CN104973848A - 一种地质聚合物纤维增强混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地质聚合物纤维增强混凝土，包含如下组分：地质聚合物、混凝土再生骨料、碳纤维，其中地质聚合物为粉煤灰、矿渣、自燃煤矸石、碱性激活剂制成的胶凝材料。本发明公开的地质聚合物纤维增强混凝土充分利用了工业废弃资源，减少了环境破坏和污染，显著降低了产品的生产成本；同时所公开的产品具有优越的理化性能。

Description

一种地质聚合物纤维增强混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种混凝土，尤其涉及一种地质聚合物纤维增强混凝土，属于建筑材料领域。

背景技术

由于混凝土原材料取材方便、价格低廉、可模型好，混凝土材料在工业、民用及军事等工程建设中广为应用，导致国内外对混凝土的用量需求不断增加，由此也就导致了混凝土原材料——砂石和水泥的需求量日益增长。

众所周知，天然砂石的大量开采，给生态环境造成破坏，水泥生产过程中的粉尘和烟尘排放也会对环境造成污染。随着各国对污染物排放的限制越来越严格，水泥生产的环境成本将越来越高，持续攀高的环境成本迫使大型工业企业花大力气在产品节能和环保方面提高技术水平。与此同时，建筑业产生的废弃混凝土的数量也相当巨大。需要巨额的处理费，并且废弃混凝土的堆放或填埋将占用大量土地，还会造成环境污染。

为了减少混凝土原材料开采和生产带来的环境污染。亟需寻找代替水泥的材料和代替天然砂石的骨料，目前在这方面的研究主要是地质聚合物(Geopolymer)或者称为地聚物，以烧粘土(偏高岭土)或其它以硅、铝、氧为主要元素的硅铝质材料为主要原料，经适当的工艺处理，在较低温度条件下通过化学反应得到的一类具有特殊的无机缩聚三维氧化物网络结构的新型无机聚合物材料，它既具有比高分子材料、陶瓷、水泥和金属更好的性能，又具有原料来源广泛、工艺简单、能耗少、环境污染小等优点，是一种可持续发展的绿色环保材料，可应用于土木工程、交通工程等领域。尽管该产品具有诸多技术优势，但目前国内还没有大规模生产地质聚合物产品。

在减少天然砂石的开采方面，目前主要的研究方向是利用再生骨料混凝土，将废弃混凝土经过破碎、清洗、分级等工序，替代天然骨料配制成的新混凝土。已有的研究显示，该产品基本能满足普通混凝土的性能要求，应用于工程结构具有一定的可行的，但该产品目前尚未在工业上得到应用。

发明内容

申请人多年来对混凝土的替代和改善进行了深入研究，惊喜的发现将具有特定组成的地质聚合物与再生骨料结合作为混凝土材料，既可以减少天然砂石的开采，也可以减少水泥生产带来的污染，同时所得产品性能稳定，理化规格高，能够满足工程建设的需求。并且该混凝土产品便于生产，产品成本低。

具体地说，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种地质聚合物纤维增强混凝土，包含如下组分：地质聚合物、混凝土再生骨料、碳纤维，其中地质聚合物为粉煤灰、矿渣、自燃煤矸石、碱性激活剂制成的胶凝材料。

上述的增强混凝土，采用碱性激活剂将常见的、售价低廉的工业废弃物粉煤灰、矿渣、自燃煤矸石和混凝土再生骨料有机结合在一起形成胶凝材料，不仅充分利用了废弃资源，降低了生产能耗，减少环境破坏和污染，且所得胶凝材料具有良好的耐久性，提高了混凝土产品的早期强度，同时所用的碱性激活剂对混凝土再生骨料具有结构支撑强化作用，二者相互协同实现了混凝土产品耐高温、隔热好、耐久性好、抗核辐射性好、耐腐蚀性优良、早期强度高、渗透率低、不用湿养护等优点。

同时，加入碳纤维使得该增强混凝土相比一般的地质聚合物混凝土材料具有更高的抗拉强度和延性，以及更好的耐磨性、耐干缩性、抗渗性和抗化学腐蚀性能。

在本发明中，所用各成分的用量可根据实际需要进行灵活调整，优选采用如下组成：以质量份数计，各成分用量为地质聚合物4-5、混凝土骨料15-20、碳纤维0.04-0.1；在地质聚合物中，粉煤灰0.9-1.1、矿渣0.8-1.2、自燃煤矸石1.6-2.5、碱性激活剂0.7-1。

为了更好地对本发明的实现方式进行说明，在下述中申请人对各部分原料进行了详细说明。如下所进行的说明仅是示意性的。本领域技术人员不采用下述所提供的规格而采用本发明所限定的其它类型，同样属于本发明的保护范围。

其中，本发明所用的矿渣，指的是高炉炼铁熔融的矿渣在骤冷时来不及结晶而形成的玻璃态物质，呈细粒状。熔融的矿渣直接流入水池中冷却叫水淬矿渣，俗称水渣。本发明采用的矿渣为水淬高炉矿渣。将矿渣购买回来之后，进行磨细处理，优选其比表面积大于300m²/kg。

其中，本发明所用的粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣，由燃煤电厂等排放形成粉煤灰。通常从火力发电厂等产生粉煤灰的企业购买回一级粉煤灰，然后对粉煤灰的粒度进行检测或研磨处理，优选其比表面积大于300m²/kg。

其中，煤矸石是我国排放量最大的固体废弃物，自燃过后的煤矸石称为自燃煤矸石。如图1所示，显示了其加工过程：将运回的自燃煤矸石块体经过大锤式破碎机破碎，然后放入颚式破碎机中反复破碎至小颗粒，并过筛，选用其粒径小于0.16mm的粉体进行下一步操作，对于粒径大于0.16mm的颗粒，需继续放入颚式破碎机继续破碎。采用球磨机对粒径小于0.16mm的粉体进行研磨得到自燃煤矸石粉。优选本发明所用的自燃煤矸石粉比表面积大于300m²/kg。

其中，所用的碱性激活剂用来将上述成分有效结合在一起形成胶凝材料。所述碱性激活剂由在水玻璃里中加入氢氧化钠或氢氧化钾，二者的质量比为(2-2.5)∶1。

上述所用的氢氧化钠、氢氧化钾为分析纯级，或其至少纯度≥82％。

上述所用的水玻璃，模数不受到特别限制，一般而言，1-2之间均可，优选为1.5。

在本发明研发过程中，申请人在各种工业施工条件下对胶凝材料的性能进行了广泛测试，并基于矿渣、自燃煤矸石、水玻璃的掺量作为正交设计的三个因素进行正交试验，确定了矿渣-粉煤灰-自燃煤矸石地质聚合物的最优配比为：矿渣∶粉煤灰∶自燃煤矸石∶水玻璃∶氢氧化钠/氢氧化钾＝1∶1∶2∶0.56∶0.24。

在本发明中，相对于本领域目前所研究的采用单纯的再生细骨料掺入再生混凝土的缺陷进行了改进。已有的实验显示，单纯的再生细骨料掺入再生混凝土后，再生混凝土的强度和耐久性会有大幅度降低，使得其无法满足建筑应用要求，针对该问题，本申请发明人对此进行了深入研究。发现以再生粗骨料与天然砂相匹配所得的再生骨料级配良好。因此本发明的混凝土再生骨料由5～25mm再生粗骨料与天然砂复配而成，二者的用量份数分别为8-12、5-8。

上述5～25mm再生粗骨料的生产过程如图2所示，本领域技术人员也可采用其它机械进行生产。

其中，所用的碳纤维优选为短切碳纤维，单丝直径为7-10μm，短切长度控制在3～15mm，以保证其良好的结合性。

为了使各成分混合更加均匀，产品更易用，本发明的增强混凝土，还包含有辅料，所述辅料为分散剂和/或减水剂。

上述的分散剂、减水剂均为建筑材料领域常见辅料，可选择甲基纤维素、胶乳液和硅粉等分散剂，FDN高效减水剂等减水剂。

相应的，本发明还公开了所述增强混凝土的制备方法，包括如下步骤：

1)、氢氧化钠和/或氢氧化钾加入到水玻璃中配置成碱性激活剂，待用；

2)将碳纤维、矿渣、粉煤灰、自燃煤矸石混合在一起搅拌均匀；

3)将步骤2)的混合物、混凝土再生骨料、碱性激活剂加入到1/15-1/20的水中，搅拌均匀。

上述所称的1/15-1/20的水，指的是水的用量为其它所有成分质量之和的1/15-1/20。

进一步的，还包括在步骤2)中将碳纤维与分散剂预混合的步骤；在步骤3)中加入减水剂的步骤。

附图说明

图1为本发明所用自燃煤矸石粉的加工流程图；

图2为本发明所用再生粗骨料生产流程图。

具体实施方式

在下述实施中，申请人提供了若干实施例说明本发明产品的组成，仅用于说明本发明是如何实现的，而不对各成分的用量构成限制。本发明的保护范围还盖于其权利要求及其等同变换。

实施例1：各成分用量如下表1所示

表1：碳纤维地聚物再生混凝土的配合比

实施例2：各成分用量如下表2所示

表2：碳纤维地聚物再生混凝土的配合比

实施例3：各成分用量如下表3所示

表3：碳纤维地聚物再生混凝土的配合比

上述实施例所得产品，申请人对其性能进行了测试，其性能指标均满足相关建筑行业混凝土性能指标的国家标准要求，同时其性能不低于市面上在售的以水泥和砂石为主要成分的传统混凝土。具体的实验显示，其28天抗压强度不低于200MPa，拉压比不低于0.09，断裂性能和抗弯韧性显著高于传统水泥混凝土。

Claims (10)

1.一种地质聚合物纤维增强混凝土，其特征在于包含如下组分：地质聚合物、混凝土再生骨料、碳纤维，其中地质聚合物为粉煤灰、矿渣、自燃煤矸石、碱性激活剂制成的胶凝材料。

2.根据权利要求1的增强混凝土，其特征在于以质量份数计，各成分用量为地质聚合物4-5、混凝土骨料15-20、碳纤维0.04-0.1；在地质聚合物中，粉煤灰0.9-1.1、矿渣0.8-1.2、自燃煤矸石1.6-2.5、碱性激活剂0.7-1。

3.根据权利要求1的增强混凝土，其特征在于所述粉煤灰、矿渣、自燃煤矸石比表面积大于300m²/kg。

4.根据权利要求1的增强混凝土，其特征在于所述碱性激活剂为在水玻璃里中加入氢氧化钠或氢氧化钾，二者的质量比为(2-2.5)∶1。

5.根据权利要求1的增强混凝土，其特征在于所述混凝土再生骨料由5～25mm再生粗骨料与天然砂复配而成，二者的用量份数分别为8-12、5-8。

6.根据权利要求1的增强混凝土，其特征在于所述碳纤维为短切碳纤维，单丝直径为7-10μm，短切长度控制在3～15mm。

7.根据权利要求1的增强混凝土，其特征在于还包含有辅料，所述辅料为分散剂和/或减水剂。

8.权利要求1所述增强混凝土的制备方法，其特征在于包括如下步骤：1)、氢氧化钠和/或氢氧化钾加入到水玻璃中配置成碱性激活剂，待用；2)将碳纤维、矿渣、粉煤灰、自燃煤矸石混合在一起搅拌均匀；3)将步骤2)的混合物、混凝土再生骨料、碱性激活剂加入到1/15-1/20的水中，搅拌均匀。

9.根据权利要求8的制备方法，其特征在于还包括在步骤2)中将碳纤维与分散剂预混合的步骤。

10.根据权利要求8的制备方法，其特征在于还包括在步骤3)中加入减水剂的步骤。