CN111620605A

CN111620605A - 一种纤维地聚物改良土及制备方法

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Publication number: CN111620605A
Application number: CN202010440944.6A
Authority: CN
Inventors: 王盛年; 薛钦培; 马巍; 吴志坚; 赵凯; 高新群
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2020-05-22
Filing date: 2020-05-22
Publication date: 2020-09-04

Abstract

本发明公开了一种纤维地聚物改良土及制备方法，该改良土包括黏土、碱激发胶凝材料与纤维，以黏土为参照，碱激发胶凝材料是黏土质量的10%‑18%，纤维是黏土质量的0.2%‑0.6%，所述的碱激发胶凝材料包括活性剂与激发剂，其制备方法是将偏高岭土、生石灰、硅酸钠与玄武岩纤维均匀干拌混合形成地聚物混合掺料，在使用时加入黏土和适量水充分拌和均匀形成。通过对比发现纤维地聚物改良土无侧限抗压强度分别约为普通硅酸盐水泥土的1.16倍、石灰土的34.84倍、以及黏土的5.45倍，抗劈裂强度值分别约为普通硅酸盐水泥土的1.24倍、石灰土的146.28倍、以及黏土的3.59倍，抗剪强度中粘聚力为198.71KPa、内摩擦角为45.45°，具有良好的工程应用前景。

Description

一种纤维地聚物改良土及制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种纤维地聚物改良土及制备方法。

背景技术

随着经济的飞速发展，建筑行业的发展尤为迅猛，矿产资源和能源材料日益枯竭，节能减排和绿色环保备受关注。传统硅酸盐水泥制备需要1000℃以上的高温烧结，损耗大量煤炭电力能源的同时还会产生大量温室气体和有毒气体，该问题无法得到有效解决。

偏高岭土地质聚合物的使用极大降低了对环境的不利影响，具有很多水泥混凝土难以达到的优良性能，并且原料丰富、工艺简单、价格低廉、绿色环保。相比普通水泥材料，偏高岭土地质聚合物具有很好的耐腐蚀性和耐久性。

然而截至目前为止，在地聚物激发试验配比工艺研究方面，成果十分有限。申请号201810045798.X公开了一种以石灰-碳酸钠为激发剂的单组份碱激发胶凝材料，其是以石灰和碳酸钠按摩尔比1:1配制作为激发剂，火山灰活性材料作为被激发对象，将其干拌混合制得。但该专利局限之处在于仅仅研究了激发剂配比给水泥土带来的性能影响。申请号201910379692.8公开了一种常温弱碱地聚物激发水泥土及其制备方法，其是以偏高岭土为活性剂，生石灰-碳酸氢钠按质量比1：1配置为激发剂，活性剂与激发剂质量比为2：1，掺入黏土中拌合均匀制得。但该专利局限之处在于改良土的韧性、劈裂抗拉强度提高并不显著，所得改良土的性能有待进一步提高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种纤维地聚物改良土及制备方法，该发明是将由偏高岭土、生石灰、硅酸钠与玄武岩纤维均匀干拌混合形成的地聚物作为混合掺料加入黏土中，所得改良土具有绿色环保、低碱性、凝结时间适宜且可调、力学性能优良、低成本等特点。

为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：

一种纤维地聚物改良土，包括黏土、碱激发胶凝材料与纤维，以黏土为参照，碱激发胶凝材料质量是黏土质量的10％-18％，纤维质量是黏土质量的0.2％-0.6％。

进一步的，所述的碱激发胶凝材料包括活性剂与激发剂，活性剂和激发剂的质量比为2:1。

进一步的，所述的活性剂包括偏高岭土、赤泥、火山灰、工业矿渣等硅酸盐材料；所述的激发剂为生石灰和硅酸钠的混合物。

进一步的，以黏土为参照，所述的活性剂是黏土质量的8％-12％；所述的激发剂是黏土质量的2％-3％。

进一步的，所述的纤维包括玄武岩纤维，纤维质量掺量为0.4％，纤维长度为12mm。

上述纤维地聚物改良土的制备方法，包括下列步骤：

步骤1)将活性剂、激发剂与玄武岩纤维混合干拌后得碱激发胶凝材料；

步骤2)向碱激发胶凝材料中加入水和黏土，搅拌均匀后，得到混合物；

步骤3)将混合物倒入模具中，恒温恒湿环境下养护，即得纤维地聚物改良土。

进一步的，步骤3)中模具的尺寸为39.1mm×80mm圆柱样，层数为4层。层数的限定提高了改良土的均一性。

有益效果：

1、成本低：活性材料为硅铝酸盐，可采用偏高岭土、矿渣等成本较低的材料或工业废弃物为原料，本发明中的“石灰+硅酸钠+水”激发剂的成本较低。

2、使用方便：本发明可将生石灰、硅酸钠、玄武岩纤维和活性材料偏高岭土进行干拌混合，待使用时直接加入黏土和水搅拌均匀即可。

3、性能优异：采用本发明碱激发胶凝材料作为掺料加入黏土中测得其纤维地聚物改良土无侧限抗压强度分别约为普通硅酸盐水泥土的1.16倍、石灰土的34.84倍、以及黏土的5.45倍，抗劈裂强度值分别约为普通硅酸盐水泥土的1.24倍、石灰土的146.28倍、以及黏土的3.59倍，抗剪强度中粘聚力为198.71KPa、内摩擦角为45.45°，具有良好应用前景。

4、绿色环保：地聚物胶结材料生产时所产生的CO₂远远低于水泥制备所产生的CO₂；地聚物胶结材料碱性较弱，对环境影响较小；玄武岩纤维是一种新型无机环保绿色高性能纤维材料，且产品废弃后可直接在环境中降解，无任何危害。

5、凝结时间适宜并可控：可通过调整激发剂的掺量或者活性材料偏高岭土的比例，获得不同力学性能的碱激发胶凝材料，并可调节胶凝材料的初凝结时和终凝结时，使其能够在适宜范围内适合工程使用。

具体实施方式

为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明。

实施例1

(1)将活性剂偏高岭土掺量定为2.8g为不变量。

(2)假定活性剂与激发剂质量掺量之比为2：1。

(3)通过改变激发剂中硅酸钠(Na₂SiO₃)和生石灰(CaO)的质量掺量得出激发剂的最优配比，具体步骤如下：

1)制作激发剂中硅酸钠(Na₂SiO₃)和生石灰(CaO)质量掺量比分别为1:0.6、1：0.72、1：0.75、1：0.8、1：0.82、1：0.83、1：0.84、1：0.85的圆柱小样(10mm*20mm)；

2)对步骤1)的圆柱小样进行室内7d无侧限抗压强度试验；

3)试样制备时，按照水灰比为0.35设计，每组3个试样作为平行试验，共计24个试样；

4)获得激发剂的最优配比，实验结果如表1所示。

表1激发剂配比表

其中Mk为活性剂；AA为激发剂。

(4)依据试验所得的激发剂最优配比，通过改变碱激发剂质量掺量得出偏高岭土与激发剂最优质量掺比，具体步骤如下：

1)制作偏高岭土掺量与激发剂质量掺量之比为2：0.6、2：0.8、2：1、2：1.2、2：1.4、2：1.6的圆柱小样(10mm*20mm)；

2)对步骤1)的圆柱小样进行室内7d无侧限抗压强度试验。每组3个试样作为平行试验，共计18个试样；

3)本试验采用WDW-50型微机控制电子万能试验机，试验过程中应变速率控制在10mm/min；

4)记录每个试样破坏时的最大压力，实验结果如表2所示。

表2高岭土掺量和激发剂质量掺量配比表

(5)确定碱激发胶凝材料最优配比：

活性剂与激发剂配比试样7d无侧限抗压强度试验结果如表3所示；

表3不同偏高岭土个碱激发剂质量掺量下无侧限抗压强度试验结果

由表3可知不同偏高岭土和碱激发剂质量掺量下的试样单轴无侧限抗压强度值均呈现先增大后减小趋势；最大抗压强度可达630.83kPa。

尽管试样峰值强度在硅酸钠与生石灰掺量比为1：0.82时取得了最大值，但硅酸钠生石灰质量掺量比为1：0.8时的无侧限抗压强度在上升阶段且靠近峰值，而且当配比为1：0.8时更利于材料的配置便于操作。

因此，从工程经济性考虑，本文中硅酸钠与生石灰最优质量掺比约为1：0.8。

经试验表明偏高岭土：Na₂SiO₃：CaO质量比为10：2.78：2.22时，为碱激发胶凝材料最优配比。

(6)根据激发配比试验所得的活性材料与碱激发剂的质量掺比，以干混方式制备地聚物胶凝材料(即配制偏高岭土、生石灰、硅酸钠的粉状混合物)、具体步骤如下：

1)按《水泥土配合比设计规范》，以地聚物胶凝材料掺入质量比为10％、12％、14％、15％、16％、18％制备改良土试样。

2)对步骤1)的改良土试样开展室内7d无侧限抗压强度试验，如表4所示。每组3个试样作为平行试验，共计18个试样。

表4胶凝材料质量掺量表

(7)确定偏高岭土基地聚物改良土中胶凝材料的最优质量掺量：

偏高岭土基地聚物改良土试样7d无侧限抗压强度试验结果如表5所示。

表5不同胶凝材料质量掺量无侧限抗压强度试验结果

由表5可知随着地聚物胶凝材料质量掺量的增加，试样单轴无侧限抗压强度值呈现先增大后减小趋势，其中，最大抗压强度可达286.78kPa。

经试验表明偏高岭土基地聚物改良土中胶凝材料的最优质量掺量约为15％，此时改良土的抗压强度达到最优。

(8)确定玄武岩纤维最优掺量比：

采用步骤(7)所得出的偏高岭土基地聚物改良土的最优配比，通过掺入不同玄武岩纤维质量掺量得出玄武岩纤维最优质量掺量比。以黏土为参照，玄武岩纤维的质量掺量分别为0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.6％，实验结果见表6。

表6不同玄武岩纤维质量掺量无侧限抗压强度试验结果

由试验结果可知，在采用偏高岭土基地聚物改良土的最优配比情况下，当玄武岩纤维质量掺量为0.4％时，土样的无侧限抗压强度达到峰值。

(9)确定玄武岩纤维最优长度：

由步骤(8)确定玄武岩纤维质量掺量为0.4％，通过改变玄武岩纤维的长度得出玄武岩纤维最优长度。玄武岩纤维长度分别为3mm、6mm、9mm、12mm、15mm、18mm，实验结果如表7所示。

表7不同玄武岩纤维长度无侧限抗压强度试验结果

经试验表明偏高岭土：Na₂SiO₃：CaO质量比为10：2.78：2.22，胶凝材料的质量掺量为15％，玄武岩纤维质量掺量为0.4％，玄武岩纤维长度为12mm为纤维地聚物改良土最优配比，且改良土的抗压强度达到最优。

具体操作步骤：

1)称量：根据已设计配比分别称取各组份碱激发胶凝材料、玄武岩纤维、黏土等待使用，称量误差为不超过设计重量值±1％；

2)干拌：将生石灰、硅酸钠、偏高岭土和玄武岩纤维加入搅拌设备盘中，充分搅拌至均匀；

3)加水搅拌：按照计算出所需的黏土和需水量，将黏土和水加入至搅拌设备盘中，并迅速搅拌均匀，并静置2分钟；

4)浇筑：将搅拌好的混合料等分成四份，依次装入39.1mm*80mm的模具中，在三瓣模的内部涂抹凡士林并用保鲜膜进行包裹，且对每层混合料进行充分压实；

5)养护：将试样放入标准恒温恒湿养护箱进行养护，待养护时间达24h拆模，随后继续进行养护，待龄期达到7d取出进行试验。

对比例

采用纤维地聚物改良土(偏高岭土质量分数10％、碱激发剂质量分数5％、纤维质量分数0.4％、纤维长度12mm)、普通硅酸盐水泥土(普通硅酸盐水泥质量掺量为15％)、石灰土(生石灰质量掺量为15％)以及纯黏土进行7d无侧向抗压强度试验、直接剪切试验以及巴西劈裂试验，每组至少3个样，对比评价四者在抗压、抗剪、抗劈裂强度方面优劣。

表8不同类型土无侧限强度值

表9不同类型土抗剪切强度值

表10不同类型土抗劈裂强度值

通过对比发现纤维地聚物改良土无侧限抗压强度分别约为普通硅酸盐水泥土(硅酸盐水泥质量分数15％)的1.16倍、石灰土(石灰质量掺量15％)的34.84倍、以及黏土的5.45倍，抗劈裂强度值分别约为普通硅酸盐水泥土(硅酸盐水泥质量分数15％)的1.24倍、石灰土(石灰质量掺量15％)的146.28倍、以及黏土的3.59倍，抗剪强度中粘聚力为198.707KPa、内摩擦角为45.445°，具有良好的工程应用前景。

由上述可见，将由偏高岭土、生石灰、硅酸钠与玄武岩纤维均匀干拌混合形成的地聚物作为混合掺料加入黏土中其抗压强度明显高于纯黏土或者石灰土所制备的试样。这是由于生石灰、硅酸钠和水发生的化学反应其产物为氢氧化钠、硅酸钙(其机理为：Na₂SiO₃+CaO+H₂O＝CaSiO₃↓+2NaOH)。氢氧化钠为强碱，能够很好的激发活性材料偏高岭土，从而提高常温弱碱激发地聚物改良土的单轴抗压强度。然而并非含碱量或含高岭土量越多对其激发效果越好，通过设计配比试验以黏土为参照，碱激发胶凝材料的质量掺量为15％，偏高岭土：Na₂SiO₃：CaO质量比为10：2.78：2.22时，达到最佳配比。而生成的硅酸钙晶体不仅自身拥有优异的力学性能，且其晶粒生长可提高材料的密实性，提高碱激发材料的晶胶比，从而可进一步提高纤维地聚物改良土的强度。此外，玄武岩纤维是天然玄武岩矿石在高温下拉制的一种具有高抗拉强度、高变形模量、耐腐蚀的丝状外掺料，将有效改善改良土干缩变形能力，弥补了地聚物改良土脆性大、延续差的缺点，提高改良土的整体性和承载力。

Claims

1.一种纤维地聚物改良土，其特征在于：包括黏土、碱激发胶凝材料与纤维，以黏土为参照，碱激发胶凝材料质量是黏土质量的10%-18%，纤维质量是黏土质量的0.2%-0.6%，纤维长度范围为3mm-18mm。

2.根据权利要求1所述的纤维地聚物改良土，其特征在于：所述的碱激发胶凝材料包括活性剂与激发剂，活性剂和激发剂的质量比为2:1。

3.根据权利要求2所述的纤维地聚物改良土，其特征在于：所述的活性剂包括偏高岭土、赤泥、火山灰、工业矿渣等硅铝酸盐材料；所述的激发剂为生石灰和硅酸钠的混合物。

4.根据权利要求2所述的纤维地聚物改良土，其特征在于：以黏土为参照，所述的活性剂是黏土质量的8%-12%；所述的激发剂是黏土质量的2%-3%。

5.根据权利要求1所述的纤维地聚物改良土，其特征在于：所述的纤维包括玄武岩纤维，纤维质量掺量为0.4%，纤维长度为12 mm。

6.根据权利要求1所述的纤维地聚物改良土的制备方法，包括下列步骤：

步骤1）将活性剂、激发剂与玄武岩纤维混合干拌后得碱激发胶凝材料；

步骤2）向碱激发胶凝材料中加入水和黏土，搅拌均匀后，得到混合物；

步骤3）将混合物倒入模具中，恒温恒湿环境下养护，即得纤维地聚物改良土。

7.根据权利要求6所述的纤维地聚物改良土的制备方法，其特征在于：所述的步骤3）中模具的尺寸为39.1mm×80mm圆柱样，层数为4层。