CN107488009A - 一种高延性纤维增强沸石‑粉煤灰基地聚合物及制备方法 - Google Patents

一种高延性纤维增强沸石‑粉煤灰基地聚合物及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高延性纤维增强沸石‑粉煤灰基地聚合物，包括以下重量份的原料：493～542份低钙粉煤灰，124～136份高钙粉煤灰，203份石英，0～61份沸石，160份水，38份氢氧化钠，173份硅酸钠，14份聚乙烯醇纤维，制备方法包括以下步骤：称取相应重量份的低钙粉煤灰、高钙粉煤灰、石英砂、沸石加入到砂浆搅拌仪中，搅拌均匀得到混合物一；称取相应重量份的水、氢氧化钠、硅酸钠在烧杯中混合搅拌均匀制成碱激发剂；将碱激发剂加入到砂浆搅拌仪中，进行搅拌使碱激发剂与混合物一混合得到混合物二；在混合物二中加入14份聚乙烯醇纤维，再搅拌至纤维分散均匀，得到高延性纤维增强沸石‑粉煤灰基地聚合物的浆体；将浆体置入模具后在烘箱中养护，再常温养护成型。

Description

一种高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物及制备方法
技术领域
本发明属于材料学领域，具体涉及一种高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物及制备方法。
背景技术
地聚合物是一种具有类沸石结构的新型无机硅铝质胶凝材料，具有许多诸如快硬早强、高强、抗渗、抗冻、耐腐蚀、耐火及固封重金属等优良性能。与传统水泥基材料相比，其原材料来源更加广泛，且制备方便、能耗小、CO2排放量低，使其在工程上特别是抢修抢建工程得到了很好的应用。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和不同形式的裂缝，制约着这种材料的推广使用。
因此，为了增强地聚合物材料的强度和韧性，通过在地聚合物体系中加入纤维，利用凝胶材料与纤维之间的粘结来增强材料的抗拉韧性。同时，由于地聚合物体系中含有类沸石结构，将沸石作为一种矿物外加剂加入到该体系中，沸石不仅能在其中充当填充物、增加材料强度，还能作为硅铝源原材料，参与地聚合反应，生成更多的凝胶产物。
但是，由于地聚合物胶凝体系凝结、硬化机理与常见的硅酸盐水泥有着很大差别，在早期反应过程中许多因素都影响着该复合材料的强度，如：固体混合物中粉煤灰含量、外加矿物含量等。因此探寻该材料的最优配合比与最佳反应条件，对该复合材料的推广应用具有重要意义
发明内容
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沸石-粉煤灰基地聚合物及制备方法。
本发明提供了一种高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物，具有这样的特征，以下重量份的原料：
在本发明提供的高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物中，还可以具有这样的特征：其中，沸石的重量份为20份。
在本发明提供的高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物中，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沸石-粉煤灰基地聚合物中，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沸石-粉煤灰基地聚合物中，还可以具有这样的特征：其中，石英砂为30～100目的石英砂，最大粒径不超过0.6mm。
在本发明提供的高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物中，还可以具有这样的特征：其中，沸石的中位径为31.88μm。
在本发明提供的高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物中，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沸石-粉煤灰基地聚合物中，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沸石-粉煤灰基地聚合物中，还可以具有这样的特征：其中，聚乙烯醇纤维长度为12mm，直径为39μm，抗拉强度为1620MPa，弹性模量为42.8GPa。
本发明还提供了一种用于高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，称取493～542份低钙粉煤灰、124～136份高钙粉煤灰、203份石英砂、0～61份沸石加入到JJ-5型砂浆搅拌仪中，在公转为57～67r/min，自转为135～145r/min的速度下干搅2～4min至均匀得到混合物一；
步骤2，称取160份水、38份氢氧化钠、173份硅酸钠在烧杯中混合搅拌均匀制成碱激发剂；
步骤3，将步骤3中制得的碱激发剂加入到步骤2的JJ-5型砂浆搅拌仪中，在公转为115～135r/min，自转为275～295r/min的速度下搅拌3～5min，使碱激发剂与混合物一混合得到混合物二；
步骤4，在步骤3中得到的混合物二中加入14份聚乙烯醇纤维，再搅拌5～8min，直至纤维分散均匀，即得到高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物的浆体；
步骤5，将所述步骤4中得到的所述浆体置入模具中，在80℃烘箱中养护2h，再常温养护成型。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物及制备方法，因为所采用的粉煤灰和沸石粉煤灰和沸石来源广泛，原材料价格低，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，其中粉煤灰为工业废渣，将工业废渣资源化利用。所以，本发明的一种高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物复合材料具有超高的韧性和强度，还能解决粉煤灰对环境污染的问题，同时增加了高延性地聚合物基复合材料原料的来源，以便于更好地推广应用，减少了CO2排放及环境的污染。
附图说明
图1是本发明的实施例二中高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物的应力-应变与龄期关系对比示意图；
图2是本发明的实施例二中高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物7d龄期试件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。
本发明的一种高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物，包括以下重量份的原料：
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。
石英砂为30～100目的石英砂，由河砂筛分而成，最大粒径不超过0.6mm。
沸石的中位径为31.88μm。
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。
聚乙烯醇纤维长度为12mm，直径为39μm，抗拉强度为1620MPa，弹性模量为42.8GPa。
本发明的一种用于高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，称取493～542份低钙粉煤灰、124～136份高钙粉煤灰、203份石英砂、0～61份沸石加入到JJ-5型砂浆搅拌仪中，在公转为57～67r/min，自转为135～145r/min的速度下干搅2～4min至均匀得到混合物一；
步骤2，称取160份水、38份氢氧化钠、173份硅酸钠在烧杯中混合搅拌均匀制成碱激发剂；
步骤3，将步骤3中制得的碱激发剂加入到步骤2的JJ-5型砂浆搅拌仪中，在公转为115～135r/min，自转为275～295r/min的速度下搅拌3～5min，使碱激发剂与混合物一混合得到混合物二；
步骤4，在步骤3中得到的混合物二中加入14份聚乙烯醇纤维，再搅拌5～8min，直至纤维分散均匀，即得到高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物的浆体；
步骤5，将所述步骤4中得到的所述浆体置入模具中，在80℃烘箱中养护2h，再常温养护成型，养护时间为3d、7d或28d。
实施例一
步骤1，称取542份I级低钙粉煤灰、136份I级高钙粉煤灰、203份石英砂、0份沸石加入到JJ-5型砂浆搅拌仪中，在公转为57～67r/min，自转为135～145r/min的速度下干搅3min至均匀得到混合物一；
步骤2，称取160份水、38份纯度为99％氢氧化钠、173份3.3模的硅酸钠在烧杯中混合搅拌均匀制成碱激发剂；
步骤3，将步骤3中制得的碱激发剂加入到步骤2的JJ-5型砂浆搅拌仪中，在公转为115～135r/min，自转为275～295r/min的速度下搅拌5min，使碱激发剂与混合物一混合得到混合物二；
步骤4，在步骤3中得到的混合物二中加入14份聚乙烯醇纤维，再搅拌6min，直至纤维分散均匀，即得到高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物的浆体；
步骤5，将所述步骤4中得到的所述浆体置入模具中，在80℃烘箱中养护2h，再分别常温养护3d、7d、28d成型。
3d材料性能如下：抗拉强度为2.0MPa，极限应变为4.6％；7d材料性能如下：抗拉强度为2.8MPa，极限应变为3.7％；28d材料的性能如下：抗拉强度为4.5MPa，极限应变为4.6％。
实施例二
步骤1，称取526份I级低钙粉煤灰、132份I级高钙粉煤灰、203份石英砂、20份沸石加入到JJ-5型砂浆搅拌仪中，在公转为57～67r/min，自转为135～145r/min的速度下干搅3min至均匀得到混合物一；
步骤2，称取160份水、38份纯度为99％氢氧化钠、173份3.3模的硅酸钠在烧杯中混合搅拌均匀制成碱激发剂；
步骤3，将步骤3中制得的碱激发剂加入到步骤2的JJ-5型砂浆搅拌仪中，在公转为115～135r/min，自转为275～295r/min的速度下搅拌5min，使碱激发剂与混合物一混合得到混合物二；
步骤4，在步骤3中得到的混合物二中加入14份聚乙烯醇纤维，再搅拌6min，直至纤维分散均匀，即得到高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物的浆体；
步骤5，将所述步骤4中得到的所述浆体置入模具中，在80℃烘箱中养护2h，再分别常温养护3d、7d、28d成型。
图1是本发明的实施例二中高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物的应力-应变与龄期关系对比示意图，图2是本发明的实施例二中高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物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材料性如下：抗拉强度：2.2MPa，极限应变：5.1％；7d材料性能如下：抗拉强度：2.3MPa，极限应变：5.0％；28d材料性能如下：抗拉强度：2.8MPa，极限应变为3.0％。
实施例三
步骤1，称取509份I级低钙粉煤灰、128份I级高钙粉煤灰、203份石英砂、41份沸石加入到JJ-5型砂浆搅拌仪中，在公转为57～67r/min，自转为135～145r/min的速度下干搅3min至均匀得到混合物一；
步骤2，称取160份水、38份纯度为99％氢氧化钠、173份3.3模的硅酸钠在烧杯中混合搅拌均匀制成碱激发剂；
步骤3，将步骤3中制得的碱激发剂加入到步骤2的JJ-5型砂浆搅拌仪中，在公转为115～135r/min，自转为275～295r/min的速度下搅拌5min，使碱激发剂与混合物一混合得到混合物二；
步骤4，在步骤3中得到的混合物二中加入14份聚乙烯醇纤维，再搅拌6min，直至纤维分散均匀，即得到高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物的浆体；
步骤5，将所述步骤4中得到的所述浆体置入模具中，在80℃烘箱中养护2h，再分别常温养护3d、7d、28d成型。
3d材料性能如下：抗拉强度为2.7MPa，极限应变为3.9％；7d材料性能如下：抗拉强度为3.2MPa，极限应变为4.5％；28d材料性能如下：抗拉强度为3.5MPa，极限应变为4.0％。
实施例四
步骤1，称取493份I级低钙粉煤灰、124份I级高钙粉煤灰、203份石英砂、61份沸石加入到JJ-5型砂浆搅拌仪中，在公转为57～67r/min，自转为135～145r/min的速度下干搅3min至均匀得到混合物一；
步骤2，称取160份水、38份纯度为99％氢氧化钠、173份3.3模的硅酸钠在烧杯中混合搅拌均匀制成碱激发剂；
步骤3，将步骤3中制得的碱激发剂加入到步骤2的JJ-5型砂浆搅拌仪中，在公转为115～135r/min，自转为275～295r/min的速度下搅拌5min，使碱激发剂与混合物一混合得到混合物二；
步骤4，在步骤3中得到的混合物二中加入14份聚乙烯醇纤维，再搅拌6min，直至纤维分散均匀，即得到高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物的浆体；
步骤5，将所述步骤4中得到的所述浆体置入模具中，在80℃烘箱中养护2h，再分别常温养护3d、7d、28d成型。
3d材料性能如下：抗拉强度为3.0MPa，极限应变为4.8％；7d材料性能如下：抗拉强度为2.9MPa，极限应变为3.6％；28d材料性能如下：抗拉强度为3.5MPa，极限应变为3.4％。
实施例的作用与效果
根据实施例一和实施例二可知，沸石的重量份数为0份时制备的3d材料和7d材料的极限应变均低于沸石的重量份数为20份份时制备的3d材料和7d材料的极限应变，表明沸石的加入提高了地聚合物复合材料的极限应变。但是，沸石的重量份数为0份时制备28d材料的极限应变要优于沸石的重量份数为20份时制备的28d材料的极限应变，表明沸石的加入可以缩短制备成型的高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物的时间，并且提高了极限应变。
根据实施例二和实施例三可知，沸石的重量份数为20份时制备的3d材料和7d材料的极限应变均高于沸石的重量份数为41份时制备的3d材料和7d材料的极限应变，表明过量沸石的加入不能再次提高地聚合物的极限应变。沸石的重量份数为20份时制备的28d材料的极限应变均高于沸石的重量份数为41份时制备的28d材料的极限应变，表明时间过长降低了地聚合物的极限应变。
根据实施例二和实施例四可知，沸石的重量份数为20份时制备的3d材料和7d材料的极限应变均高于沸石的重量份数为61份时制备的3d材料和7d材料的极限应变，表明过量沸石的加入不能再次提高地聚合物的极限应变。沸石的重量份数为20份时制备的28d材料的极限应变均高于沸石的重量份数为61份时制备的28d材料的极限应变，表明时间过长反而降低了地聚合物的极限应变。
实施例一至实施例四所涉及的高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物及制备方法，因为所采用的粉煤灰和沸石粉煤灰和沸石来源广泛，原材料价格低，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，其中粉煤灰为工业废渣，将工业废渣资源化利用。所以，本发明的一种高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物复合材料具有超高的韧性和强度，还能解决粉煤灰对环境污染的问题，同时增加了高延性地聚合物基复合材料原料的来源，以便于更好地推广应用，减少了CO2排放及环境的污染。
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。
在上述实施例一至四中，低钙粉煤灰分别为542份、526份、509份和493份(按重量份数计)，高钙粉煤灰：136份、132份、128份和124份(按重量份数计)，沸石：0份、20份41份和61份(按重量份数计)，三次搅拌时间依次为3min、5min和6min，但在本发明中，低钙粉煤灰还可以为分别为493～542份(按重量份数计)，高钙粉煤灰：124～136份(按重量份数计)，沸石：0～61份，三次搅拌时间还可以为2～4min、3～5min、5～8min。

Claims (10)

1.一种高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物，其特征在于，包括以下重量份的原料：
2.根据权利要求1所述的高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物，其特征在于：
其中，所述沸石的重量份为20份。
3.根据权利要求1所述的高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物，其特征在于：
其中，所述低钙粉煤灰为I级低钙粉煤灰，该I级低钙粉煤灰的中位径为4.732μm。
4.根据权利要求1所述的高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物，其特征在于：
其中，所述高钙粉煤灰为I级高钙粉煤灰，该I级高钙粉煤灰的中位径为19.45μm。
5.根据权利要求1所述的高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物，其特征在于：
其中，所述石英砂为30～100目的石英砂，最大粒径不超过0.6mm。
6.根据权利要求1所述的高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物，其特征在于：
其中，所述沸石的中位径为31.88μm。
7.根据权利要求1所述的高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物，其特征在于：
其中，所述氢氧化钠是纯度为99％的颗粒状氢氧化钠。
8.根据权利要求1所述的高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物，其特征在于：
其中，所述硅酸钠为3.3模的液体硅酸钠。
9.根据权利要求1所述的高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物，其特征在于：
其中，所述聚乙烯醇纤维长度为12mm，直径为39μm，抗拉强度为1620MPa，弹性模量为42.8GPa。
10.一种用于制备如权利要求1所述的高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，称取493～542份所述低钙粉煤灰、124～136份所述高钙粉煤灰、203份所述石英砂、0～61份所述沸石加入到砂浆搅拌仪中，在公转为57～67r/min，自转为135～145r/min的速度下干搅2～4min至均匀得到混合物一；
步骤2，称取160份所述水、38份所述氢氧化钠、173份所述硅酸钠在烧杯中混合搅拌均匀制成碱激发剂；
步骤3，将所述步骤3中制得的所述碱激发剂加入到所述步骤2的所述砂浆搅拌仪中，在公转为115～135r/min，自转为275～295r/min的速度下搅拌3～5min，使所述碱激发剂与所述混合物一混合得到混合物二；
步骤4，在所述步骤3中得到的混合物二中加入14份所述聚乙烯醇纤维，再搅拌5～8min，直至纤维分散均匀，即得到所述高延性纤维增强沸石-粉煤灰基地聚合物的浆体；
步骤5，将所述步骤4中得到的所述浆体置入模具中，在80℃烘箱中养护2h，再常温养护成型。
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