CN109970377B - 一种水溶性有机高分子增韧矿渣基地质聚合物胶凝材料及制备方法 - Google Patents

一种水溶性有机高分子增韧矿渣基地质聚合物胶凝材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水溶性有机高分子增韧矿渣基地质聚合物胶凝材料及制备方法，包括以下步骤：（1）将氢氧化钠和硅酸钠溶于水中配置水玻璃溶液，静置待用；（2）将水溶性高分子有机物溶于水中配置有机溶液；（3）将步骤（1）中的水玻璃溶液和步骤（2）中的有机溶液混合搅拌得到混合溶液；（4）将矿渣加入到步骤（3）的混合溶液中，充分搅拌得到混合均匀的浆体；（5）将步骤（4）中的浆体转移至模具中成型，并室温养护，脱模得到所述水溶性有机高分子增韧矿渣基地质聚合物胶凝材料。本发明开发了一种新的绿色胶凝材料，所需的主要原材料来源于工业废渣，低能耗，配方合理，成本低廉，制备工艺简单。

Description

一种水溶性有机高分子增韧矿渣基地质聚合物胶凝材料及制 备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种水溶性有机高分子增韧矿渣基地质聚合物胶凝材料及制备方法。
背景技术
地质聚合物是由硅氧四面体与铝氧四面体相互连接形成的无机聚合物，既具有有机高聚物、陶瓷的性能又兼有水泥的一些特性。相较于水泥，地质聚合物具有以下优点：1.制备工艺简单，仅将适量的原料和少量碱性激发剂溶液混合，在低于100℃或常温条件下成型和养护，即可制备出不同强度等级的高性能无机胶凝材料；2.地质聚合物的生产能效低，为正常硅酸盐水泥能耗的30％，其制作过程中的CO2排放量比OPC水泥生产过程中的排放量低80％；3.地质聚合物的原料通常为高炉矿渣和粉煤灰等工业废料，可以将工业废弃物重复循环利用，可以在一定程度上缓解我国由于火电行业废弃物利用率不足的问题。
地聚物是一种以-Si-O-Al-共价键键合，形成三维氧化物网络结构的无机脆性材料。由于其刚性结构，在受力破坏前的变形位移十分微弱，断裂往往在毫无征兆的情况下瞬间发生，极大地限制了其应用。
目前，针对地质聚合物的增韧思路主要是参考水泥基材料的相关增韧方法，概括为以下两种：(1)密实填充：降低孔隙率，减少材料缺陷；通过掺加超细粉、改良颗粒级配等方式可以降低孔隙率，减少材料缺陷以增强其抗折强度，这样的方式增加了选粉等工序过程，不利于大规模的施工工程；(2)纤维增韧：通过向地质聚合物中掺加纤维材料(如钢纤维、玻璃纤维等)，当材料在承受外界荷载时，纤维将吸收一部分断裂能，起到缓冲材料拉裂的作用，得到较好的增韧效果。但纤维在基体中的分布存在随机性，很多纤维所处的位置不能有效地承接荷载带来的张力，并且掺加纤维材料也增大了现场施工的难度。
近年来，将无机地聚物与有机高分子结合得到的无机/有机杂化材料，地聚物基杂化材料以地聚物为基体连续相，有机高聚物为分散相，形成无机/有机两相介质互相缠绕黏结的互穿网络结构，使地聚物基质本身韧性得到提高，为地聚物材料的增强增韧开拓了一个新的思路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水溶性有机高分子增韧矿渣基地质聚合物胶凝材料及制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种水溶性有机高分子增韧矿渣基地质聚合物胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将氢氧化钠和硅酸钠溶于水中配置水玻璃溶液，静置待用；
(2)将水溶性高分子有机物溶于水中配置有机溶液；
(3)将步骤(1)中的水玻璃溶液和步骤(2)中的有机溶液混合搅拌得到混合溶液；
(4)将矿渣加入到步骤(3)的混合溶液中，充分搅拌得到混合均匀的浆体；
(5)将步骤(4)中的浆体转移至模具中成型，并室温养护，脱模得到所述水溶性有机高分子增韧矿渣基地质聚合物胶凝材料。
进一步的，所述步骤(1)中水玻璃模数为0.8-1.2。
进一步的，所述步骤(1)中氢氧化钠和硅酸钠的总质量为矿渣质量的13％-21％。
进一步的，所述步骤(1)中静置12-24h。
进一步的，所述步骤(3)的混合溶液中硅酸根的浓度为1.0-2.8mol/L。
进一步的，所述步骤(2)中的水溶性高分子有机物是聚乙烯醇粉末。
进一步的，所述步骤(4)中水溶性有机高分子的质量为矿渣质量的0.5％-2％。
进一步的，所述步骤(5)中养护时间为3-28天。
进一步的，所述胶凝材料中水灰比为35％，所述水灰比是水与矿渣的质量比。
由所述制备方法制得的水溶性有机高分子增韧矿渣基地质聚合物胶凝材料。
在水溶性有机高分子聚合物加入地质聚合物进行反应的过程中，有机高分子中的极性亲水基团将与硅(铝)氧四面体中的羟基发生缩聚键合，形成C-O-T(T代表Si或Al)形成有机-无机互穿网络结构，从而达到增强增韧的目的。
本发明的有益之处在于原材料可充分利用工业废渣等，配方合理，成本低廉，制备工艺简单，不损害自然环境，开发了一种新的绿色胶凝材料。采用该制备方法，可在保证地质聚合物具有足够的结构强度的同时兼具较好的韧性。
附图说明
图1为对比例和实施例1-3制备得到的凝胶材料的抗折强度性能；
图2为对比例和实施例1-3制备得到的凝胶材料的抗压强度性能；
图3为对比例和实施例1-3养护7d制备得到的凝胶材料的应力与形变关系曲线；
图4为实施例1中养护7d制备得到的凝胶材料的红外分析曲线。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解和认识，下面结合具体实施方式对本发明做出进一步的说明和介绍。
对比例
一种水溶性有机高分子增韧矿渣基地质聚合物的制备包括以下步骤：
(1)将47.34g氢氧化钠和258.66g硅酸钠溶于水中配置模数为1.2的水玻璃溶液，硅酸根离子浓度为1.9mol/L的水玻璃溶液，静置24h待用；
(2)将1800g的矿渣加入到步骤(1)得到的水玻璃溶液中，在净浆搅拌机中充分搅拌15min得到混合均匀的浆体；
(3)将步骤(2)中的浆体分别分层倒入20mm*20mm*20mm的六联模和25mm*25mm*140mm的三联模中，浇筑成型后用振实台振实。室温养护至3d、7d和28d后分别测试抗压和抗折强度。
实施例1
一种水溶性有机高分子增韧矿渣基地质聚合物的制备包括以下步骤：
(1)将47.34g氢氧化钠和258.66g硅酸钠溶于水中配置模数为1.2的水玻璃溶液，硅酸根离子浓度为1.9mol/L的水玻璃溶液，静置12h待用；
(2)热水溶解非液态的聚乙烯醇粉末，冷却待用，其中聚乙烯醇9g；
(3)将步骤(1)和(2)中所得的水玻璃溶液和有机溶液混合搅拌得到混合溶液；
(4)将1800g的矿渣加入到步骤(3)得到的混合溶液中，在净浆搅拌机中充分搅拌得到混合均匀的浆体；
(5)将步骤(4)中的浆体分别分层倒入20mm*20mm*20mm的六联模和25mm*25mm*140mm的三联模中，浇筑成型后用振实台振实。室温养护至3d、7d和28d后分别测试抗压和抗折强度。
实施例2
本实施例与实施例1制备过程基本相同，区别在于步骤(2)中聚乙烯醇的质量为18g。
实施例3
本实施例与实施例1制备过程基本相同，区别在于步骤(2)中聚乙烯醇的质量为36g。
对比未掺入水溶性有机高分子的试件强度(对比例)，参见图1-2，实施例1-3制得的掺入水溶性高分子的试件强度均有提高，当聚乙烯醇掺量为0.5％，1％和2％时，3d、7d和28d的抗压与抗折强度均有提高，其中当聚乙烯醇掺量为0.5％，采用不同硅酸根离子的水玻璃溶液所制得的材料7d抗折强度的平均增长量为50％，实施例1的抗折形变量提高了200％(见附图3)，说明复合材料的延性得到改善；同时，28d的抗压强度平均增长量为25％。其宏观力学性能得到显著改善的原因是当掺入聚乙烯醇时，通过红外光谱测试发现1188cm-1的波数附近出现了Si-O-C键的吸收峰(见图4)，该键是由水溶性有机高分子-聚乙烯醇的官能团醇羟基(-OH)与硅(铝)氧四面体中的羟基发生了缩聚键合，形成了有机-无机的互穿网络结构，增强了材料基体的力学性能。
实施例4
一种水溶性有机高分子增韧矿渣基地质聚合物的制备包括以下步骤：
(1)将62.64g氢氧化钠和171.36g硅酸钠溶于水中配置模数为0.8的水玻璃溶液，静置12h待用，其硅酸根离子浓度为1.0mol/L
(2)热水溶解非液态的聚乙烯醇粉末，冷却待用，其中聚乙烯醇9g；
(3)将步骤(1)和(2)中所得的水玻璃溶液和有机溶液混合搅拌得到混合溶液；
(4)将1800g的矿渣加入到步骤(3)得到的混合溶液中，在净浆搅拌机中充分搅拌得到混合均匀的浆体；
(5)将步骤(4)中的浆体分别分层倒入20mm*20mm*20mm的六联模和25mm*25mm*140mm的三联模中，浇筑成型后用振实台振实。室温养护至3d、7d和28d后分别测试抗压和抗折强度。
实施例5
本实施例与实施例4制备过程基本相同，区别在于步骤(1)中的水玻璃溶液包含32.33g氢氧化钠和345.78g硅酸钠，其模数为1.6，其硅酸根离子浓度为2.8mol/L。
表1本发明实施例4-5制得的凝胶材料的抗折强度
Figure BDA0002017388840000061
表2本发明实施例4-5制得的凝胶材料的抗压强度
Figure BDA0002017388840000062
从表1-2中可以看出，随着水玻璃溶液模数的增大，所述凝胶材料的力学性能也随之增大，实施例5的7d抗折强度相较于实施例4增长了44％，实施例5的7d抗压强度相较于实施例4增长了23％。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限定。凡本领域的技术人员利用本发明的技术方案对上述实施例作出的任何等同的变动、修饰或演变等，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种水溶性有机高分子增韧矿渣基地质聚合物胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将氢氧化钠和硅酸钠溶于水中配置水玻璃溶液，静置待用；
（2）将水溶性高分子有机物溶于水中配置有机溶液；
（3）将步骤（1）中的水玻璃溶液和步骤（2）中的有机溶液混合搅拌得到混合溶液；
（4）将矿渣加入到步骤（3）的混合溶液中，充分搅拌得到混合均匀的浆体；
（5）将步骤（4）中的浆体转移至模具中成型，并室温养护，脱模得到所述水溶性有机高分子增韧矿渣基地质聚合物胶凝材料；
所述步骤（1）中氢氧化钠和硅酸钠的总质量为矿渣质量的13%-21%;
所述步骤（1）中水玻璃模数为0.8-1 .2；
所述步骤（2）中的水溶性高分子有机物是聚乙烯醇粉末；
所述步骤（4）中水溶性有机高分子的质量为矿渣质量的0.5%。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中静置12-24h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）的混合溶液中硅酸根的浓度为1.0-2.8mol/L。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（5）中养护时间为3-28天。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述胶凝材料中水灰比为35%。
6.由权利要求1-5任一项所述制备方法制得的水溶性有机高分子增韧矿渣基地质聚合物胶凝材料。
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