一种高延性地质聚合物复合材料及其制备方法

1.本发明涉及建筑材料，具体涉及一种高延性地质聚合物复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.高延性水泥基复合材料(high ductility cementitious composites,简称hdcc)是一种以水泥、矿物掺合料、骨料、纤维和外加剂等为原材料制备的新型纤维增强水泥基材料。hdcc在单轴拉伸荷载作用下，极限延伸率超过0.5％，裂缝稳态扩展形成多缝开裂模式，且平均裂缝宽度通常小于100μm，可应用于桥面收缩连接板、修补加固、抗震构件、隧道衬砌、高层建筑连接梁等工程结构中，有效解决了普通混凝土的抗拉性差问题。然而，hdcc的水泥熟料用量高于普通混凝土2～3倍，增大了能源消耗和二氧化碳排放量。
3.cn112341053a公开了一种高延性地聚合物及其制备方法，其将粉煤灰、硅酸盐水泥、煅烧偏高岭土、硅粉、石英砂和激发剂等混合煅烧再拌和水及纤维制备，此方法工艺繁琐，未完全排除硅酸盐水泥的使用，再次煅烧能耗大，同时使用相对昂贵的石英砂也带来成本提高。另一方面，我国拆建固体建筑物过程中产生大量废弃混凝土和废砖，其中砖废弃量占建筑垃圾总量50％以上，而常规填埋会对环境造成污染。地质聚合物以工业废渣为主要原料，生产制备过程简单，单次粉磨，无需高温煅烧，可减少co2、有害气体的排放及避免石灰石、黏土等不可再生资源的消耗，能源消耗约为硅酸盐水泥的1/2～1/3。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的是提出一种低成本、环保型高延性地质聚合物复合材料，本发明的第二目的是提出一种工艺简单，能耗小的高延性地质聚合物复合材料的制备方法。
5.技术方案：本发明所述的高延性地质聚合物复合材料，以质量组分计，包括粉煤灰100～130份、矿渣粉0～30份、碱性激发剂66～76份、纤维2.5～3.1份、细砖砂10～40份、水40～56份；细砖砂采用废弃粘土砖、页岩砖、烧结煤矸石砖中的一种或多种，经破碎筛分制得。
6.其中，粉煤灰的类别为f类或c类，f类和c类不同的是组成氧化物含量有所差别，f类氧化钙低对延性好，c类氧化钙高对拉伸强度好。矿渣粉的类别为95级或105级，95级和105级同样是氧化物含量差异，105级氧化钙含量高对强度有利。本发明的配方简单，采用地质聚合物粉煤灰和矿渣粉进行碱性激发替代传统硅酸盐水泥作为胶材，以细砖砂作为再生集料替代石英砂，复合材料在拉伸性能上能够满足高延性复合材料的要求。细砖砂来源于建筑拆建的废弃砖，其他原料多为可再生资源，成本低；在拉伸性能上满足土木工程使用要求的同时，相比使用硅酸盐水泥和石英砂骨料，地质聚合物材料和细砖砂的加入，实现了建筑及工业废弃物的循环利用，避免了资源浪费和环境污染，绿色环保。
7.进一步地，上述高延性地质聚合物复合材料还包括河砂10～40份。本技术方案中，以河砂和细砖砂作为再生集料，河砂同样易得，成本低。
8.进一步地，河砂粒径为0.097～1.2mm，细度模数为1.34～1.40。
9.进一步地，细砖砂粒径为0.097～1.2mm，采用相对较粗的细砖砂有助于基体中弯曲裂纹扩展时不曲折且消耗较低能量，利于材料高延性的产生；细砖砂细度模数为1.48～1.54，饱和吸水率32％～38％，高吸水率多孔细砖砂的存在可以降低骨料与浆体界面过渡区密实度，基体断裂韧度得以控制，使得纤维能够大幅度提高基体的抗裂性、延性和多缝开裂性，有利于纤维桥联作用的充分发挥。
10.进一步地，碱性激发剂为液体水玻璃与氢氧化钠混合，模数范围为1.4～1.8，固体含量40％，使用前需冷却4小时以上。液体水玻璃与氢氧化钠混合激发剂中，模数不同，碱量和二氧化硅含量有较大差异，会影响拉伸强度和延性。
11.进一步地，纤维采用聚乙烯醇纤维，长度为8～12mm。该种聚乙烯醇纤维当量直径为24～39μm，极限伸长率为8～10％，弹性模量为30～32gpa，抗拉强度为1200mpa以上。
12.本发明还保护一种高延性地质聚合物复合材料的制备方法，包括如下步骤：
13.(1)按上述的份数称取原料；
14.(2)将粉煤灰、矿渣粉在搅拌机中干拌；
15.(3)加入碱性激发剂、水和润湿的细砖砂搅拌；
16.(4)加入纤维搅拌；
17.(5)装模具，24小时后拆模并在标准温度下密封养护28天。
18.其中，步骤(2)中，搅拌机转速为135～145转/分钟，搅拌时间1～2分钟；步骤(3)和(4)中，搅拌机转速为140～295转/分钟；步骤(3)中，搅拌时间2～3分钟；步骤(4)中，搅拌时间2～3分钟，使纤维均匀分散。
19.优选地，步骤(3)中，用饱和吸水率所需水量对细砖砂进行润湿至少30分钟。细砖砂提前润湿是为了防止干燥的细砖砂吸收激发剂，激发剂若被干燥细砖砂吸收将对粉煤灰和矿渣粉的反应不利。本发明的制备方法操作简单，不需要煅烧，能耗小。
20.进一步地，步骤(2)中，加入河砂，与粉煤灰及矿渣粉一同搅拌。
21.有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：(1)利用建筑废弃物及可再生资源作为原料，成本低，绿色环保；(2)制备方法简单，能耗小。
附图说明
22.图1是实施例1中复合材料的单轴受拉应力-应变曲线图；
23.图2是实施例2中复合材料的单轴受拉应力-应变曲线图；
24.图3是实施例3中复合材料的单轴受拉应力-应变曲线图；
25.图4是实施例4中复合材料的单轴受拉应力-应变曲线图。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
27.实施例1
28.(1)称量原料：c类粉煤灰125份，1.8模数碱性激发剂70份，水48.9份，河砂18.8份，废弃细粘土砖砂17.3份，纤维2.5份；
29.(2)将粉煤灰、砂在搅拌机中干拌1～2分钟，搅拌机叶片自转频率为140转/分钟；
30.(3)加碱性激发剂、水和润湿的细砖砂搅拌3分钟；先以140转/分钟搅拌1分钟，再以285转/分钟搅拌2分钟；
31.(4)加纤维搅拌2分钟，搅拌机叶片自转频率为285转/分钟；
32.(5)装模，待24小时后拆模，标准温度密封养护28天。
33.实施例2
34.(1)称量原料：f级粉煤灰100份，95级矿渣粉25份，1.4模数碱性激发剂74份，水55.2份，废弃细粘土砖砂35份，纤维2.7份；
35.(2)将粉煤灰、矿渣粉在搅拌机中干拌1～2分钟，搅拌机叶片自转频率为140转/分钟；
36.(3)加碱性激发剂、水和润湿的细砖砂搅拌3分钟；先以140转/分钟搅拌1分钟，再以285转/分钟搅拌2分钟；
37.(4)加纤维搅拌2分钟，搅拌机叶片自转频率为285转/分钟；
38.(5)装模，待24小时后拆模，标准温度密封养护28天。
39.实施例3
40.(1)称量原料：f级粉煤灰100份，95级矿渣粉25份，1.4模数碱性激发剂74份，水55.2份，废弃细页岩砖砂35份，纤维2.7份；
41.(2)将粉煤灰、矿渣粉在搅拌机中干拌1～2分钟，搅拌机叶片自转频率为140转/分钟；
42.(3)加碱性激发剂、水和润湿的细砖砂搅拌3分钟；先以140转/分钟搅拌1分钟，再以285转/分钟搅拌2分钟；
43.(4)加纤维搅拌2分钟，搅拌机叶片自转频率为285转/分钟；
44.(5)装模，待24小时后拆模，标准温度密封养护28天。
45.实施例4：
46.(1)称量原料：f级粉煤灰100份，95级矿渣粉25份，1.4模数碱性激发剂74份，水55.2份，废弃细烧结煤矸石砖砂35份，纤维2.7份；
47.(2)将粉煤灰、矿渣粉在搅拌机中干拌1～2分钟，搅拌机叶片自转频率为140转/分钟；
48.(3)加碱性激发剂、水和润湿的细砖砂搅拌3分钟；先以140转/分钟搅拌1分钟，再以285转/分钟搅拌2分钟；
49.(4)加纤维搅拌2分钟，搅拌机叶片自转频率为285转/分钟；
50.(5)装模，待24小时后拆模，标准温度密封养护28天。
51.实施例1与实施例2区别为激发剂模数、矿渣粉量及细砖砂量的使用；低模数激发剂碱度大、矿渣粉包含高氧化钙量及高掺量细砖砂提高纤维拔出时界面摩擦，导致了拉伸应力的提高及应变的降低。
52.实施例2、实施例3和实施例4区别为细砖砂的种类；因不同烧结砖砂中较细部分具有潜在活性，在作为集料的同时也可以与碱激发剂发生地质聚合反应，导致拉伸应力值的提高及应变的降低。