CN111393080B - 一种高性能胶凝材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能胶凝材料及其制备方法，属于道路工程领域。所述高性能胶凝材料主要由矿渣粉、海藻酸钠、减水剂、液态硅酸钠、植物纤维、氢氧化钠和水以特定重量配比混合而成。与现有技术相比，本发明的高性能胶凝材料具有更高折压比，材料的成型时间可控，初凝时间范围在2h‑3d，最终成型抗压强度高达140Mpa左右，能够满足建筑工程材料的技术要求，具有很好的推广应用价值。

Description

一种高性能胶凝材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及道路工程领域，具体提供一种高性能胶凝材料及其制备方法。
背景技术
地质聚合物最早由法国科学家Davidovits提出，具有取代传统波特兰水泥的可能性，由于原材料多来源于矿物垃圾和建筑废料，现如今在全世界范围内被广泛研究，相较于传统水泥，地质聚合物具有更高的力学强度，反应时间更短，可以完成工程抢修任务，但由于超高的强度，地质聚合物呈现非常明显的脆性特征，传统地质聚合物抗折能力较弱，因此难以适应现有的工程需求。
公开号为CN106746825A的专利文件中公开了“植物纤维增强碱矿渣胶凝材料及其制备方法”，通过添加植物纤维，虽然在一定程序上解决了碱矿渣胶凝材料脆性大的问题，但仍存在制备工艺复杂、表面泛碱等不足，特别是由于天然纤维自身具有吸湿性，材料强度形成过程中，内部碱浓度严重不均匀，造成材料反应程度不同，表面具有较多裂纹，进而导致短期内开裂、对于其中吸湿性较强的纤维(如：棉麻纤维)只能提高短期内的抗折能力，针对于超过28d龄期的天然纤维试件力学强度相较于传统地聚物素件甚至具有不同程度的降低。
发明内容
本发明是针对上述现有技术的不足，提供一种生产工艺简单，具有更高折压比，成型时间可控的高性能胶凝材料，该胶凝材料初凝时间范围为2h-3d。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：高性能胶凝材料，包括以下重量配比的原料组成：
Figure BDA0002394656340000011
Figure BDA0002394656340000021
当需要减缓凝固速度时，本发明胶凝材料还可以包括氯化钙，氯化钙与矿渣粉的重量配比为(5-15):100。
进一步的，各原料的重量配比优选为：
Figure BDA0002394656340000022
作为优选，所述矿渣粉的比表面积≥480m2/kg，活性指数≥80％。如S75、S95、S105矿渣粉等均可使用，特别是S95矿渣粉。
作为优先，所述减水剂为阳离子聚丙烯酰胺。
作为优选，所述纤维为竹纤维、椰壳纤维、棉麻纤维、亚麻纤维和/或剑麻纤维。
本发明进一步的技术任务是提供一种高性能胶凝材料的制备方法。
高性能胶凝材料制备方法，包括以下步骤：
A.将矿渣粉以频率1000-5000转/分钟搅拌1-2min；
B.在搅拌过程中加入海藻酸钠、减水剂、液态硅酸钠、氯化钙和氢氧化钠，继续搅拌5-10min；
C.加入植物纤维和水，继续搅拌至均匀，得到复合材料浆体；
D.复合材料浆体倒入模具中，静止2-5h后脱模即得高性能胶凝材料，各原料的重量配比为：
Figure BDA0002394656340000031
作为优选，氯化钙和氢氧化钠混合，粉磨并烘干后再加入搅拌。烘干温度优选为100-110℃。
作为优选，搅拌频率为3000-4000转/分钟。在该条件下充分的拌和，既可以保证粉剂掺量均匀，又可以将一些结痂成块的打碎成粉末状，使其更利于胶凝反应的充分进行。
与现有技术相比，本发明的高性能胶凝材料及其制备方法具有以下突出的有益效果：
(一)对于植物纤维，其表面具有大量羟基极性基团，针对物理性质而言，胶凝材料中的碱环境使纤维表面孔隙率增加，比表面积大幅增长，在液态碱性环境中表现出润胀性，与矿渣粉粘结力增强；从化学角度而言，在羟基作用下，纤维素、半纤维素之间的化学链接效果减弱，材料自身疏松性增加，使羟基充分暴露，提高纤维反应活性。
对于矿渣粉等地质聚合物，碱性环境则可以使其进行地质聚合反应。
本发明各物料混合后，在碱性环境下，矿渣粉和植物纤维都会发生反应，使植物纤维可以更好的拌和于粉料之中，从而提高二者配伍性，得到的胶凝材料既保持了的高韧性、吸湿性，又延续了超高的抗压能力，最终成型抗压强度高达140Mpa左右；
(二)高韧性的特点大幅增加了地质聚合物的抗拉能力，改变无机材料抗压不抗拉的现状，相较于传统水泥无机材料具有更高的抗折能力；
(三)高性能胶凝材料重量是传统的水泥无机材料的三分之一，强度是标准425水泥的2～3倍，且具备较高的抗拉能力，即使发生脆性破坏，仍可以保持材料的整体性；
(四)以聚丙烯酰胺为减水剂，进一步减少碱的析出；
(五)以海藻酸钠代替部分或全部氢氧化钠，不仅避免了表面泛碱现象的出现，降低材料造成的环境破坏，保障施工人员环境安全，还可以大幅增加材料的抗折强度、折压比及韧性；
(六)特定的物料配比及制备工艺，无需对植物纤维进行预处理，即可将各类物料混合，得到高性能胶凝材料，制备工艺简单，生产效果高；
(七)粉磨烘干的过程能够增加粉料的比表面积，使胶凝反应更加充分均匀；烘干的过程可以使材料排除多余水分，确保反应处于相对稳定的湿度，增加材料成型后的稳定性；
(八)作为修补料时，能够与其他材料更好粘结，具有很好的耐久性；
(九)实现了矿渣粉这一废弃物料的大量利用，节能环保。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
如无特别说明，下述所用各成分的含量为重量百分比含量。
实施例一：
本实施例胶凝材料各原料重量配比如表1所示。
表1：材料配比表
Figure BDA0002394656340000041
Figure BDA0002394656340000051
胶凝材料制备步骤：
S1.将氯化钙和氢氧化钠混合，经粉磨后在110℃下烘干，备用；
S2.S95矿渣粉以频率3500转/分钟搅拌2min；
S3.在搅拌过程中加入海藻酸钠、阳离子聚丙烯酰胺、液态硅酸钠、氢氧化钠与氯化钙混合物，以相同的搅拌频率继续搅拌8min；
S4.加入水和竹纤维，继续搅拌3min至均匀，得到复合材料浆体；
S5.取出部分复合材料浆体进行流动度试验，然后将剩下的复合材料浆体倒入模具中，均匀填充并磨平，在室温下暴露空气中自然养生3h后脱模即得高性能胶凝材料。
对得到的高性能胶凝材料进行无侧限抗压强度、抗折强度、收缩率、吸水率等试验。实验结果见表2。
表2：试验检测结果汇总
Figure BDA0002394656340000052
Figure BDA0002394656340000061
实施例二：
该实施例物料及制备方法与实施例一基本相同，区别在于以棉麻纤维代替了竹纤维。
无侧限抗压强度、抗折强度、收缩率、吸水率等试验结果见表3。
表3：试验检测结果汇总
Figure BDA0002394656340000062
对比例一：
对比例胶凝材料各原料重量配比如表4所示。
表4：材料配比表
Figure BDA0002394656340000071
胶凝材料制备步骤：
S1.将氯化钙和氢氧化钠混合，经粉磨后在110℃下烘干，备用；
S2.S95矿渣粉以频率3500转/分钟搅拌2min；
S3.在搅拌过程中加入阳离子聚丙烯酰胺、液态硅酸钠、氢氧化钠与氯化钙混合物，以相同的搅拌频率继续搅拌8min；
S4.加入水和竹纤维，继续搅拌3min至均匀，得到复合材料浆体。
S5.取出部分复合材料浆体进行流动度试验，然后将剩下的复合材料浆体倒入模具中，均匀填充并磨平，在室温下暴露空气中自然养生3h后脱模，得到胶凝材料。
对得到的胶凝材料进行无侧限抗压强度、抗折强度、收缩率、吸水率等试验。实验结果见表5。
表5：试验检测结果汇总
Figure BDA0002394656340000072
对比例二：
该对比例胶凝材料各原料重量配比与实施例一中样品1、样品2、样品3配比相同。
胶凝材料制备步骤：
S1.S95矿渣粉以频率3500转/分钟搅拌2min；
S2.在搅拌过程中加入海藻酸钠、阳离子聚丙烯酰胺、液态硅酸钠、氢氧化钠、氯化钙，以相同的搅拌频率继续搅拌8min；
S3.加入水和竹纤维，继续搅拌3min至均匀，得到复合材料浆体；
S4.取出部分复合材料浆体进行流动度试验，然后将剩下的复合材料浆体倒入模具中，均匀填充并磨平，在室温下暴露空气中自然养生3h后脱模即得高性能胶凝材料。
对得到的高性能胶凝材料进行无侧限抗压强度、抗折强度、收缩率、吸水率等试验。实验结果见表6。
表6：试验检测结果汇总
Figure BDA0002394656340000081
由表2、表3、表5、表6的检测结果可以看出海藻酸钠对于材料的力学强度有较为明显的影响，可以大幅增加材料的抗折强度，增加折压比，增加材料韧性。其中收缩率及吸水率、流动度等物理性质主要受到天然纤维含量的影响，由于天然纤维自身具有较为明显的吸湿性，会直接影响材料中水分含量，从而进一步对地聚物的物理性质进行改变。

Claims (5)

1.一种高性能胶凝材料，其特征在于包括以下重量配比的原料：
矿渣粉 100份
海藻酸钠 5-10份
减水剂 10-20份
液态硅酸钠 40-60份
植物纤维 10-20份
氢氧化钠 10-25份
氯化钙 5-10份
水 10-20份,
所述减水剂为阳离子聚丙烯酰胺;
所述植物纤维为竹纤维、椰壳纤维、棉麻纤维、亚麻纤维和/或剑麻纤维，
其制备方法包括以下步骤：
A.将矿渣粉以频率1000-5000转/分钟搅拌1-2min；
B.在搅拌过程中加入海藻酸钠、减水剂、液态硅酸钠、氯化钙和氢氧化钠，继续搅拌5-10min；
C.加入植物纤维和水，继续搅拌至均匀，得到复合材料浆体；
D.复合材料浆体倒入模具中，静止2-5h后脱模即得高性能胶凝材料。
2.根据权利要求1所述的高性能胶凝材料，其特征在于，所述矿渣粉的比表面积≥480m2/kg，活性指数≥80%。
3.高性能胶凝材料制备方法，其特征在于包括以下步骤：
A.将矿渣粉以频率1000-5000转/分钟搅拌1-2min；
B.在搅拌过程中加入海藻酸钠、减水剂、液态硅酸钠、氯化钙和氢氧化钠，继续搅拌5-10min；
C.加入植物纤维和水，继续搅拌至均匀，得到复合材料浆体；
D.复合材料浆体倒入模具中，静止2-5h后脱模即得高性能胶凝材料，
各原料的重量配比为：
矿渣粉 100份
海藻酸钠 5-10份
减水剂 10-20份
液态硅酸钠 40-60份
植物纤维 10-20份
氢氧化钠 10-25份
氯化钙 5-10份
水 10-20份，
所述减水剂为阳离子聚丙烯酰胺;
所述植物纤维为竹纤维、椰壳纤维、棉麻纤维、亚麻纤维和/或剑麻纤维。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：氯化钙和氢氧化钠混合，经粉磨并烘干后再加入搅拌。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：搅拌频率为3000-4000转/分钟。
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