[0025]圖9展示四個(gè)地質(zhì)聚合物凝膠樣品的斷裂表面的掃描電子顯微鏡圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0026]根據(jù)本發(fā)明的一種地質(zhì)聚合物混合設(shè)計(jì)方法是決定通過混合其中包含鋁硅酸鹽組分的基本材料、堿性活化劑以及水來產(chǎn)生的地質(zhì)聚合物的配方，并且所述方法的特征在于包含成分分析步驟，所述步驟用于選擇所述基本材料和所述堿性活化劑并且分析其化學(xué)組成；基本計(jì)算步驟，所述步驟用于計(jì)算每單位重量的所述基本材料、所述堿性活化劑以及所述水中的S1、Al、Na以及H中每一種的摩爾數(shù)(mole);目標(biāo)設(shè)定步驟，所述步驟用于設(shè)定決定地質(zhì)聚合物特征的主要因子的參考值，主要因子包含最后產(chǎn)生的地質(zhì)聚合物中的Si/Al摩爾比(mole rat1)和Na/Al摩爾比；以及混合比率計(jì)算步驟，基于在所述基本計(jì)算步驟中所計(jì)算的結(jié)果，所述步驟用于計(jì)算在所述基本材料、所述堿性活化劑以及所述水的混合物中所述基本材料、所述堿性活化劑以及所述水中每一種的混合比率以便符合在所述目標(biāo)設(shè)定步驟中所設(shè)定的所述主要因子的參考值。
[0027]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的是在目標(biāo)設(shè)定步驟中，決定地質(zhì)聚合物特征的主要因子還包括水含量比率。
[0028]此外，優(yōu)選的是在成分分析步驟中，進(jìn)行用于從基本材料中去除未燃燒碳粉末的預(yù)處理，并且在基本計(jì)算步驟中，S1、Al、Na以及H中每一種的摩爾數(shù)(mole)僅針對所述基本材料中排除結(jié)晶部分的無定形部分進(jìn)行計(jì)算。
[0029]確切地說，優(yōu)選的是在基本計(jì)算步驟中，測定包含于基本材料、添加劑以及水中的特定組分的含量，即Al203、Si02、Na20以及H2O的含量，并且接著計(jì)算包含于所述特定組分中的S1、Al、Na以及H的總摩爾數(shù)，以便計(jì)算S1、Al、Na以及H的含量。
[0030]另外，優(yōu)選的是在基本計(jì)算步驟中，分析基本材料中的Si/Al摩爾比和Na/Al摩爾比，并且接著在目標(biāo)設(shè)定步驟中，將所述Si/Al摩爾比的參考值設(shè)定成高于或低于所述基本材料中的所述Si/Al摩爾比。
[0031]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在堿金屬選擇步驟中，在選擇鋁酸鈉作為堿性活化劑中選擇呈固態(tài)的鋁酸鈉粉末。
[0032]用于進(jìn)行本發(fā)明的模式
[0033]在下文中，將參考附圖更詳細(xì)地描述根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的地質(zhì)聚合物混合設(shè)計(jì)方法。
[0034]圖1示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一種地質(zhì)聚合物混合設(shè)計(jì)方法的示意性流程圖。
[0035]根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的地質(zhì)聚合物混合設(shè)計(jì)方法(100)是測定本身為地質(zhì)聚合物成分的基本材料、堿性活化劑以及水的相對混合比率，并且如圖1中所示出，包含預(yù)處理步驟(10)、成分分析步驟(20)、基本計(jì)算步驟(30)、目標(biāo)設(shè)定步驟(40)、混合比率計(jì)算步驟(40)ο
[0036]在本發(fā)明中，首先進(jìn)行用于選擇基本材料和堿性活化劑并且分析其化學(xué)組成的成分分析步驟(10)。
[0037]地質(zhì)聚合物的基本材料是由鋁硅酸鹽組分構(gòu)成并且具有火山灰特征的物質(zhì)?？梢杂米骰静牧系奈镔|(zhì)的實(shí)例包含熱電廠中的飛灰(fly ash)或底灰(bottom ash)、煤塊灰、偏高嶺土(metakaolin)以及天然火山灰(浮石(pumice)或火山灰)。這些物質(zhì)具有潛在水硬活性，并且由堿性活化劑活化。本發(fā)明將針對其中基本材料為煤池灰的情況進(jìn)行描述。
[0038]堿性活化劑是堿性物質(zhì)，并且其實(shí)例包含氫氧化鈉(NaOH)、水玻璃(Na2S12.H2O)、鋁酸鈉粉末(NaAlO2)以及鋁酸鈉溶液(NaAlO2.ηΗ20)。堿性活化劑可以單一要素的形式使用，并且還以兩種或大于兩種要素的形式使用。在這個(gè)實(shí)施例中，使用兩種類別的堿性活化劑。
[0039]在選擇基本材料和堿性活化劑之后，進(jìn)行基本材料的預(yù)處理。預(yù)處理是將煤池灰粉碎成適當(dāng)?shù)牧６炔⑶胰コ慈紵奶挤勰?。然而，?dāng)煤池灰含有低含量的未燃燒的碳時(shí)，可以跳過預(yù)處理。未燃燒的碳可以通過各種方法來去除，如泡沫浮選法(frothflotat1n)。泡沫浮選法是一種分離方法，并且使用礦物表面的疏水性與親水性之間的差異來將疏水性的礦物顆粒選擇性地粘附到氣泡(air bubble)上并且因此分離礦物。也就是說，在槽中與流體一起接收煤池灰，此后注入收集劑和起泡劑并且吹入氣泡，所述氣泡由此上浮到所述槽表面上并且粘附到未燃燒的碳粉末上，并且可以因此從所述煤池灰中去除所述未燃燒的碳粉末。
[0040]在預(yù)處理之后，進(jìn)行煤池灰和堿性活化劑的化學(xué)組成分析。測定何種組分包含于煤池灰和堿性活化劑中是地質(zhì)聚合物科學(xué)配方設(shè)計(jì)的必要要求?；瘜W(xué)組成分析與在將描述的基本計(jì)算步驟中測定基本材料和堿性活化劑中S1、Al、Na以及H的摩爾比例的步驟相關(guān)聯(lián)?；静牧虾蛪A性活化劑中的S1、Al、Na以及H不以純原子狀態(tài)存在，而以氧化物形式存在，如Si02、Al203、Na20以及H20。因此，這些氧化物的組成比率應(yīng)首