一种混杂纤维增韧的高延性地聚物材料及其制备方法

1.本发明涉及地聚物材料技术领域，尤其涉及一种混杂纤维增韧的高延性地聚物材料及其制备方法。

背景技术：

2.地聚物(geopolymer)一词最早由法国材料学家davidovits于1976年提出的一种新型碱激发无机胶凝材料。地聚物是由富含硅、铝质的固体粉末通过碱激发形成具有硅氧四面体和铝氧四面体组成的三维网状结构的无机高分子聚合物。已有研究表明，与硅酸盐水泥相比，地聚物具有高强、耐酸、表面硬度大、防火、热稳定性好，并能固化重金属等优点。尽管如此，地聚物混凝土是一种自重大的脆性材料且容易产生大量裂缝，不满足人们对新型材料使用的可持续、高性能的要求，限制了其在工程中的应用。
3.因此，制备一种同时具备强度高和延性高的地聚物材料，对于地聚物材料应用于实际工程具有重要意义。在nematollah(tensile strain hardening behavior of pva fiber-reinforced engineered geopolymer composite)研究中单独粉煤灰基地聚物中需要高温养护，并且单纤维增韧强度在48mpa(抗压)和4mpa(抗折)，延伸率在4％以下，而并且需要提前配置激发剂，主要缺点在于需要高温养护，强度不高，需要单独制备激发剂程序繁琐，且单一固废材料仅能解决一种固废的资源化利用问题。

技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有地聚物混凝土强度低、延性差的问题，提供了一种混杂纤维增韧的高延性地聚物材料及其制备方法。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
6.一种混杂纤维增韧的高延性地聚物材料，其特征在于：包括以下重量份的制备原料：粉煤灰30-40份；粒化高炉矿渣50-60份；钢渣粉20-30份；无水硅酸钠7-10份；细砂35-40份；钢纤维5-10份；聚乙烯纤维1-2份；水35-40份；
7.所述钢渣粉的平均粒径为10μm-50μm，优选钢渣粉的平均粒径为10.1μm-15.3μm；
8.所述pe纤维长度为15-18mm，直径为10-25μm；所述钢纤维长度为20-23mm的直径为0.1-0.5mm。
9.所述pe纤维的体积掺量为1-1.5％，所述钢纤维的体积掺量为0.5-1.5％，体积掺量指占整个地聚物材料的体积。
10.所述粉煤灰为f类i级粉煤灰，氧化钙含量为5％-8％；所述粒化高炉矿渣为s95矿粉，比表面积为400-500m2/kg；；所述固体碱激发剂为模数为1.4；细砂使用筛孔2mm筛孔筛分后的细砂。
11.所述细砂的堆积密度为0.4-0.5g/cm3，粒度范围为75-300μm。
12.上述混杂纤维增韧的高延性地聚物材料的制备方法，包括如下步骤:
13.(s1)原料称取：粉煤灰30-40份；粒化高炉矿渣50-60份；钢渣粉20-30份；无水硅酸
钠7-10份；细砂35-40份，混合后充分搅拌；
14.(s2)按重量份称取水35-40份，加入搅拌物，混合后充分搅拌；
15.(s3)称取聚乙烯纤维和钢纤维加入步骤s2搅拌均匀的浆料中，再搅拌5分钟，直至纤维分散均匀；
16.(s4)将搅拌好的料浆倒入模具，振动密实，24小时后拆模，覆膜养护3天后，可以揭开覆膜在室温状态下养护至28天，得到所述高延性地聚物材料。
17.与现有技术相比,本发明具有以下优点和有益效果:
18.本发明利用三种固废材料混合制备高延性地聚物，具有常温制备、强度高、耐久性好的优点，制备出的地聚物材料的极限延伸率为5％以上，是普通混凝土的200倍，28d抗压强度高于60mpa，显著高于普遍纯地聚物egc材料的抗压强度，解决了目前地聚物材料难以兼具韧性高和强度高两种力学性能的缺点。本发明配方中钢渣掺量较高，提升抗氯离子渗透性(耐久性的重要方面)，并且钢渣增加了材料的流动性，既提高了钢渣这种回收利用率固废的用量，又有利用地聚物egc材料性能的进一步提升，变废为宝。
19.在多次试验中流动度测试结果中得到结论，加入本专利推荐使用粒径的钢渣粉后，地聚物流动性大大提升，流动性从14cm增加到20cm，大大改善了混杂纤维尤其是聚乙烯纤维的分散性，提升材料的极限抗拉强度和延性。而本文中提到的钢渣粉掺量是根据钢渣掺量在30份以下时提升均质性、密实性和流动性，超过30份时，由于钢渣本身相对于矿渣粉和粉煤灰的惰性，会降低反应速率，损害材料强度。
20.本发明选择特殊尺寸和特定种类的两种纤维，尺寸一致、极限抗拉强度差距合适，使得二者在阻裂过程中产生对强度或延性有利的协同效应。
21.本发明制备方法用无水硅酸钠直接与原料混合的“一步法”制备工艺，不同于大部分需要事先混合激发剂与水后再加入干料的方式，省去了制备激发剂溶液的过程，更加简单便于实际工程操作，在常温养护下即能达到理想强度，利于材料强度和延性的提高。
22.本发明利用聚乙烯纤维和钢纤维及特定配方同时显著增强地聚物的强度与延性，作为耗能材料在工程中的应用，于抗震结构关键部位的梁、柱、墙以及梁柱节点等部位。本发明作为加固和修复材料在工程中的应用，高延性地聚物材料具有超高韧性和多缝开裂特性，使其在土木工程修复加固领域有着较广阔的应用空间。
附图说明
23.图1为本发明中实施例1的混杂纤维增韧高延性地聚物材料的28天应力应变曲线。从曲线可以看出该材料具有高延性混凝土的特性：高延性，较高的拉伸强度，以及特有的随着拉伸进行达到产生裂缝后，接着拉伸应力(强度)出现上升趋势，而非普通混凝土或普通纤维增韧混凝土的出现裂缝后拉伸应力(强度)下降。
具体实施方式
24.以下结合附图与具体实施例对本发明的技术方案作进一步地详细阐述。
25.实施例1
26.本实施例混杂纤维增韧的高延性地聚物材料，包括以下重量份的制备原料：粉煤灰30份；粒化高炉矿渣50份；钢渣粉20份；固体碱激发剂7份；细砂35份；钢纤维8份；聚乙烯
纤维2份；水35份；
27.所述钢渣粉的平均粒径为15.3μm，所述pe纤维长度为8-12mm，直径为20μm；所述钢纤维的直径为0.2mm。
28.所述粉煤灰为f类i级粉煤灰，氧化钙含量为5％-8％；所述粒化高炉矿渣为s95矿粉，比表面积为400-500m2/kg；；所述固体碱激发剂为模数为1.4；细砂的堆积密度为0.4-0.5g/cm3，粒度范围为75-300μm；
29.具体的制备方法为：
30.(1)按重量份称取粉煤灰30份，粒化高炉矿渣50份，钢渣粉20份，无水硅酸钠7份；砂子35份，倒入搅拌机中，低速搅拌1分钟，混合后充分搅拌；
31.(2)按重量份称取水35份，加入搅拌物，混合后充分搅拌。
32.(3)称取2份聚乙烯纤维和8份钢纤维加入步骤(2)搅拌均匀的浆料中，再搅拌5分钟，直至纤维分散均匀。
33.(4)将步骤(3)搅拌好的料浆倒入模具，振动密实，24小时后拆模，覆膜养护3天后，可以揭开覆膜在室温状态下养护至28天，即可得到高延性地聚物材料。
34.实施例2
35.本实施例混杂纤维增韧的高延性地聚物材料，包括以下重量份的制备原料：粉煤灰40份；粒化高炉矿渣60份；钢渣粉30份；固体碱激发剂10份；细砂40份；钢纤维10份；聚乙烯纤维2份；水40份。制备过程及材料种类选择同实施例1。
36.实施例3
37.本实施例混杂纤维增韧的高延性地聚物材料，包括以下重量份的制备原料：粉煤灰35份；粒化高炉矿渣55份；钢渣粉25份；固体碱激发剂7份；细砂38份；钢纤维8份；聚乙烯纤维1.5份；水38份。制备过程及材料种类选择同实施例1。
38.对比例1
39.本对比例的地聚物材料，制备及原料组成同实施例1，不同之处在于，本对比例中使用细砂20份，粗砂15份来代替35份细砂。制备过程及材料种类选择同实施例1。
40.对比例2
41.本对比例的地聚物材料，制备及原料组成同实施例1，不同之处在于，本对比例中不加入钢渣粉。制备过程及材料种类选择同实施例1。在不改变水加入量的情况下，不加钢渣粉导致流动性不好，进而影响纤维的分散性，延性大大降低。由于pe纤维又被称作人造棉花，分散性对其在地聚物中产生的效果影响很大，加入钢渣粉既解决了钢渣粉回收的问题，还进一步改善了pe纤维分散性。
42.对比例3
43.本对比例的地聚物材料，制备及原料组成同实施例1，不同之处在于，本对比例中不加入钢渣粉，并多加水保持流动性，水加到50份。制备过程及材料种类选择同实施例1。
44.在不加钢渣，改变水加入量后达到最佳例子的流动度，水的含量增加后，强度大大降低，因为含水量增加导致地聚物砂浆内空隙率增加。
45.对比例4
46.本对比例的地聚物材料，制备及原料组成同实施例1，不同之处在于，本对比例中的pe纤维替换成加入同尺寸1.5份的pva纤维。制备过程及材料种类选择同实施例1。
47.对比例5
48.本对比例的地聚物材料，制备及原料组成同实施例1，不同之处在于，本对比例中使用粒化高炉钢渣(平均粒径2.12mm)20份来代替实施例1的钢渣粉。制备过程及材料种类选择同实施例1。
49.对比例6
50.本对比例的地聚物材料，制备及原料组成同实施例1，不同之处在于，本对比例中使用大直径(d＝0.06mm)的聚乙烯纤维来代替实施例1的直径为20μm的聚乙烯纤维。制备过程及材料种类选择同实施例1。
51.对比例7
52.本对比例的地聚物材料，制备及原料组成同实施例1，不同之处在于，本对比例中使用大直径(d＝1mm)的大直径钢纤维来代替实施例1的直径为0.2mm的钢纤维。制备过程及材料种类选择同实施例1。
53.对比例8
54.本对比例的地聚物材料，制备及原料组成同实施例1，不同之处在于，本对比例中使用聚乙烯纤维6份来代替实施例1的聚乙烯纤维2份。制备过程及材料种类选择同实施例1。
55.对比例9
56.本对比例的地聚物材料，原料组成同实施例1，不同之处在于，本对比例在制备时，将无水硅酸钠和水在第二步中进行混合。
57.上述实施例及对比例所制备的地聚物材料均在常温下养护获得相应强度和延性，具体相关性能测试结果见表1。
58.表1
[0059][0060][0061]
表1为地聚物材料28d的性能检测结果，通过三元固废混合作用提升强度，同时使用聚乙烯纤维和钢纤维从微观和宏观的尺度提高地聚物材料的延性。如表1所示，本发明实施例所制备的地聚物材料具有强度高和高延性的特点，同时具有良好的工作性能。对比实
施例1和对比例6，当聚乙烯纤维达到6份，钢纤维掺量8份，此时纤维掺量过高，流动性极差抗压强度低。而和对比例5、对比例4相比，当选用过大直径的(d＝0.06)的聚乙烯纤维、大直径(d＝1mm)钢纤维时其抗压强度不能达到60mpa以上，且与对比例1相比，选择粗砂、中砂、细砂至少两种混合时，其强度也远低于本技术实施例的抗压强度抗拉强度。
[0062]
本配方主要加入惰性的钢渣后，流动性佳，强度提升，在混杂纤维的增韧下增加延性和抗压强度，避免了在碱激发下，矿渣粉和粉煤灰混合流动性差，对强度造成不利影响的弊端。
[0063]
本发明配方在混杂纤维的增韧下延性和抗压强度都有很大提升，抗压强度在60mpa以上，极限延伸率可达到5.0％，材料性能较为优异。
[0064]
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种混杂纤维增韧的高延性地聚物材料，其特征在于：包括以下重量份的制备原料：粉煤灰30-40份；粒化高炉矿渣50-60份；钢渣粉20-30份；无水硅酸钠7-10份；细砂35-40份；钢纤维5-10份；聚乙烯纤维1-2份；水35-40份；所述钢渣粉的平均粒径为10μm-50μm，优选钢渣粉的平均粒径为10.1μm-15.3μm；所述pe纤维长度为15-18mm，直径为10-25μm；所述钢纤维长度为20-23mm的直径为0.1-0.5mm。2.根据权利要求1所述的混杂纤维增韧的高延性地聚物材料，其特征在于：所述pe纤维的体积掺量为1-1.5％，所述钢纤维的体积掺量为0.5-1.5％。3.根据权利要求1所述的混杂纤维增韧的高延性地聚物材料，其特征在于：所述粉煤灰为f类i级粉煤灰，氧化钙含量为5％-8％；所述粒化高炉矿渣为s95矿粉，比表面积为400-500m2/kg；；所述固体碱激发剂为模数为1.4；细砂使用筛孔2mm筛孔筛分后的细砂。4.根据权利要求3所述的混杂纤维增韧的高延性地聚物材料，其特征在于：所述细砂的堆积密度为0.4-0.5g/cm3，粒度范围为75-300μm。5.根据权利要求1所述的混杂纤维增韧的高延性地聚物材料，其特征在于：所述高延性地聚物材料的极限延伸率为5％以上，28d抗压强度高于60mpa。6.权利要求1-5任一所述的混杂纤维增韧的高延性地聚物材料的制备方法，包括如下步骤:(s1)原料称取：粉煤灰30-40份；粒化高炉矿渣50-60份；钢渣粉20-30份；无水硅酸钠7-10份；细砂35-40份，混合后充分搅拌；(s2)按重量份称取水35-40份，加入搅拌物，混合后充分搅拌；(s3)称取聚乙烯纤维和钢纤维加入步骤s2搅拌均匀的浆料中，再搅拌5分钟，直至纤维分散均匀，即可得到高延性地聚物材料。(s4)将搅拌好的料浆倒入模具，振动密实，24小时后拆模，覆膜养护3天后，揭开覆膜在室温状态下养护至28天，得到所述高延性地聚物材料。

技术总结

本发明为一种混杂纤维增韧的高延性地聚物材料及其制备方法，包括以下重量份的制备原料：粉煤灰30-40份；粒化高炉矿渣50-60份；钢渣粉20-30份；无水硅酸钠7-10份；细砂35-40份；钢纤维5-10份；聚乙烯纤维1-2份；水35-40份；所述钢渣粉的平均粒径为10μm-50μm，优选钢渣粉的平均粒径为10.1μm-15.3μm；所述PE纤维长度为15-18mm，直径为10-25μm；所述钢纤维长度为20-23mm的直径为0.1-0.5mm。本发明利用三种固废材料混合制备高延性地聚物，具有常温制备、强度高、耐久性好的优点，制备出的地聚物材料的极限延伸率为5％以上，是普通混凝土的200倍，28d抗压强度高于60MPa，显著高于普遍纯地聚物EGC材料的抗压强度，解决了目前地聚物材料难以兼具韧性高和强度高两种力学性能的缺点。点。点。