CN106699099A - 聚丙烯纤维增强碱矿渣胶凝材料 - Google Patents

Abstract

一种聚丙烯纤维增强碱矿渣胶凝材料。较粗钢纤维则由于体积过大，受拉实验时，会出现较粗钢纤维拔出的现象。一种聚丙烯纤维增强碱矿渣胶凝材料，矿渣化学成分包括：二氧化硅36.9%，氧化铝15.66%，氧化钙37.57%，氧化镁9.3%，氧化铁0.36%；活性指标：质量系数为1.69，碱性系数为0.97，活度系数为0.42，采用M=1.0与M=2.0两种模数的钾水玻璃，质量分数≥96.0%的氢氧化钠，弹性模量为42GPa的聚丙烯纤维，自来水；掺入聚丙烯纤维的碱矿渣胶凝材料胶砂件的抗压及抗折的强度随着养护时间的延长而提高，而对于碱12%，水用量35%的抗折强度，加入聚丙烯纤维有提升效果，本发明可用于聚丙烯纤维增强碱矿渣胶凝材料制备。

Description

聚丙烯纤维增强碱矿渣胶凝材料

技术领域：

本发明涉及一种聚丙烯纤维增强碱矿渣胶凝材料。

背景技术：

在碱矿渣胶凝材料基体胶砂件抗折试验时，当达到最大破坏荷载的时候，试件突然折断，断面光滑平整，并伴有较大断裂声。碱矿渣胶凝材料脆性大，几乎没有延性特征，没有屈服阶段，直接发生破坏。

从碱矿渣胶凝材料微观形态分析无论是稻杆、麦秆、玉米秆，还是较粗钢纤维，都与基体紧密结合，并且过渡区完整且紧密，其中，较粗钢纤维则由于体积过大，受拉实验时，会出现较粗钢纤维拔出的现象。

为解决碱矿渣胶凝材料脆性大的问题，参考土坯墙的做法在土坯体中掺入一些聚丙烯纤维来提高其延性，试验中考虑向碱矿渣胶凝材料中掺入聚丙烯纤维来改善其脆性大的缺点。

发明内容：

本发明的目的是提供一种聚丙烯纤维增强碱矿渣胶凝材料。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

聚丙烯纤维增强碱矿渣胶凝材料，矿渣化学成分包括：二氧化硅36.9% ，氧化铝15.66%，氧化钙37.57 % ，氧化镁9.3% ，氧化铁0.36%；活性指标：质量系数为1.69 碱性系数为0.97 活度系数为0.42，采用M=1.0与M=2.0两种模数的钾水玻璃，质量分数≥96.0 %的氢氧化钠，弹性模量为42GPa的聚丙烯纤维，自来水；

制备过程包括如下步骤：首先调节水玻璃模数，然后按比例称量水玻璃与氢氧化钠，将氢氧化钠缓慢倒入水玻璃中，并用玻璃棒搅拌至无明显絮状物，静置1.5h直至混合物完全放热。将称量好的矿渣倒入搅拌锅，倒入调整好模数的水玻璃搅拌1min，加入称量后的水，再搅拌5~8min，将称量好的聚丙烯纤维放入搅拌锅，再搅拌1min，然后将搅拌好的材料倒入模具中，再放在混凝土振动台上震荡，至表面平整，无气泡逸出；待试件表面结硬时用保鲜膜包裹住以防止试件表面开裂，将试件放入恒温恒湿养护箱中养护；24h后拆除模具，将试件放入恒温恒湿养护箱中养护。

本发明的有益效果：

1.本发明聚丙烯纤维单位体积最小，相较于其他纤维（稻杆、麦秆、玉米秆，较粗钢纤维）与基体结合最为紧密，受力时，麦秆与较粗钢纤维被拔出，而聚丙烯纤维完全嵌入到基体中，可以看出，聚丙烯纤维会对基体延性有极大提高。

本发明掺入聚丙烯纤维的碱矿渣胶凝材料胶砂件的抗压及抗折的强度，随着养护时间的延长而提高。而对于碱12%，水用量35%的抗折强度，加入聚丙烯纤维有提升效果，并且随着养护天数的增加，加入聚丙烯纤维的碱矿渣胶凝材料与无任何纤维的碱矿渣胶凝材料基体相比，有明显提升。

本发明中聚丙烯纤维与麦秆、稻杆一样，具有自重小，质量轻的特点，但是相同掺量的情况下，其体积最大，在胶砂件中所占比例最大，并且由于其很容易在胶砂件中分布均匀，且聚丙烯纤维弹性模量大，材料的延性提高较明显，在进行完抗压抗折试验后，胶砂件虽有裂缝但裂缝微小可自闭合，且整体形态基本保持完整，材料已出现明显的延性特征。

附图说明：

附图1是本发明基体试件抗折强度随养护龄期的变化曲线示意图。

其中：A是指碱含量14%，水胶比0.3的碱矿渣胶凝材料的抗折强度曲线图。B是指碱含量12%，水用量35%的碱矿渣胶凝材料的抗折强度曲线图。

附图2是本发明掺入聚丙烯纤维胶砂件抗压强度变化示意图。

附图3是本发明掺入聚丙烯纤维胶砂件抗折强度变化示意图。

附图4是本发明加入不同纤维胶砂件抗压强度。

附图5是本发明麦秆纤维微观形态示意图。

附图6是本发明玉米秆纤维微观形态示意图。

附图7是本发明稻秆纤维微观形态示意图。

附图8是本发明聚丙烯纤维微观形态示意图。

附图9是本发明较粗钢纤维微观形态示意图。

附图10是本发明在200℃后试件中聚丙烯纤维扫面电镜图。

附图11是本发明在400℃后试件中聚丙烯纤维扫面电镜图。

附图12是本发明在600℃后试件中聚丙烯纤维扫面电镜图。

附图13是本发明在800℃后试件中聚丙烯纤维扫面电镜图。

具体实施方式：

实施例1：

一种聚丙烯纤维增强碱矿渣胶凝材料及其制备方法，该方法包括如下步骤：

（1）原材料及配比：

矿渣化学成分主要有：二氧化硅36.9% ，氧化铝15.66% ，氧化钙37.57 % ，氧化镁9.3%，氧化铁0.36%。活性指标主要为：质量系数为1.69 碱性系数为0.97 活度系数为0.42。本试验主要采用M=1.0与M=2.0两种模数的钾水玻璃，质量分数≥96.0 %的氢氧化钠，弹性模量为42GPa的聚丙烯纤维，自来水。

（2）检测用试件尺寸确定：

采用40mm×40mm×160mm的抗压抗折试件，抗折试验采用40mm×40mm×160mm的试件，试件折断后测量试件的抗压强度。

立方体抗压试件采用100mm×100mm×100mm立方体试件，测定立方体抗压强度。

（3）试验设备

MP51001型电子天平；JJ-5型行星式水泥胶砂搅拌机；100mm×100mm×100mm三联塑料模，40mm×40mm×160mm受压胶砂件模具和哑铃型受拉件模具；4YAW-300型全自动压折试验机，；YH-40B型水泥恒温恒湿养护箱。

（4）操作过程

首先调节水玻璃模数，然后按比例称量水玻璃与氢氧化钠，将氢氧化钠缓慢倒入水玻璃中，并用玻璃棒搅拌至无明显絮状物，静置1.5h直至混合物完全放热。将称量好的矿渣倒入搅拌锅，倒入调整好模数的水玻璃搅拌1min，加入称量后的水，再搅拌5~8min，将称量好的聚丙烯纤维放入搅拌锅，再搅拌1min，然后将搅拌好的材料倒入模具中，再放在混凝土振动台上震荡，至表面平整，无气泡逸出。待试件表面结硬时用保鲜膜包裹住以防止试件表面开裂，将试件放入恒温恒湿养护箱中养护。24h后拆除模具，将试件放入恒温恒湿养护箱中养护。

实施例2：

钾水玻璃主要参数如表1所示，碱矿渣胶凝材料配合比参数如表2所示。

表1 钾水玻璃主要参数

水玻璃参数

表2 碱矿渣胶凝材料配合比

实验数据及分析

碱矿渣胶凝材料基体胶砂件抗折强度：

用以上方法测得40mm×40mm×160mm胶砂件的抗折强度，养护龄期分别为3d、7d、28d。采用两种较优配合比的胶砂件来研究其抗折强度的变化规律，第一种是以矿渣为原料、模数1.0的钾水玻璃为碱性激发剂、碱含量14%、水胶比0.3；第二种是以矿渣为原料、模数1.0的钾水玻璃来作为碱性激发剂、碱含量12%、水用量占矿渣35%。其中一个比例、一个养护龄期测三个试件的抗折强度，共需测18个试件的强度。具体实验数据见表3。

从表3中数据可以看到：碱矿渣胶凝材料胶砂件在常温条件下的抗折强度随着养护龄期的增长也逐渐提高；碱含量14%、水胶比0.3的胶砂件强度前期增长较慢，后期较快；碱含量12%、水用量35%的胶砂件强度前期增长较慢，后期较快；3d、7d时，碱含量14%，水胶比0.3的胶砂件的抗折强度分别为28d时抗折强度的45%、60%；3d、7d时，碱含量12%，水用量35%的胶砂件的抗折强度分别为28d时抗折强度的50%、75%；28d时，碱含量14%，水胶比0.3的胶砂件强度比碱含量12%，水用量35%的胶砂件强度略高。

表3碱矿渣胶凝材料基体胶砂件抗折强度 MPa

聚丙烯增强碱矿渣胶凝材料：

试验选择的聚丙烯纤维弹性模量为42GPa, 聚丙烯纤维由于结晶程度较高，而这种材料的表面刚度与抗划痕特性也很好。为了研究聚丙烯纤维对碱矿渣胶凝材料的影响，本次试验选取基体材料试件与加入聚丙烯纤维的试件进行对比分析。

由表4、表5可以看出，选择钾水玻璃，水玻璃模数M=1.0，碱含量为14%，水胶比为0.3的胶砂件和碱含量为12%，水用量为35 %的胶砂件，在养护条件与天数相同时，加入聚丙烯纤维的试件，相对于基体来说抗折强度与抗压强度略有降低。但由试验现象可知，抗折加入聚丙烯纤维的后试件裂而不断，延性明显提高。

表4 掺入聚丙烯纤维胶砂件抗压强度 MPa

表5 掺入聚丙烯纤维胶砂件抗折强度 MPa

不同纤维对碱矿渣胶凝材料的影响

为了研究不同纤维对碱矿渣胶凝材料的影响，依然采用控制变量的方法，选取使用钾水玻璃、水玻璃模数M=1.0、碱含量为14%、水胶比为0.3并且不同纤维掺入量均为1%试件进行测试。试验数据如表所示：

由表6、表7可以看出，在其他条件相同时，三种纤维中，掺入较粗钢纤维的试件抗折强度最高，掺入聚丙烯纤维试件抗压强度最高。抗折试验过程中，加入不同纤维的胶砂件往往裂而不断，且从断面可以看出加入麦秆，较粗钢纤维的胶砂件与基体的接触面易出现孔隙，而聚丙烯纤维则孔隙较少，因此，加入聚丙烯纤维的胶砂件相对来说抗折强度较高；在抗压试验中，加入聚丙烯纤维与麦秆的胶砂件往往能留下较大部分整体，而加入较粗钢纤维的胶砂件往往碎成小块，且爆炸声最剧烈，因为较粗钢纤维密度大，在胶凝材料凝结过程中多数都已沉入胶砂件底部，在胶砂件中的分布不均匀，所以掺入较粗钢纤维的胶砂件实际仅相当于不加纤维的碱矿渣胶凝材料基体。

表6 掺入不同纤维胶砂件抗折强度 MPa

表7 掺入不同纤维胶砂件抗压强度 MPa

表8 掺入聚丙烯纤维胶砂件抗折强度 MPa

碱矿渣胶凝材料微观形态分析

从附图5—9可以看出：无论是稻杆、麦秆、玉米秆，还是聚丙烯纤维和较粗钢纤维，都与基体紧密结合，并且过渡区完整且紧密，其中，聚丙烯纤维单位体积最小，相较于其他纤维与基体结合最为紧密，受力时，麦秆与较粗钢纤维被拔出，而聚丙烯纤维完全嵌入到基体中，可以看出，聚丙烯纤维会对基体延性有极大提高，钢纤维则由于体积过大，受拉实验时，会出现较粗钢纤维拔出的现象，所以留下孔洞。

由附图10—13可以看出，200℃时，聚丙烯纤维开始融化，纤维表面开始皱缩，基体结构更加致密，主要原因是基体中自由水挥发，促进了矿渣的胶合作用，生成更多的水化硅酸钙凝胶，使得基体更加致密；400℃时，聚丙烯纤维部分仍然未融化，部分基本融化完全，基体开始变得粗糙，并且出现微裂缝和孔洞，这可能与试件中结合水脱出有关；600℃时，裂缝和孔洞数目进一步增加，水化硅酸钙凝胶分解是一个重要原因；800℃时，材料表面粗糙，内部孔洞数目急剧增加，孔洞直径也较大。

Claims (1)

1.一种聚丙烯纤维增强碱矿渣胶凝材料，其特征是：矿渣化学成分包括：二氧化硅36.9% ，氧化铝15.66% ，氧化钙37.57 % ，氧化镁9.3% ，氧化铁0.36%；活性指标：质量系数为1.69 碱性系数为0.97 活度系数为0.42，采用M=1.0与M=2.0两种模数的钾水玻璃，质量分数≥96.0 %的氢氧化钠，弹性模量为42GPa的聚丙烯纤维，自来水；

制备过程包括如下步骤：首先调节水玻璃模数，然后按比例称量水玻璃与氢氧化钠，将氢氧化钠缓慢倒入水玻璃中，并用玻璃棒搅拌至无明显絮状物，静置1.5h直至混合物完全放热。将称量好的矿渣倒入搅拌锅，倒入调整好模数的水玻璃搅拌1min，加入称量后的水，再搅拌5~8min，将称量好的聚丙烯纤维放入搅拌锅，再搅拌1min，然后将搅拌好的材料倒入模具中，再放在混凝土振动台上震荡，至表面平整，无气泡逸出；待试件表面结硬时用保鲜膜包裹住以防止试件表面开裂，将试件放入恒温恒湿养护箱中养护；24h后拆除模具，将试件放入恒温恒湿养护箱中养护。