一种钢渣改性高延性地聚物复合材料、制备方法及其应用

本发明属于建筑材料，尤其涉及一种钢渣改性高延性地聚物复合材料、制备方法及其应用。

背景技术：

1、钢渣是炼钢过程中生铁中的杂质氧化产生的副产品，占粗钢产量的8％至15％，由于钢渣的产量逐年增加，对环境造成了一定的污染，同时影响人类健康。目前钢渣的回收利用方式之一是作为冶炼的原材料，二是作为建筑原材料进行资源化利用。徐彬等采用水玻璃激发钢渣胶凝材料，制得了强度等级为42.5～52.5级的钢渣矿渣复合胶凝材料，而水玻璃的模数对其作为激发剂的作用效果影响较大，大量研究表明，模数为1.25～1.5的水玻璃的激发效果最佳，能发挥其最佳的激发效果和骨架网络结构；janotka等以铝硅酸钾或铝硅酸钠为激发剂，制备出了一种较高早期强度的无熟料钢渣矿渣复合胶凝材料；hu等的研究表明，加入钢渣能够提高碱活化修复材料的耐磨性；song等发现将钢渣加入粉煤灰基的地聚物混凝土中，能够显著提升混凝土的流动性，但是相应的也导致了一部分抗压强度的损失。可以看到，将钢渣作为地聚物的活性材料，通过碱溶液激发钢渣活性，可以减少钢渣水化活性不足带来的负面影响，但是目前钢渣作为地聚物胶凝材料的研究还很少见，因此针对钢渣的再利用并不充分的问题，有必要对钢渣的在建筑材料领域的应用进行更多研究，拓展钢渣的再利用途径。

2、建筑行业对混凝土性能的要求逐渐扩展，不仅关注传统的机械强度和耐久性，而且关注断裂、压缩等其他特性。工程地聚物基复合材料(egc)由于同时具备工程水泥基复合材料高拉伸延展的特性以及地聚物混凝土环保的优点，受到越来越多的关注。使用钢渣可以提高混凝土的强度和耐久性，但是将钢渣应用于地聚物复合材料中尚未充分研究。为此，本发明提出了一种钢渣改性高延性地聚物复合材料、制备方法及其应用。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种钢渣改性高延性地聚物复合材料、制备方法及其应用，本发明通过设计钢渣、粉煤灰、矿渣的配比，得到高延性的地聚物复合材料，解决了现有地聚物钢渣混凝土强度低、抗拉性能差、断裂性能差等问题，同时拓宽了钢渣的再利用途径。

2、为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、本发明提出了一种钢渣改性高延性地聚物复合材料，以钢渣、矿渣和粉煤灰为胶凝材料，所述胶凝材料在地聚物复合材料中的添加量为60wt％，所述胶凝材料中钢渣质量占比0～30％，矿渣质量占比20～50％，粉煤灰质量占比50～80％。

4、进一步地，每立方米钢渣改性高延性地聚物复合材料中，还包含220～290kg石英粉，475～525kg碱激发剂，12～26kg缓凝剂，70～90kg水以及17.0～19.4kg pe纤维。

5、作为优选，每立方米钢渣改性高延性地聚物复合材料中，还包含251.46kg石英粉，503.02kg碱激发剂，12.6kg缓凝剂，75.42kg水以及19.4kg pe纤维。

6、进一步地，所述胶凝材料中钢渣质量占比10％～17.5％，矿渣质量占比32.5％～37.5％，粉煤灰质量占比50％～55％。

7、钢渣的加入能够打散团聚的矿渣和粉煤灰，增大比表面积，使得更多活性物质能够溶解，增加反应活性，钢渣本身含有较高的cao，能够促进c-a-s-h凝胶的形成，增加基体强度。矿渣的高反应活性能够带来更加致密的基体，增加了基体和纤维之间的粘结力，减弱了纤维的拔出效果。矿渣的活性要高于钢渣和粉煤灰，基体中的凝胶主要由矿渣的活化反应来提供，当矿渣含量减少的时候，基体的凝胶性能也将减少，从而导致地聚物复合材料强度的下降。钢渣的加入增大了纤维和基体之间的空隙，让裂缝扩展直至失稳的过程中，纤维以拔出破坏模式为主，通过纤维的拔出，消耗更多的能量，带来更好的延性。

8、进一步地，所述钢渣的粒径为3～110μm，d50为7.5μm，所述矿渣的粒径为7～10μm，所述粉煤灰的粒径为10～16μm。

9、进一步地，所述碱激发剂由naoh溶液和na2sio2溶液组成，所述碱激发剂中naoh溶液和na2sio2溶液的质量比为0.4～0.6∶1，所述naoh溶液的浓度为10～14mol/l，na2sio2溶液的模数为2.0～2.5。更优选的，碱激发剂由质量比为0.5∶1的naoh溶液和na2sio2溶液组成，其中naoh溶液的浓度为10mol/l，na2sio2溶液的模数为2.3。

10、进一步地，所述pe纤维的直径为12～24μm，长度≥12mm，长径比为700～1000，弹性模量≥100gpa，抗拉强度≥3000mpa。更优选的，pe纤维直径为12μm，长度为12mm，长径比为1000，弹性模量为110gpa，抗拉强度为3000mpa；缓凝剂为bacl2。

11、进一步地，所述缓凝剂包括bacl2、蔗糖化钙和葡萄糖酸钠中的一种或几种。更优选的，所述缓凝剂为bacl2。

12、本发明还提出了一种所述钢渣改性高延性地聚物复合材料的制备方法，包括以下步骤：

13、按质量配比称取各原料，将钢渣、矿渣、粉煤灰、石英粉和缓凝剂混合，得到混合干料，将碱激发剂加入所述混合干料中低速搅拌，之后加入水继续搅拌得到混合浆体，在所述混合浆体中加入pe纤维，在低速下搅拌，得到所述钢渣改性高延性地聚物复合材料。

14、进一步地，所述pe纤维分2次加入，每次加入1/2，每次加入的时间为2～4min。

15、本发明还提出了所述钢渣改性高延性地聚物复合材料在建筑行业中的应用。

16、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

17、本发明通过单一质心法，确定了胶凝材料中矿渣占比控制在32.5％～37.5％，粉煤灰占比控制在50％～55％，钢渣粉的占比控制在10％～17.5％，按照本发明提出的方法制备的钢渣改性高延性地聚物复合材料拉伸强度大于8mpa，拉伸应变大于7％，抗压强度大于100mpa，断裂能大于9500j/m2，本发明能够充分利用钢渣粉、钢渣、pe纤维等材料的特性及优点，使混凝土材料具有较高的力学性能、工作性能，更具经济环保价值。

技术特征：

1.一种钢渣改性高延性地聚物复合材料，其特征在于，以钢渣、矿渣和粉煤灰为胶凝材料，所述胶凝材料在地聚物复合材料中的添加量为60wt％，所述胶凝材料中钢渣质量占比0～30％，矿渣质量占比20～50％，粉煤灰质量占比50～80％。

2.根据权利要求1所述的钢渣改性高延性地聚物复合材料，其特征在于，每立方米钢渣改性高延性地聚物复合材料中，还包含220～290kg石英粉，475～525kg碱激发剂，12～26kg缓凝剂，70～90kg水以及17.0～19.4kg pe纤维。

3.根据权利要求1所述的钢渣改性高延性地聚物复合材料，其特征在于，所述胶凝材料中钢渣质量占比10％～17.5％，矿渣质量占比32.5％～37.5％，粉煤灰质量占比50％～55％。

4.根据权利要求1所述的钢渣改性高延性地聚物复合材料，其特征在于，所述钢渣的粒径为3～110μm，d50为7.5μm，所述矿渣的粒径为7～10μm，所述粉煤灰的粒径为10～16μm。

5.根据权利要求2所述的钢渣改性高延性地聚物复合材料，其特征在于，所述碱激发剂由naoh溶液和na2sio2溶液组成，所述碱激发剂中naoh溶液和na2sio2溶液的质量比为0.4～0.6∶1，所述naoh溶液的浓度为10～14mol/l，na2sio2溶液的模数为2.0～2.5。

6.根据权利要求2所述的钢渣改性高延性地聚物复合材料，其特征在于，所述pe纤维的直径为12～24μm，长度≥12mm，长径比为700～1000，弹性模量≥100gpa，抗拉强度≥3000mpa。

7.根据权利要求2所述的钢渣改性高延性地聚物复合材料，其特征在于，所述缓凝剂包括bacl2、蔗糖化钙和葡萄糖酸钠中的一种或几种。

8.一种权利要求1～7任一项所述钢渣改性高延性地聚物复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的钢渣改性高延性地聚物复合材料的制备方法，其特征在于，所述pe纤维分2次加入，每次加入1/2，每次加入的时间为2～4min。

10.权利要求1～7任一项所述钢渣改性高延性地聚物复合材料在建筑行业中的应用。

技术总结
本发明提出了一种钢渣改性高延性地聚物复合材料、制备方法及其应用，属于建筑材料技术领域。本发明的钢渣改性高延性地聚物复合材料以钢渣、矿渣和粉煤灰为胶凝材料，所述胶凝材料在地聚物复合材料中的添加量为60wt％，通过单一质心法确定胶凝材料中矿渣占比应该控制在32.5％～37.5％，粉煤灰占比应控制在50％～55％，钢渣的占比应该控制在10％～17.5％。本发明通过设计钢渣、粉煤灰、矿渣的配比，得到高延性的地聚物复合材料，解决了现有地聚物钢渣混凝土强度低、抗拉性能差、断裂性能差等问题，同时拓宽了钢渣的再利用途径。

技术研发人员：郭永昌,潘宏树,林嘉祥,江振兴,陈展标
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16