一种高延性纤维增强污泥‑粉煤灰基地聚合物复合材料及其制备方法与流程

本发明属于材料学领域，具体涉及一种高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料及制备方法。

背景技术：

地聚合物材料是最近30多年国际上水泥制造技术发展的一个方向，被公认为是本世纪最有前景的发展方向之一。地聚合物材料的水化反应完全不同于硅酸盐水泥的水化反应，它是一种无机聚合反应。地聚合物材料兼具有机高聚物、陶瓷及水泥的特点，在某些性能方面甚至可与金属材料相媲美，通过适当措施后可使地聚合物材料具有高强、高韧、低孔隙率等优异性能，而且地聚合物的制备不需要硅酸盐水泥那样高的温度，能耗远低于硅酸盐水泥，生产过程中也不会排放那么多的有害气体和粉尘，排放的二氧化碳量仅为生产硅酸盐水泥的五分之一，几乎无环境污染。地聚合物材料确实是一种高性能、低成本、高可靠性的环境友好材料，有望替代硅酸盐水泥，是一种可持续发展的胶凝材料。

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及形式的裂缝，制约着这种材料的推广使用。

另外，污泥是由水和污水处理过程所产生的固体沉淀物质，其成分非常复杂，含有无机矿物，同时含有很多病菌微生物、寄生虫(卵)、重金属及多种有毒有害有机污染物等，而且目前的所采用的处理方法均无法消除其对环境造成的二次污染。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料及其制备方法。

本发明提供了一种高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料，具有这样的特征，包括以下重量份的原料组分：

在本发明提供的高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料中，还可以具有这样的特征，原料组分的重量份数为：

在本发明提供的高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料中，还可以具有这样的特征：其中，低钙粉煤灰为i级低钙粉煤灰，该i级低钙粉煤灰的中位径为4.732μm。

在本发明提供的高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料中，还可以具有这样的特征：其中，高钙粉煤灰为i级高钙粉煤灰，该i级高钙粉煤灰的中位径为19.45μm。

在本发明提供的高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料中，还可以具有这样的特征：其中，石英砂的目数为30～100，粒径小于或等于0.6mm。

在本发明提供的高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料中，还可以具有这样的特征：其中，污泥经过900℃高温热活化处理。

在本发明提供的高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料中，还可以具有这样的特征：其中，氢氧化钠是纯度为99％的颗粒状氢氧化钠。

在本发明提供的高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料中，还可以具有这样的特征：其中，硅酸钠为3.3模的液体硅酸钠。

在本发明提供的高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料中，还可以具有这样的特征：其中，聚乙烯醇纤维的长度为12mm，直径为39μm，抗拉强度为1620mpa，弹性模量为42.8gpa。

本发明提供了一种高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，按重量份数称取488～542份低钙粉煤灰、122～136份高钙粉煤灰、203份石英砂和0～68份污泥加入到砂浆搅拌仪中，在公转速度为57～67r/min，自转速度为135～145r/min的条件下干搅2～4min，得到混合悬浊液ⅰ；

步骤二，按重量份数称取160份水、38份氢氧化钠和173份硅酸钠加入到烧杯中，搅拌均匀，得到碱激发剂；

步骤三，将碱激发剂加入到混合悬浊液ⅰ中，在公转速度为115～135r/min，自转速度为275～295r/min的条件下搅拌3～5min，得到混合悬浊液ⅱ；

步骤四，按重量份数称取14份聚乙烯醇纤维加入到混合悬浊液ⅱ，在公转速度为115～135r/min，自转速度为275～295r/min的条件下搅拌5～8min至聚乙烯醇纤维分散均匀，得到高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的一种高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料及其制备方法，结合了地聚合物及高延性纤维增强复合材料的优点，在原料中添加了大量廉价的粉煤灰和污泥，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，保证了材料的高延性，另一方面粉煤灰和污泥来源更加广泛，降低了原材料的价格，有效的消耗了工业废渣，并且降低了能源的消耗，将工业废渣资源化利用。

附图说明

图1是本发明的实施例二中高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料的应力-应变与龄期关系对比示意图；

图2是本发明的实施例二中一种成型的高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料(7d材料)拉伸后的多缝开裂示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。

<实施例一>

在实施例一中，高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料包括以下原料组分(按重量份计)：低钙粉煤灰：542份，高钙粉煤灰：136份，石英砂：203份，污泥：0份，水：160份，氢氧化钠：38份，硅酸钠：173份，聚乙烯醇纤维：14份。

低钙粉煤灰为i级低钙粉煤灰，该i级低钙粉煤灰的中位径为4.732μm。高钙粉煤灰为i级高钙粉煤灰，该i级高钙粉煤灰的中位径为19.45μm。石英砂的目数为30～100，粒径小于或等于0.6mm。污泥经过900℃高温热活化处理。氢氧化钠是纯度为99％的颗粒状氢氧化钠。硅酸钠为3.3模的液体硅酸钠。聚乙烯醇纤维的长度为12mm，直径为39μm，抗拉强度为1620mpa，弹性模量为42.8gpa。

步骤一，按重量份数称取542份低钙粉煤灰、136份高钙粉煤灰、203份石英砂和0份污泥加入到jj-5型砂浆搅拌仪中，在公转速度为57～67r/min，自转速度为135～145r/min的条件下干搅3min，得到混合悬浊液ⅰ。

步骤二，按重量份数称取160份水、38份氢氧化钠和173份硅酸钠加入到烧杯中，搅拌均匀，得到碱激发剂。

步骤三，将碱激发剂加入到混合悬浊液ⅰ中，在公转速度为115～135r/min，自转速度为275～295r/min的条件下搅拌5min，得到混合悬浊液ⅱ。

步骤四，按重量份数称取14份聚乙烯醇纤维加入到混合悬浊液ⅱ，在公转速度为115～135r/min，自转速度为275～295r/min的条件下搅拌6min至聚乙烯醇纤维分散均匀，得到高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料。

将高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料置入模具中成型，在80℃烘箱中养护2h，然后分别在常温下养护3d(天)、7d(天)和28d(天)，得到对应的3d材料、7d材料和28d材料。

本实施例中各材料的性能表征数据如下：3d材料的抗拉强度为2.0mpa，极限应变为4.6％；7d材料的抗拉强度为2.8mpa，极限应变为3.7％；28d材料的抗拉强度为4.5mpa，极限应变为4.6％。

<实施例二>

在实施例二中，高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料包括以下原料组分(按重量份计)：低钙粉煤灰：515份，高钙粉煤灰：129份，石英砂：203份，污泥：34份，水：160份，氢氧化钠：38份，硅酸钠：173份，聚乙烯醇纤维：14份。

低钙粉煤灰为i级低钙粉煤灰，该i级低钙粉煤灰的中位径为4.732μm。高钙粉煤灰为i级高钙粉煤灰，该i级高钙粉煤灰的中位径为19.45μm。石英砂的目数为30～100，粒径小于或等于0.6mm。污泥经过900℃高温热活化处理。氢氧化钠是纯度为99％的颗粒状氢氧化钠。硅酸钠为3.3模的液体硅酸钠。聚乙烯醇纤维的长度为12mm，直径为39μm，抗拉强度为1620mpa，弹性模量为42.8gpa。

步骤一，按重量份数称取515份低钙粉煤灰、129份高钙粉煤灰、203份石英砂和34份污泥加入到jj-5型砂浆搅拌仪中，在公转速度为57～67r/min，自转速度为135～145r/min的条件下干搅3min，得到混合悬浊液ⅰ。

步骤二，按重量份数称取160份水、38份氢氧化钠和173份硅酸钠加入到烧杯中，搅拌均匀，得到碱激发剂。

步骤三，将碱激发剂加入到混合悬浊液ⅰ中，在公转速度为115～135r/min，自转速度为275～295r/min的条件下搅拌5min，得到混合悬浊液ⅱ。

步骤四，按重量份数称取14份聚乙烯醇纤维加入到混合悬浊液ⅱ，在公转速度为115～135r/min，自转速度为275～295r/min的条件下搅拌6min至聚乙烯醇纤维分散均匀，得到高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料。

将高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料置入模具中成型，在80℃烘箱中养护2h，然后分别在常温下养护3d(天)、7d(天)和28d(天)，得到对应的3d材料、7d材料和28d材料。

图1是本发明的实施例二中高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料的应力-应变与龄期关系对比示意图，图2是本发明的实施例二中一种成型的高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料(7d材料)拉伸后的多缝开裂示意图。

本实施例中各材料的性能表征数据如图1和图2所示：3d材料的抗拉强度为3.5mpa，极限应变为5.2％；7d材料的抗拉强度为4.0mpa，极限应变为4.4％；28d材料的抗拉强度为3.5mpa，极限应变为4.3％。

<实施例三>

在实施例三中，高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料包括以下原料组分(按重量份计)：低钙粉煤灰：488份，高钙粉煤灰：122份，石英砂：203份，污泥：68份，水：160份，氢氧化钠：38份，硅酸钠：173份，聚乙烯醇纤维：14份。

低钙粉煤灰为i级低钙粉煤灰，该i级低钙粉煤灰的中位径为4.732μm。高钙粉煤灰为i级高钙粉煤灰，该i级高钙粉煤灰的中位径为19.45μm。石英砂的目数为30～100，粒径小于或等于0.6mm。污泥经过900℃高温热活化处理。氢氧化钠是纯度为99％的颗粒状氢氧化钠。硅酸钠为3.3模的液体硅酸钠。聚乙烯醇纤维的长度为12mm，直径为39μm，抗拉强度为1620mpa，弹性模量为42.8gpa。

步骤一，按重量份数称取488份低钙粉煤灰、122份高钙粉煤灰、203份石英砂和68份污泥加入到jj-5型砂浆搅拌仪中，在公转速度为57～67r/min，自转速度为135～145r/min的条件下干搅3min，得到混合悬浊液ⅰ。

步骤二，按重量份数称取160份水、38份氢氧化钠和173份硅酸钠加入到烧杯中，搅拌均匀，得到碱激发剂。

步骤三，将碱激发剂加入到混合悬浊液ⅰ中，在公转速度为115～135r/min，自转速度为275～295r/min的条件下搅拌5min，得到混合悬浊液ⅱ。

步骤四，按重量份数称取14份聚乙烯醇纤维加入到混合悬浊液ⅱ，在公转速度为115～135r/min，自转速度为275～295r/min的条件下搅拌6min至聚乙烯醇纤维分散均匀，得到高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料。

将高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料置入模具中成型，在80℃烘箱中养护2h，然后分别在常温下养护3d(天)、7d(天)和28d(天)，得到对应的3d材料、7d材料和28d材料。

本实施例中各材料的性能表征数据如下：3d材料的抗拉强度为2.6mpa，极限应变为5.1％；7d材料的抗拉强度为3.5mpa，极限应变为2.7％；28d材料的抗拉强度为5.7mpa，极限应变为2.2％。

实施例的作用与效果

由实施例一和实施例二可知，污泥的重量份数为0时制备的3d材料和7d材料的抗拉强度和极限应变均低于污泥的重量份数为34份时制备的3d材料和7d材料的抗拉强度和极限应变，表明污泥的加入提高了地聚合物的抗拉强度和极限应变。但是，污泥的重量份数为0时制备28d材料的抗拉强度要优于污泥的重量份数为34份时制备的28d材料的抗拉强度，两者的极限应变基本一致，一方面表明常温下养护时间越长得到的成型的高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料的性能不一定越好，另一方面表明污泥的加入可以缩短制备成型的高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料的时间，并且提高了其抗拉强度和极限应变。

由实施例一和实施例三可知，污泥的重量份数为0时制备的3d材料的抗拉强度和极限应变以及7d材料和28d材料的抗拉强度均低于污泥的重量份数为68份时制备的3d材料的抗拉强度和极限应变以及7d材料和28d材料的抗拉强度，表明污泥的加入提高了地聚合物的抗拉强度和极限应变。但是，污泥的重量份数为0时制备7d和28d材料的极限应变要优于污泥的重量份数为68份时制备的7d和28d材料的极限应变，表明污泥的加入可以缩短制备成型的高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料的时间，并且提高了其抗拉强度和极限应变。

由实施例二和实施例三可知，污泥的重量份数为68时制备的3d材料的和7d材料的抗拉强度和极限应变以及28d的极限应变均低于污泥的重量份数为34份时制备的3d材料和7d材料的抗拉强度和极限应变以及28d的极限应变，表明过量的污泥的加入不能再次提高地聚合物的抗拉强度和极限应变。

根据实施例所涉及的一种高延性纤维增强污泥-粉煤灰基地聚合物复合材料及其制备方法，结合了地聚合物及高延性纤维增强复合材料的优点，在原料中添加了大量廉价的粉煤灰和污泥，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，保证了材料的高延性，另一方面粉煤灰和污泥来源更加广泛，降低了原材料的价格，有效的消耗了工业废渣，并且降低了能源的消耗，将工业废渣资源化利用。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

在实施例一至实施例三中，低钙粉煤灰分别为542份、515份和488份(按重量份数计)，高钙粉煤灰：136份、129份和122份(按重量份数计)，污泥：0份、34份和68份(按重量份数计)，步骤一中的干搅时间为3min，第三步骤中的搅拌时间为5min，第四步骤中的搅拌时间为6min，但在本发明中，低钙粉煤灰还可以为分别为488～542份(按重量份数计)，高钙粉煤灰：122～136份(按重量份数计)，污泥：0～68份，步骤一中的干搅时间还可以为2～4min，第三步骤中的搅拌时间还可以为3～5min，第四步骤中的搅拌时间还可以为5～8min。