高抗碳化性地聚合物及其制备方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 112745079 A(43)申请公布日 2021.05.04

(21)申请号 2021100414.5(22)申请日 2021.01.13

(71)申请人 武汉大学

地址 430072 湖北省武汉市武昌区珞珈山

武汉大学(72)发明人 李杉　李发平　卢亦焱　陈得锋　

杨哲铭　程志军　(74)专利代理机构 武汉科皓知识产权代理事务

所(特殊普通合伙) 42222

代理人 肖明洲(51)Int.Cl.

C04B 28/04(2006.01)C04B 111/20(2006.01)

权利要求书2页 说明书4页

()发明名称

高抗碳化性地聚合物及其制备方法

(57)摘要

本发明公开了一种高抗碳化性地聚合物及其制备方法，该材料以城市固体废物燃烧底灰为基材，通过内掺改性多壁碳纳米管等外加剂组合而成的一种改性地聚合物。本发明的地聚合物具有抗压强度高，耐久性能好，流动度好，施工性能好，且抗碳化性能好等特点。本发明的地聚合物以城市固体废物燃烧底灰等工业废弃物为原材料，不仅可以节约环境，充分利用固体废弃物的利用价值，而且可以降低地聚合物的生产成本，提高其碳化能力，保护钢筋保护膜，提高碱激发材料混凝土的耐久性。本发明的高抗碳化性地聚合物具有较好的保水性，凝结时间短，耐久性好等优点。

CN 112745079 ACN 112745079 A

权　利　要　求　书

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1.一种高抗碳化性地聚合物，其特征在于：按质量分数计，包含如下组分：改性城市固体废物燃烧底灰40‑44份，硅酸盐水泥20‑30份，改性赤泥1‑3份，煅烧的偏高岭土1‑3份，硅粉3‑5份，石英砂15‑20份，氢氧化钠4‑6份，硅酸钠5‑9，水4‑5份，分散剂0.07‑0.08份，改性多壁碳纳米管0.8‑0.9份。

2.根据权利要求1所述高抗碳化性地聚合物，其特征在于：所述改性城市固体废物燃烧底灰：将城市固体废弃物燃烧底在700‑1500℃煅烧1‑2小时，然后研磨，筛分，使其中值粒径小于1um，比表面积大于4600m2/kg；

所述煅烧的高岭土为：将高岭石在600‑750℃的温度下煅烧3‑4小时，然后研磨，筛分，使其粒径小于200nm，且Al2O3为42‑44wt％，SiO2为30‑40wt％；

所述改性赤泥为：将赤泥在500‑600℃的温度下煅烧1‑2小时，然后研磨，使其粒径小于500nm，比表面积大于5800m2/kg；

所述硅粉为：SiO2大于98％，粒径为3000‑3400目；所述硅酸盐水泥为42.5R普通硅酸盐水泥；所述石英砂的粒径为80‑120目；所述氢氧化钠为颗粒状，纯度大于99％；所述硅酸钠为速溶型固体粉料。

3.根据权利要求1或2所述高抗碳化性地聚合物，其特征在于：所述改性多壁碳纳米管由以下过程制作而成：

将多壁碳纳米管置于浓和浓硫酸的混合溶液中，其中多壁碳纳米管的混合溶液的质量比为1/500‑1/600，浓和浓硫酸的体积比为1/5‑1/6；然后充分搅拌，在80‑100℃下超声震荡1‑2小时后静置，接着用去离子水进行稀释，离心分离，得到的沉淀再采用此方法直至所得溶液的PH值大于12，最后将所得的溶液在60‑70℃，50‑60Pa的真空环境中进行干燥，得到初步改性的多壁碳纳米管，接着以质量比1∶100将初步改性的多壁碳纳米管加入到氯化亚砜溶剂中，滴加6‑8滴N，N‑二甲基甲酰胺作为催化剂，接着在600‑800W的功率下超声0.8‑0.9小时，然后在40‑50℃的条件下回流8‑9小时，即得到改性的多壁碳纳米管。

4.一种制备如权利要求1或2所述高抗碳化性地聚合物的方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)以质量份数计，称取改性城市固体废物燃烧底灰40‑44份，硅酸盐水泥20‑30份，改性赤泥1‑3份，煅烧的偏高岭土1‑3份，硅粉3‑5份，石英砂15‑20份，氢氧化钠4‑6份，硅酸钠5‑9，水4‑5份，改性多壁碳纳米管0.8‑0.9份；

(2)将改性多壁碳纳米管，分散剂置于水中，搅拌240‑300s，然后置于400‑500W的功率下超声0.5‑0.7h，即得均匀的混合溶液；

(3)将硅酸盐水泥，改性赤泥，硅灰，石英砂，倒入搅拌机搅拌150‑180s，得到混合料微粒A；然后将改性城市固体废物燃烧底灰，固体氢氧化钠和硅酸钠粉末加入到马弗炉中煅烧1‑2小时，煅烧温度为700‑800℃；冷却后过筛，得到地聚合物混合料B；

(4)将步骤(3)所得混合料A和混合料B加入搅拌锅内搅120s‑150s，然后掺入步骤(2)得到的混合溶液搅拌120‑150秒，得到混合料；接着搅拌60‑90秒，浇筑，振捣成型，常温养护28天即得到高抗碳化性地聚合物。

5.一种制备如权利要求3所述高抗碳化性地聚合物的方法，其特征在于：包括如下步

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权　利　要　求　书

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骤：

(1)以质量份数计，称取改性城市固体废物燃烧底灰40‑44份，硅酸盐水泥20‑30份，改性赤泥1‑3份，煅烧的偏高岭土1‑3份，硅粉3‑5份，石英砂15‑20份，氢氧化钠4‑6份，硅酸钠5‑9，水4‑5份，改性多壁碳纳米管0.8‑0.9份；

(2)将改性多壁碳纳米管，分散剂置于水中，搅拌240‑300s，然后置于400‑500W的功率下超声0.5‑0.7h，即得均匀的混合溶液；

(3)将硅酸盐水泥，改性赤泥，硅灰，石英砂，倒入搅拌机搅拌150‑180s，得到混合料微粒A；然后将改性城市固体废物燃烧底灰，固体氢氧化钠和硅酸钠粉末加入到马弗炉中煅烧1‑2小时，煅烧温度为700‑800℃；冷却后过筛，得到地聚合物混合料B；

(4)将步骤(3)所得混合料A和混合料B加入搅拌锅内搅120s‑150s，然后掺入步骤(2)得到的混合溶液搅拌120‑150秒，得到混合料；接着搅拌60‑90秒，浇筑，振捣成型，常温养护28天即得到高抗碳化性地聚合物。

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高抗碳化性地聚合物及其制备方法

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技术领域

[0001]本发明涉及地聚合物基材料技术领域，具体涉及一种高抗碳化性地聚合物及其制备方法。

背景技术

[0002]地聚合物是一种通过硅铝酸盐材料和碱性激发反应生成的一种由硅氧四面体和铝氧四面体合成的无定型三维网状结构的碱铝硅酸盐胶凝材料，属于无机聚合物。国内外研究学者表明，碱激发混凝土比水泥混凝土具有更高的碳化速率，而且在国标下的加速碳

碱激发混凝土的碳化不仅导致抗压强度的降低，还导致碱激发混凝土化将变得更加严重。

内部的PH值下降，接着引起钢筋保护膜的破坏，加速钢筋的锈蚀，造成其承载力下降，严重影响碱激发混凝土的耐久性。另一方面，在制备城市固体废物燃烧底灰基地聚合物时，需要对城市固体废物燃烧底灰进行至少4小时以上的碱陈化预处理以消除其遇碱发泡膨胀的特性，不利于工业化成产。因此提高地聚合物混凝土的抗碳化能力已经成为当前的一种趋势。发明内容

[0003]针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高抗碳化性地聚合物及其制备方法，该地聚合物材料抗压强度高，耐久性能好，流动度好，施工性能好，且抗碳化性能好等优点。

[0004]为实现上述目的，本发明的技术方案如下：[0005]第一方面，本发明提供一种高抗碳化性地聚合物，由以下重量份的原料制成：改性城市固体废物燃烧底灰40‑44份，硅酸盐水泥20‑30份，改性赤泥1‑3份，煅烧的偏高岭土1‑3份，硅粉3‑5份，石英砂15‑20份，氢氧化钠4‑6份，硅酸钠5‑9，水4‑5份，分散剂0.07‑0.08份，改性多壁碳纳米管0.8‑0.9份。[0006]作为优选方案，所述改性城市固体废物燃烧底灰：将城市固体废弃物燃烧底在 700‑1500℃煅烧1‑2小时，然后研磨，筛分，使其中值粒径小于1um，比表面积大于 4600m2/kg。

[0007]所述煅烧的高岭土为：将高岭石在600‑750℃的温度下煅烧3‑4小时，然后研磨，筛分，使其粒径小于200nm，且Al2O3为42‑44wt％，SiO2为30‑40wt％；[0008]所述改性赤泥为：将赤泥在500‑600℃的温度下煅烧1‑2小时，然后研磨，使其粒径小于500nm，比表面积大于5800m2/kg；[0009]所述硅粉为：SiO2大于98％，粒径为3000‑3400目；[0010]所述硅酸盐水泥为42.5R普通硅酸盐水泥；[0011]所述石英砂的粒径为80‑120目；[0012]所述氢氧化钠为颗粒状，纯度大于99％；[0013]所述硅酸钠为速溶型固体粉料。[0014]进一步地，所述改性多壁碳纳米管的制作过程如下：将多壁碳纳米管置于浓

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和浓硫酸的混合溶液中，其中多壁碳纳米管的混合溶液的质量比为1/500‑1/600，浓和浓硫酸的体积比为1/5‑1/6，然后充分搅拌，在80‑100℃下超声震荡1‑2小时后静置，接着用去离子水进行稀释，离心分离，得到的沉淀再采用此方法直至所得溶液的PH值大于12，最后将所得的溶液在60‑70℃，50‑60Pa的真空环境中进行干燥，得到初步改性的多壁碳纳米管，接着将初步改性的多壁碳纳米管加入到一定量的氯化亚砜溶剂中(质量比为1:100)，滴加6‑8滴N,N‑二甲基甲酰胺作为催化剂，接着在600‑800W的功率下超声0.8‑0.9小时，然后在40‑50℃的条件下回流8‑9小时，即得到改性的多壁碳纳米管。[0015]第二方面，本发明提供一种高抗碳性地聚合物的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：[0016](1)以质量份数计，称取改性城市固体废物燃烧底灰40‑44份，硅酸盐水泥20‑30 份，改性赤泥2‑3份，煅烧的偏高岭土1‑3份，硅粉3‑5份，石英砂15‑20份，氢氧化钠4‑6份，硅酸钠5‑9，水4‑5份，改性多壁碳纳米管0.8‑0.9份；[0017](2)将改性多壁碳纳米管，分散剂置于水中，搅拌240‑300s，然后置于400‑500W 的功率下超声0.5‑0.7h，即得均匀的混合溶液；[0018](3)将硅酸盐水泥，改性赤泥，硅灰，煅烧的偏高岭土，石英砂，倒入搅拌机搅拌 150‑180s，得到混合料微粒A，然后将改性城市固体废物燃烧底灰，固体氢氧化钠和硅酸钠

冷却后过筛，得到地聚合物混粉末加入到马弗炉中(设定温度为700‑800℃)煅烧1‑2小时，

合料B；[0019](4)将步骤(3)所得混合料A和混合料B加入搅拌锅内搅120s‑150s，然后掺入步骤(2)得到的混合溶液搅拌120‑150秒，得到混合料，接着搅拌60‑90秒，接着浇筑，振捣成型，常温养护28天即得到高抗碳化性地聚合物。[0020]本发明具有以下主要优点和有益效果：[0021]1、本发明的高抗碳化性地聚合物利用的是价格低廉的城市固体废物燃烧底灰等工业废弃物，降低工程造价，有效地解决了工业废弃物堆放等问题，变废为宝；[0022]2、本发明的高抗碳化性地聚合物的抗碳化性能好，其碳化深度最低可达到普通地聚合物碳化深度的1/10，达到普通混凝土碳化深度的1/5；[0023]3、本发明的高抗碳化性地聚合物地聚合物抗压强度高，且后期强度能保持不变或略成上升的趋势，制备的高抗碳化性城市固体废物燃烧底灰基地聚合物抗压强度较普通城市固体废物燃烧底灰基地聚合物强度提高200％；[0024]4、本发明的高抗碳化性地聚合物省略了复合碱激发剂溶液的配置过程，同时省略了城市固体废物燃烧底灰的碱陈化预处理，消除了城市固体废物燃烧底灰遇碱发泡膨胀的特性，简化了生产工艺，易于推广使用。[0025]5、本发明的高抗碳化性地聚合物具有较好的保水性，凝结时间短，耐久性好等优点。

[0026]本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

具体实施方式

[0027]下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所。相

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反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。[0028]实施例1：

[0029]本实施例中高抗碳化性地聚合物制备过程如下：[0030]将0.09份改性多壁碳纳米管，0.07份分散剂置于4份水中，搅拌240s，然后置于400W 的功率下超声0.5小时，即得到均匀的4.16份混合溶液，接着将称量27份硅酸盐水泥，1 份煅烧的偏高岭土，3份硅灰，1份改性赤泥，15份石英砂，倒入搅拌机搅拌150s得到混合料微粒A，然后将称量的40份改性城市固体废物燃烧底灰，4份固体氢氧化钠和5份硅酸钠粉末加入到马弗炉中(设定温度为700℃)煅烧1小时，冷却后过筛，得到地聚合物混合料B，将混合料A和混合料B加入搅拌锅内搅拌120s，然后掺入上述步骤得到的4.16 份混合溶液，接着搅拌120秒，得到混合料，接着搅拌60秒，接着浇筑，振捣成型，自然养护28天即得到高抗碳化性地聚合物。[0031]实施例2：

[0032]本实施例中高抗碳化性地聚合物制备过程如下：[0033]将0.08份改性多壁碳纳米管，0.08份分散剂置于4份水中，搅拌240s，然后置于400W 的功率下超声0.5小时，即得到均匀的混合溶液，接着将称量23份硅酸盐水泥，1份煅烧的偏高岭土，3份硅灰，1份改性赤泥，15份石英砂，倒入搅拌机搅拌150s得到混合料微粒A，然后将称量的44份改性城市固体废物燃烧底灰，4份固体氢氧化钠和5份硅酸钠粉末加入到马弗炉中(设定温度为750℃)煅烧2小时，冷却后过筛，得到地聚合物混合料 B，将混合料A和混合料B加入搅拌锅内搅拌120s，然后掺入上述步骤得到的4.16份混合溶液，接着搅拌120秒，得到混合料，接着搅拌60秒，接着浇筑，振捣成型，自然养护28天即得到高抗碳化性地聚合物。

[0034]对照组：将称量23份硅酸盐水泥，1份煅烧的偏高岭土，3份硅灰，1份改性赤泥， 15份石英砂，倒入搅拌机搅拌150s得到混合料微粒A，然后将称量的44份改性城市固体废物燃烧底灰，4份固体氢氧化钠和5份硅酸钠粉末加入到马弗炉中(设定温度为750℃) 煅烧2小时，冷却后过筛，得到地聚合物混合料B，将混合料A和混合料B加入搅拌锅内搅拌120s，然后掺入4份水，接着搅拌120秒，得到混合料，接着搅拌60秒，接着浇筑，振捣成型，自然养护28天即得到高抗碳化性地聚合物。[0035]实施例3：

[0036]本实施例中高抗碳化性地聚合物制备过程如下：[0037]将0.09份改性多壁碳纳米管，0.08份分散剂置于4份水中，搅拌300s，然后置于400W 的功率下超声0.6小时，即得到均匀的4.17份混合溶液，接着将称量23份硅酸盐水泥，1 份煅烧的偏高岭土，3份硅灰，1份改性赤泥，15份石英砂，倒入搅拌机搅拌150s得到混合料微粒A，然后将称量的44份改性城市固体废物燃烧底灰，4份固体氢氧化钠和5份硅酸钠粉末加入到马弗炉中(设定温度为800℃)煅烧2小时，冷却后过筛，得到地聚合物混合料B，将混合料A和混合料B加入搅拌锅内搅拌120s，然后掺入上述步骤得到的4.17 份混合溶液，接着搅拌150秒，得到混合料，接着搅拌90秒，接着浇筑，振捣成型，自然养护28天即得到高抗碳化性地聚合物。[0038]实施例4：

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本实施例中高抗碳化性地聚合物制备过程如下：

[0040]将0.08份改性多壁碳纳米管，0.08份分散剂置于4份水中，搅拌240s，然后置于400W 的功率下超声0.5小时，即得到均匀的4.16份混合溶液，接着将称量24份硅酸盐水泥，2 份煅烧的偏高岭土，4份硅灰，2份改性赤泥，15份石英砂，倒入搅拌机搅拌150s得到混合料微粒A，然后将称量的40份改性城市固体废物燃烧底灰，4份固体氢氧化钠和5份硅酸钠粉末加入到马弗炉中(设定温度为700℃)煅烧1小时，冷却后过筛，得到地聚合物混合料B，将混合料A和混合料B加入搅拌锅内搅拌120s，然后掺入上述步骤得到的4.16 份混合溶液，接着搅拌150秒，得到混合料，接着搅拌90秒，接着浇筑，振捣成型，自然养护28天即得到高抗碳化性地聚合物。[0041]实施例5：

[0042]本实施例中高抗碳化性地聚合物制备过程如下：[0043]将0.09份改性多壁碳纳米管，0.07份分散剂置于4份水中，，搅拌280s，然后置于 500W的功率下超声0.7小时，即得到均匀的4.16份混合溶液，接着将称量20份硅酸盐水泥，2份煅烧的偏高岭土，4份硅灰，1份改性赤泥，15份石英砂，倒入搅拌机搅拌150s 得到混合料微粒A，然后将称量的43份改性城市固体废物燃烧底灰，5份固体氢氧化钠和 6份硅酸钠粉末加入到马弗炉中(设定温度为700℃)煅烧1小时，冷却后过筛，得到地聚合物混合料B，将混合料A和混合料B加入搅拌锅内搅拌120s，然后掺入上述步骤得到的4.16份混合溶液，接着搅拌120秒，得到混合料，接着搅拌60秒，接着浇筑，振捣成型，自然养护28天即得到高抗碳化性地聚合物。

[0044]本发明采用国家“GB/T 50107‑2010”，“GB/T 50080‑20”和“GB/T 50082‑2009”标准，来对上述实施例所述材料进行了测试，其测试结果请见表1。[0045]表1高抗碳化性地聚合物的检测结果

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以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽些的，并且也

不局限于所纰漏的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更是显而易见的。

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