PVA纤维增强的超高韧性地聚合物基复合材料及制备方法与流程

技术领域

本发明属于材料学领域，涉及一种建筑用复合材料，具体来说是一种PVA纤维增强的超高韧性地聚合物基复合材料及制备方法。

背景技术：

地聚合物是一种以无机[SiO₄]、[AlO₄]四面体为主要组成，具有空间三维网络状键接结构的新型无机硅铝质胶凝材料。与传统水泥基材料相比，其原材料来源广泛，且制备方便、能耗小、CO₂排放量低，同时具有快硬早强、高强、抗渗、抗冻、高韧、耐腐蚀、耐火以及固封重金属等优异性能，使其在工程上特别是抢修抢建工程得到了很好的应用。但是，由于地聚合物材料自身抗拉强度低、脆性大等固有弱点，在建设和使用过程中易出现不同程度和不同形式的裂缝，制约着这种材料的推广使用。

因此为了增强地聚合物材料的强度和韧性，Davidovits在1989年到1994年间分别用玻璃纤维、碳纤维和碳化硅纤维增韧地聚合物材料，使其抗弯强度分别达到了140MPa、175MPa、220MPa，尤其是用碳纤维增强的地聚合物复合材料，它在1000℃下不氧化不变形，力学性能基本稳定。D.M.Ryo于1976年采用热压工艺制得了孔隙率为2%，抗压强度为650MPa的类岩石胶凝体。意大利的科学家则把纤化聚丙烯网添加到地聚物材料中并成功制备轻质顶板；日本的镜美添加了PVA，制造了人造大理石。

但是由于地聚合物胶凝体系凝结、硬化机理与常见的硅酸盐水泥有着很大差别，在早期反应过程中许多因素都影响着该复合材料的强度，如：固体混合物中的硅铝比、碱激发剂含量和养护条件等。因此探寻该材料的最优配合比与最佳反应条件，对该复合材料的推广应用具有重要意义。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种PVA增强的超高韧性地聚合物基复合材料及制备方法，所述的这种PVA增强的超高韧性地聚合物基复合材料及制备方法要解决现有技术中的混凝土抗拉强度低、自重大、脆性大、控制裂缝的能力较差的技术问题。

本发明提供了一种PVA增强的超高韧性地聚合物基复合材料，由低钙粉煤灰、高钙粉煤灰、氢氧化钠、石英砂、硅酸钠、水、偏高岭土和聚乙烯醇纤维组成，各组份的重量份数如下：

低钙粉煤灰 542份；

高钙粉煤灰 136份；

石英砂 183~203份；

偏高岭土 0~20份；

水 160份；

氢氧化钠 38份；

硅酸钠 173份；

聚乙烯醇纤维 14~17份；

进一步的，所述的低钙粉煤灰粉为一级低钙粉煤灰粉，中位径(D50)为4.732µm。

进一步的，所述的高钙粉煤灰为一级高钙粉煤灰，中位径(D50)为19.45µm。

进一步的，所述的石英砂为30~100目的石英砂，最大粒径不超过0.6mm。

进一步的，所述的偏高岭土中位径（D50）为5.210µm。

进一步的，所述的氢氧化钠为纯度为98%颗粒状氢氧化钠。

进一步的，所述的硅酸钠为3.3模的液体硅酸钠。

进一步的，所述的聚乙烯醇纤维长度为12mm，直径为39μm，抗拉强度为1620MPa，弹性模量为42.8GPa。

本发明还提供了上述的一种PVA增强的超高韧性地聚合物基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)按照重量份数称取各反应物质；

2)将低钙粉煤灰、高钙粉煤灰、偏高岭土、石英砂加入到搅拌锅中，在公转62±5r/min，自转140±5r/min的条件下干搅2～4分钟至均匀；

3)将水、硅酸钠、氢氧化钠在一个反应容器中混合搅拌均匀制成碱激发剂；

4)将碱激发剂加入到步骤1）的搅拌锅中，在公转125±10r/min，自转285±10r/min的条件下搅拌3～5分钟；

5)加入聚乙烯醇纤维，再搅拌5~8分钟，直至纤维分散均匀，即得到所述的PVA纤维增强的超高韧性地聚合物基复合材料。

本发明将废弃的工业废渣粉煤灰在高韧性地聚合物基复合材料领域进行再利用，有效的消耗了工业废渣，并且降低了能源的消耗，在充分发挥工业废渣作用、解决粉煤灰对环境污染的问题，同时增加了超高韧性地聚合物基复合材料原料的来源，以便于更好地推广应用，减少了二氧化碳排放、减少环境污染。

本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明的PVA纤维增强的超高韧性地聚合物基复合材料具有以下有益效果：

1.材料性能好：

本发明的3d材料性能为：抗拉强度：2.2MPa，极限应变：6.8%；7d材料性能为：抗拉强度：3.7MPa，极限应变：6.4%；28d材料性能为：抗拉强度：3.7MPa，极限应变为5.2%。

2. 成本低：

本发明的PVA纤维增强的超高韧性地聚合物基复合材料，结合了地聚合物基复合材料的优点，在原料中添加了大量廉价的粉煤灰和偏高岭土，一方面能够利用碱激发反应生成性能稳定的聚合物，优化基体材料与聚乙烯醇纤维的粘结性能，保证了材料的高韧性，另一方面粉煤灰和偏高岭土来源更加广泛，降低了原材料的价格。实验证明，本发明的PVA增强的超高韧性地聚合物基复合材料具有超高韧性和强度，弥补了传统地聚合物基复合材料延展性差的缺点，从而便于地聚合物基复合材料在我国工程领域的推广应用。

附图说明

图1是实例1的粉煤灰与偏高岭土复掺的超高韧性地聚合物基复合材料的应力-应变与龄期关系对比示意图。

图2是实例1的粉煤灰与偏高岭土复掺的超高韧性地聚合物基复合材料单轴直接拉伸后的多缝开裂示意图。

具体实施方式

实施例1：

低钙粉煤灰：542份，高钙粉煤灰：136份，石英砂：182.7份，硅酸钠：173份，氢氧化钠：38份，水：160份，纤维：14份，偏高岭土：20.3份。

该配合比使用一级高钙粉煤灰、一级低钙粉煤灰和内蒙古产偏高岭土，将固体混合物加入到搅拌锅中，慢速（公转62±5 r/min，自转140±5 r/min）干搅3分钟至均匀。再将配好的碱激发剂溶于水加入搅拌锅，快搅（公转125±10 r/min，自转285±10 r/min）5分钟，加入所述比例的纤维，再搅拌6分钟，直至聚乙烯醇纤维分散均匀，即得到所述的PVA增强的超高韧性地聚合物基复合材料浆体，最后将浆体置入模具中成型，在80℃烘箱中养护2小时，再常温养护成型。

所述的细骨料由河砂筛分而成，最大粒径不超过0.6mm。所述的碱激发剂为纯度为98%的氢氧化钠与3.3模的硅酸钠配制而成。

3d材料性能如下：抗拉强度为2.2MPa，极限应变为6.8%；7d材料性能如下：抗拉强度为3.7MPa，极限应变为6.4%；28d材料的性能如下：抗拉强度为3.7MPa，极限应变为5.2%。

实施例2：

低钙粉煤灰：542份，高钙粉煤灰：136份，石英砂：203份，硅酸钠：173份，氢氧化钠：38份，水：160份，纤维：15.6份，偏高岭土：0份。

该配合比使用一级高钙粉煤灰、一级低钙粉煤灰，将固体混合物加入到搅拌锅中，慢速（公转62±5 r/min，自转140±5 r/min）干搅3分钟至均匀。再将配好的碱激发剂溶于水加入搅拌锅，快搅（公转125±10 r/min，自转285±10 r/min）5分钟，加入所述比例的纤维，再搅拌6分钟，直至聚乙烯醇纤维分散均匀，即得到所述的PVA增强的超高韧性地聚合物基复合材料浆体，最后将浆体置入模具中成型，在80℃烘箱中养护2小时，再常温养护成型。

所述的细骨料由河砂筛分而成，最大粒径不超过0.6mm。所述的碱激发剂为纯度为98%的氢氧化钠与3.3模的硅酸钠配制而成。

3d材料性能如下：抗拉强度为3.2MPa，极限应变为7.0%；7d材料性能如下：抗拉强度为3.6MPa，极限应变为5.4%；28d材料的性能如下：抗拉强度为4.5MPa，极限应变为4.7%。

实施例3：

低钙粉煤灰：542份，高钙粉煤灰：136份，石英砂：192.9份，硅酸钠：173份，氢氧化钠：38份，水：160份，纤维：17份，偏高岭土：10.2份。

该配合比使用一级高钙粉煤灰、一级低钙粉煤灰和内蒙古产偏高岭土，将固体混合物加入到搅拌锅中，慢速（公转62±5 r/min，自转140±5 r/min）干搅3分钟至均匀。再将配好的碱激发剂溶于水加入搅拌锅，快搅（公转125±10 r/min，自转285±10 r/min）5分钟，加入所述比例的纤维，再搅拌6分钟，直至聚乙烯醇纤维分散均匀，即得到所述的PVA增强的超高韧性地聚合物基复合材料浆体，最后将浆体置入模具中成型，在80℃烘箱中养护2小时，再常温养护成型。

所述的细骨料由河砂筛分而成，最大粒径不超过0.6mm。所述的碱激发剂为纯度为98%的氢氧化钠与3.3模的硅酸钠配制而成。

3d材料性能如下：抗拉强度为2.4MPa，极限应变为4.8%；7d材料性能如下：抗拉强度为5.1MPa，极限应变为5.1%；28d材料性能如下：抗拉强度为3.4MPa，极限应变为5.9%。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。