本發(fā)明涉及一種常溫可固化的地聚合物材料及其應用，屬于建筑材料領域。
背景技術：
目前建筑工程使用的大宗材料是水泥混凝土和砂漿，水泥在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的二氧化碳，加速了全球氣候變暖。同時，石灰石的開采，對環(huán)境破壞非常嚴重，我國高品位的石灰石儲量比較有限，按現(xiàn)有建設速度會在三十年內(nèi)枯竭。所以，無論是從保護石灰石資源，還是控制碳排放和保護環(huán)境方面，都要求我們找到一種節(jié)能環(huán)保、低碳的膠凝材料。
地聚合物材料的開發(fā)應用成為可能，但由于種種原因地聚合物材料大規(guī)模應用于建筑工程和其它行業(yè)的基本沒有，主要問題在于如下幾點。
1.地聚合物材料新拌混合物凝結時間短。通常只有半小時左右，用于硅酸鹽水泥的緩凝劑在地聚合物材料中幾乎不起任何作用，沒有足夠的操作時間，無法滿足大規(guī)模應用。
2.地聚合物材料新拌混合物和易性較差。地聚合物材料新拌混合物的流動性差，如果用于建筑混凝土工程，其攪拌、施工都將非常困難。
3.地聚合物材料大多需要加熱養(yǎng)護。養(yǎng)護溫度一般為50～90℃，大大限制了地聚合物材料的應用領域和范圍。
4.有的原材料生產(chǎn)過程中會排放二氧化碳。偏高嶺土在地聚合物膠凝材料的研究中占有非常重要的地位，通常以其為研究對象，偏高嶺土是由高嶺土煅燒制得的，煅燒過程會產(chǎn)生二氧化碳，盡管碳排放比生產(chǎn)水泥的少，如果大量應用仍然會對環(huán)境造成很大壓力。另外，高嶺土是一種寶貴資源，不可能大規(guī)模用于地聚合物材料。也有加入了石灰作為激發(fā)劑的情形，但石灰石煅燒生成生石灰，同時會向大氣中排放大量二氧化碳。
如何克服以上問題成為地聚合物大規(guī)模推廣應用必須克服的難題。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術存在的不足而提供一種常溫可固化的地聚合物材料，在常溫(0～60℃)下的空氣中固化，無需加熱養(yǎng)護，28天抗壓強度可達10～60mpa；根據(jù)需要調(diào)節(jié)凝結時間，凝結時間可控制在0.5～30小時；可以配制和易性好，流動性好的新拌地聚合物混合物。
本發(fā)明為解決上述提出的問題所采用的技術方案為：
一種常溫可固化的地聚合物材料，其原料包括：活性粉體材料、活化劑、天然砂和水。
進一步優(yōu)選地，上述常溫可固化的地聚合物材料，其原料中還包括減水劑、摻合料、機制砂、粗骨料。
進一步優(yōu)選地，上述常溫可固化的地聚合物材料，其原料按重量百分比計為：活性粉體材料5～50％、活化劑0.8～15％、減水劑0～0.8％、天然砂12～70％、水3～15％，摻合料0～40％，機制砂0～40％，粗骨料0～60％，所有原料之和為100％。
按上述方案，所述的活性粉體材料為?；郀t礦渣微粉(簡稱“礦粉”)和/或磷渣微粉(簡稱“磷渣粉”)。優(yōu)選地，所述的活性粉體材料比表面積為400～600m2/kg。礦粉的礦物組成主要是由cao、sio2、al2o3形成的c2as(黃長石)、cas2(鈣長石)、cs(假硅灰石)和c2s(硅酸二鈣)，其組成c2s、cas約占30－60％，c2as和c2s活性較好。礦粉以無定形的玻璃體結構為主，含少量的結晶型礦物，因礦粉中玻璃體含量多，結構處在高能量狀態(tài)，不穩(wěn)定，它的礦相組成主要是含低鈣的硅酸鹽體系，因此具有潛在的水硬活性，磷渣化學組成主要是：cao、sio2和al2o3，磷渣的礦物組成和玻璃相含量與礦粉相似，具有很好的潛在水硬活性；由于al2o3含量大大低于礦粉，冬期施工強度明顯低于礦渣，因此冬期施工的活性粉料應以礦粉為主。
按上述方案，所述的活化劑為堿金屬的氫氧化物和/或堿土金屬的氫氧化物、次亞硫酸鹽、堿金屬碳酸鹽和/或堿金屬硫酸鹽組成的水溶液，其中堿金屬的氫氧化物、堿土金屬的氫氧化物、次亞硫酸鹽、堿金屬碳酸鹽、堿金屬硫酸鹽均可溶于水。
進一步優(yōu)選地，所述的活化劑中溶質(zhì)和溶劑的的質(zhì)量之比為1：(1～3)，一般采用溶質(zhì)和水的質(zhì)量之比為1:2，且堿金屬的氫氧化物和/或堿土金屬的氫氧化物、次亞硫酸鹽、堿金屬硫酸鹽、堿金屬碳酸鹽的重量比為(1～0.7)：(0.1～0.2)：(0～0.1)：(0～0.3)，且堿金屬的氫氧化物和/或堿土金屬的氫氧化物與堿金屬碳酸鹽之和、次亞硫酸鹽、堿金屬硫酸鹽的重量比為1：(0.1～0.2)：(0～0.1)。
更進一步優(yōu)選地，考慮經(jīng)濟實用性，活化劑中的溶質(zhì)采用燒堿(氫氧化鈉naoh)、大蘇打(次亞硫酸鈉na2s2o3·5h2o)、元明粉(硫酸鈉na2so4)、純堿(碳酸鈉na2co3)。其中，燒堿、大蘇打、元明粉、純堿的重量比為：(1～0.7)：(0.1～0.2)：(0～0.1)：(0～0.3)，且燒堿與純堿之和、大蘇打、元明粉的重量比為1：(0.1～0.2)：(0～0.1)。
本發(fā)明中，活化劑是不可缺少的材料，是參與常溫固化反應最重要的材料之一。活化劑對本發(fā)明所述地聚合物材料的新拌混合物凝結時間和強度有較大影響，活化劑摻量越大，凝結時間越短，只有在試驗所確定的合適摻量下，有較高的強度和合適的凝結時間。氣溫變化時也應酌情調(diào)整用量，在冬季低溫下，活化劑摻量要適當增加；高溫下活化劑摻量應適當減少。
按上述方案，所述天然砂為河砂、湖砂、山砂、海砂、沙漠沙等，其細度模數(shù)為粗砂、中砂、細砂均可。部分天然砂參與了本發(fā)明的常溫固化反應，對抗壓強度影響較大，摻入天然砂可提高強度。本發(fā)明采用的天然砂細度優(yōu)選細砂或特細砂，沙漠沙無需水洗或風選等加工處理(不需要去泥和顆粒級配選擇、調(diào)整)，經(jīng)過試驗后直接用于本發(fā)明。其中，沙漠沙的礦物組成主要是石英，其次是長石，主要化學成分為二氧化硅，含量一般為85％以上，另外含有氧化鋁、氧化鐵等，按建筑用砂的細度為特細砂級別。如果本發(fā)明與鋼筋一起使用應控制天然砂中氯離子的含量，以免引起鋼筋銹蝕。
按上述方案，所述的減水劑選自β—萘磺酸鹽甲醛縮合物(簡稱“萘系減水劑”)、氨基磺酸系減水劑、脂肪族減水劑或三聚氰胺系減水劑等。減水劑在本發(fā)明中有二個方面的作用：其一減少達到鑄造或施工要求的流動性的新拌混合物的用水量，可提高強度；其二是調(diào)節(jié)新拌混合物的凝結時間；其三是提高新拌混合物的流動性。一般情形下，減水劑摻量越大，凝結時間越長，與此相應的適當提高活化劑摻量。
按上述方案，所述的摻合料選自黏土、石粉、頁巖粉中的一種或幾種。
進一步優(yōu)選地，所述的石粉和頁巖粉比表面積不宜小于400m2/kg，一般比表面積為400～600m2/kg。石粉和頁巖粉除部分參與反應外，主要起填充作用，摻合料宜因地制宜選用。
進一步優(yōu)選地，所述黏土顆粒只要易于攪拌即可，一般控制其粒徑在不大于5mm。黏土是一類層狀硅酸鹽，層片由硅氧四面體和鋁氧八面體組成，含多種水合硅酸鹽，并含有石英、長石、云母及硫酸鹽、硫化物、碳酸鹽等雜質(zhì)。黏土的顆粒細小，常在膠體尺寸范圍內(nèi)，呈晶體或非晶體。黏土用水濕潤后具有可塑性，在較小壓力下可以變形并能長久保持原狀，而且比表面積大，顆粒上帶有負電性，因此有很好的物理吸附性和表面化學活性。部分黏土參與了本發(fā)明所述地聚合物材料的常溫固化反應，黏土還有增稠保水作用，可用于調(diào)節(jié)本發(fā)明所述地聚合物材料的新拌混合物的粘度和保水性，是天然的增稠保水劑。
按上述方案，所述的粗骨料為粒徑5～20mm或5～25mm或5～31.5mm碎石和/或卵石。
本發(fā)明還提供一種上述常溫可固化的地聚合物材料的制備方法，按本發(fā)明所述原料及其配比混合攪拌均勻，得到新拌混合物。濕拌混合料的成型方式是利用人工或機械，采用澆筑、涂抹、擠壓或碾壓等鑄造、施工方法。
本發(fā)明中，調(diào)整新拌混合物凝結時間的方法是通過活化劑與減水劑統(tǒng)籌摻加實現(xiàn)的，具體操作方法是：
①減水劑和活化劑在本發(fā)明地聚合物材料中摻量范圍分別為活性粉體材料和摻合料重量之和的0～2％、3～40％，凝結時間可以在0.5～30小時范圍內(nèi)可調(diào)；
②減水劑摻量為0時，摻加活化劑使其固化(具體摻加量通過試驗確定)，隨著摻量增加凝結時間縮短，凝結時間在0.5～2小時范圍內(nèi)可調(diào)；
③加入減水劑凝結時間會延長，隨著減水劑摻量增加凝結時間增加，此時需要通過試驗增加一定量的活化劑，否則可能會導致強度降低和凝結時間過長，甚至不凝。
本發(fā)明中，調(diào)整新拌混合物流動性的方法也是通過活化劑與減水劑統(tǒng)籌摻加實現(xiàn)的，具體操作方法是：
①減水劑和活化劑在本發(fā)明地聚合物材料中摻量范圍分別為活性粉體材料和摻合料重量之和的0～2％、3～40％，可以做大流動性拌合物；
②減水劑摻量為0時，拌合物為干硬性的，摻加減水劑拌合物流動性改善，隨著摻量增加流動性增大(具體摻加量通過試驗確定)，可以做大流態(tài)產(chǎn)品，此時需要通過試驗增加一定量的活化劑以保證正常硬化；
③新拌混合物粘聚性不夠時可以加入10～50kg/m3的黏土增稠，具體摻量以試驗為準。
本發(fā)明所述的常溫可固化的地聚合物材料尤其適合用作于建筑材料。例如，本發(fā)明所述的常溫可固化的地聚合物材料可用于建筑物和構筑物用的預制構件的生產(chǎn)；也可用于建筑物和構筑物的現(xiàn)場澆筑混凝土；也可用作建筑物和構筑物的粉刷用和砌筑用砂漿；也可用于制作各種磚和砌塊；也可用于邊坡固土材料；也可利用沙漠沙做防風固沙材料和在沙漠中建設道路和建筑物等工程建設，還可用于制作城市雕塑和居家擺件等工藝品；還可以可作為3d打印原材料。
進一步優(yōu)選的，本發(fā)明所述的常溫可固化的地聚合物材料和水泥一起使用，制備水泥混凝土或砂漿，可以大大減少水泥混凝土或者砂漿中的水泥用量，提高耐久性能。
本發(fā)明所述地聚合物材料的硬化過程是堿性物質(zhì)與火山灰質(zhì)材料的反應過程，水主要起傳質(zhì)媒介的作用，通過聚合反應得到的地聚合物是由共用氧交替鍵合的[sio4]4-和[alo4]5-四面體組成的三維網(wǎng)絡結構構成，其礦物組成與沸石相近。特別說明：本發(fā)明實驗結果表明天然砂對于抗壓強度有很好的增強作用(相同的材料及配比，加天然砂的比加等量的機制砂的抗壓強度高10～20％)，部分天然砂中的sio2參與了固化反應；部分黏土中的硅、鋁等氧化物也參與了固化反應，盡管需水量比較大，但強度仍有小幅增長，黏土也參與了固化反應；另外，其他粗細骨料表面也參與了反應，因此膠凝材料與集料之間不存在類似界面過度區(qū)，顯示其性能優(yōu)越。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：
1、本發(fā)明所述的常溫可固化的地聚合物材料的新拌混合物，可以在常溫(0～60℃)下的空氣中固化，無需加熱養(yǎng)護，根據(jù)需要凝結時間可控制在0.5～30小時(如沒有特殊要求一般控制在3～12小時)，28天抗壓強度可達10～60mpa，后期強度仍有一定增長，適合用作于各種建筑材料及工藝品材料，其耐久性能優(yōu)越。
2、本發(fā)明可以配制成和易性好，流動性好的新拌地聚合物混合物，作為大流動性拌合物或大流態(tài)產(chǎn)品。
3、本發(fā)明還可以將頁巖粉和黏土及未經(jīng)處理的沙漠沙等天然砂直接使用，黏土還可以作為粘度調(diào)節(jié)劑——增稠劑，一般摻量為10～50kg/m3。頁巖、黏土、沙漠沙資源豐富，沙漠沙變廢為寶，沙漠沙作為建筑材料可在防沙固沙和改造沙漠以及在沙漠中進行工程建設和城市建設中發(fā)揮重要作用。
4、本發(fā)明調(diào)整新拌混合物凝結時間的方法是通過活化劑與減水劑統(tǒng)籌摻加實現(xiàn)的，減水劑和活化劑摻量范圍分別為活性粉體材料和摻合料重量之和的0～2％、3～40％，凝結時間可以在0.5～30小時可調(diào)。
5、本發(fā)明調(diào)整新拌混合物流動性的方法是通過活化劑與減水劑統(tǒng)籌摻加實現(xiàn)的，減水劑和活化劑在本發(fā)明地聚合物材料中摻量范圍分別為活性粉體材料和摻合料重量之和的0～2％、3～40％，可以做大流動性拌合物。
6、本發(fā)明的原材料為工業(yè)廢渣、天然材料和少量化工產(chǎn)品，原料及生產(chǎn)全過程均無碳排放以及其他影響環(huán)境的廢棄物產(chǎn)生。
具體實施方式
為了更好地理解本發(fā)明，下面結合實施例進一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明不僅僅局限于下面的實施例。
下述實施例中，礦粉均采用s95等級。礦粉、磷渣粉、石粉、頁巖粉比表面積不小于400m2/kg，一般比表面積為400～600m2/kg。黏土粒徑不大于5mm。
下述實施例中的活化劑的配制方法為：將燒堿溶于經(jīng)計量的水中，待堿液溫度下降至50℃以下時，再按配比加入大蘇打、元明粉、純堿等材料，攪拌均勻備用。按該配制方法得到四種活化劑，分別編號為活化劑1-4，其原料配比(以重量比計)分別如下：
⑴活化劑1的原料配比為：燒堿︰大蘇打︰水＝1︰0.1︰2.2；
⑵活化劑2的原料配比為：燒堿︰大蘇打︰水＝1︰0.2︰2.4；
⑶活化劑3的原料配比為：燒堿︰大蘇打︰元明粉︰水＝1︰0.1︰0.1︰2.4；
⑷活化劑4的原料配比為：燒堿︰純堿︰大蘇打︰水＝0.7︰0.3︰0.1︰2.2。
活化劑1-4中溶質(zhì)與水的質(zhì)量之比均采用1︰2。用相同摻量不同編號的活化劑做相同配比的混凝土試驗，均在一個強度等級內(nèi)，故可認為其應用效果相同。
實施例1
一種常溫可固化的地聚合物材料，其原料按重量百分比計為：10.5％的礦粉；21％的石粉，21％的海砂、31.6％的機制砂、12.6％的活化劑1、3.3％的水，可以用做成磚或砌塊或砂漿。
上述常溫可固化的地聚合物材料的制備方法是：按上述原料及其配比，將其混合并充分攪拌均勻，新拌混合物為干硬性，固化溫度為10～15℃，凝結時間0.5小時，硬化后7d、28d、60d抗壓強度分別為12.7mpa、19.2mpa、25.8mpa。
本實施例中，可以通過減少石粉或者增加礦粉可以得到不同強度的產(chǎn)品；還可以用等量的黏土或頁巖粉代替石粉，其強度相當；所述地聚合物材料可以做成實心墻地磚或者多孔磚，也可以做成建筑砌塊等，還可以用于做建筑砂漿。
實施例2
一種常溫可固化的地聚合物材料，其原料按重量百分比計為：15.2％的磷渣粉、20.2％的石粉、13.5％的細河砂、37.0％的機制砂、4.0％的活化劑2、10.1％的水，可用于制作磚和砌塊等。
上述常溫可固化的地聚合物材料的制備方法是：將上述原料按配比充分攪拌均勻，新拌混合物流動性好，固化溫度為3～7℃，凝結時間22小時，硬化后14d、28d、60d抗壓強度分別為8.1mpa、15.4mpa、25.6mpa。
本實施例中，通過減少石粉或者增減磷渣粉可以得到不同的強度。例如：將磷渣粉增加到20.5％，14d、28d、60d抗壓強度分別為11.9mpa、20.2mpa、33.2mpa，該地聚合物材料可用于粉刷用和砌筑用砂漿或者制作城市雕塑和居家擺件等工藝品。
實施例3
一種常溫可固化的地聚合物材料，其原料按重量百分比計為：18.3％的磷渣粉、24.4％的石粉、45.9％的細河砂、0.9％的活化劑3、10.5％的水，可用于預制構件的生產(chǎn)；也可用作建筑物和構筑物的粉刷用和砌筑用砂漿；也可用于3d打印的材料。
上述常溫可固化的地聚合物材料的制備方法是：將上述原料按配比充分攪拌均勻，新拌混合物流動性好，固化溫度為24～30℃，凝結時間16小時，硬化后14d、28d、60d抗壓強度分別為17.3mpa、27.5mpa、45.5mpa。
本實施例中，也可以用黏土代替石粉和或頁巖粉，可用于預制構件的生產(chǎn)；也可用作建筑物和構筑物的粉刷用和砌筑用砂漿；也可用于3d打印材料或邊坡固土材料；還可用于制作城市雕塑和居家擺件等工藝品的材料。
實施例4
一種常溫可固化的地聚合物材料，其原料按重量百分比計為：將15％的礦粉、7.5％頁巖粉、39.4％的碎石(粒級5～31.5mm)、28.1％的細河砂、0.4％的萘系減水劑、4.5％的活化劑4、5.1％的水，可用于預制構件的生產(chǎn)和建筑混凝土工程。
上述常溫可固化的地聚合物材料的制備方法是：將上述原料按配比混合并充分攪拌均勻，新拌混合物坍落度為140～160mm，固化溫度為15～18℃，凝結時間13小時，硬化后7d、28d、60d抗壓強度分別為19.3mpa、23.3mpa、33.7mpa。
本實施例中，大幅提高礦粉的摻量可做高強混凝土，如原料組成按重量百分比計為：39％的礦粉，24.3％的河砂，粒級為5-20mm碎石為26％，0.6％的氨基磺酸鹽減水劑、3.9％的活化劑1、6.2％的水，7d和28d強度分別為36.6mpa、50.9mpa；把礦粉增加至50％，7d和28d強度分別為49.1mpa和62.3mpa，可用于預制構件的生產(chǎn)和建筑混凝土工程。
實施例5
黏土在本發(fā)明中有很好的適應性。
一種常溫可固化的地聚合物材料，其原料按重量百分比計為：14.9％的礦粉、7.5％的黏土、28.0％的細河砂、39.2％的碎石(粒級5～25mm)、0.4％的脂肪族減水劑、4.5％的活化劑1、5.5％的水。
上述常溫可固化的地聚合物材料的制備方法是：將上述原料按配比混合攪拌均勻，新拌混合物坍落度為120～140mm，固化溫度為15～18℃，凝結時間10小時，硬化后7d、28d、60d抗壓強度分別為18.3mpa、25.8mpa、33mpa，可用于各類工程的現(xiàn)澆施工或預制構件的制作。
本實施例中，不加粗骨料，改變黏土的摻量，可以用于不同的項目，如城市雕塑和工藝品的制作以及3d打印材料，也可用作邊坡固土材料或建筑砂漿等，列舉如下：
①原料組成按重量百分比計為：18.9％的礦粉、18.9％的黏土、47.1％的細河砂，3.8％的活化劑1、11.3％的水，硬化后7d、28d、60d抗壓強度分別為15.0mpa、28.6mpa、35.5mpa，可用于城市雕塑和工藝品的制作材料以及3d打印材料，也可用作邊坡固土材料或建筑砂漿等。
②原料組成按重量百分比計為：16.1％的礦粉、26.8％的黏土、40.2％的細河砂、0.3％的萘系減水劑、4.3％的活化劑1、12.3％的水，7d、28d、60d抗壓強度分別為14.4mpa、17.9mpa、20.0mpa，可用于城市雕塑和工藝品的制作材料或建筑砂漿等。
③11.9％的礦粉、39.6％的黏土、29.7％的細河砂，0.2％的三聚氰胺減水劑、4.4％的活化劑1、1原料組成按重量百分比計為：4.2％的水，7d、28d、60d抗壓強度分別為9.1mpa、12.0mpa、13.0mpa，可用于城市雕塑和工藝品的制作材料或建筑砂漿等。
實施例6
沙漠沙不經(jīng)處理直接應用于建設工程，使沙漠沙變成一種資源，同時可以在防沙固沙、改造沙漠和在沙漠中進行工程建設發(fā)揮作用，我們實驗用的沙漠沙取自于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市庫布齊沙漠中的響沙灣。
一種常溫可固化的地聚合物材料，其原料按重量百分比計為：15.9％的礦粉、63.6％的沙漠沙、0.3％的萘系減水劑、6.4％的活化劑1、13.8％的水；將前述原料混合并攪拌均勻，新拌混合物流動性好，固化溫度為15～18℃，凝結時間13小時，硬化后7d、28d、60d抗壓強度分別為8.2mpa、10.9mpa、11.5mpa，可用于防風固沙材料和建筑砂漿。
本實施例中，增加礦粉，其他材料作適當調(diào)整，可以得到不同的強度。例如：礦粉為24.3％時，7d、28d、60d抗壓強度分別為20.4mpa、25.9mpa、26.7mpa；礦粉為32.7％時，7d、28d抗壓強度分別為25.6mpa和33.1mpa；礦粉為50％時，7d、28d抗壓強度分別為39.0mpa和51.2mpa；加入不超過沙漠沙1.3倍質(zhì)量的粗骨料(粒級為5～25mm的碎石或卵石)，其抗壓強度與砂漿相當，可用于構筑物或建筑物的材料。
本發(fā)明也可以和水泥一起使用，大大減少水泥用量，提高經(jīng)濟性和耐久性能，減少碳排放。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構思的前提下，還可以做出若干改進和變換，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。