CN114804740A - 一种混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土的制备方法，属于建筑材料技术领域。所述制备方法的步骤包括：将纳米二氧化硅、增强纤维、减水剂与碱激发剂混合均匀；再加入偏高岭土、粉煤灰、细骨料和粗骨料，搅拌均匀，即制得混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土。本发明针对地聚合物混凝土易开裂、韧性低等缺陷，开发了一种混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土。通过在地聚合物混凝土中掺入增强纤维和纳米材料，有效地提高了所制得混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土的力学性能、抗冲击性。

Description

一种混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土的制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，特别涉及一种混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土的制备方法。
背景技术
水泥材料由于价格低廉，施工工艺简单，力学性能优异，被广泛应用于建筑领域，水泥混凝土的使用促进了人类文明的快速进步。随着城市化和工业化的进一步发展，人类社会对水泥及水泥混凝土的需求仍将不断增加。然而，在水泥及水泥混凝土大规模使用的背后，生态环境承受了巨大压力，其中急需关注的是CO2排放问题。水泥生产是世界上最大的CO2排放源之一，其碳排放主要来源是电能消耗、燃料燃烧和碳酸盐分解。因此，寻找水泥的可靠替代品刻不容缓。
地聚合物(Geopolymer)这一概念最早由法国科学家Davidovits于1970s正式提出，它通常由含丰富硅铝酸盐的工业副产品或自然原料经碱溶液激发制得。含有硅铝酸盐的原材料与碱激发剂混合后，其中的硅铝键在碱环境中溶解，随后游离的硅酸盐离子和AlO4-发生缩聚反应，它们通过共享氧原子形成了与非晶态长石相似的Si-O-Al键，生成稳定结合的三维网状结构。
地聚合物混凝土具有绿色环保和快硬早强的优点，在结构工程中具有良好的应用前景，但地聚合物混凝土所具有的易开裂、韧性低等缺陷使其在复杂环境作用下的服役性能大幅降低。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土的制备方法。通过在地聚合物混凝土中掺入增强纤维和纳米材料，提高了地聚合物混凝土的力学性能、抗冲击性。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明技术方案之一：提供一种混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将纳米二氧化硅、增强纤维、减水剂与碱激发剂混合均匀；再加入偏高岭土、粉煤灰、细骨料和粗骨料，搅拌均匀，制得混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土；
其中，按质量份数计：碱激发剂为330～340份，偏高岭土为268～273份、粉煤灰为191～195份，细骨料为528～577份，粗骨料为980～1072份；
碱激发剂、偏高岭土与粉煤灰共同构成胶凝材料，纳米二氧化硅占胶凝材料总质量的0.5～2.0％；减水剂占胶凝材料总质量的2.5～3.0％；
增强纤维占所述混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土体积分数的0.2～1.8％。
本发明加入的纳米二氧化硅可以填充地聚合物混凝土中的微小孔隙，改善混凝土内孔隙结构，还可以作为反应物，提高地聚合反应程度，改善混凝土界面粘结行为，延缓微裂缝。加入的增强纤维可以通过桥接作用和锚固作用改善纤维-基质界面键，抑制微裂缝的产生和混凝土的膨胀，也可以作为混凝土的一部分来承受荷载，延缓裂缝的发展，提高地聚合物混凝土材料的抗冲击能力、抗变形能力和抗裂能力。
优选地，所述增强纤维为PVA(聚乙烯醇)纤维和/或钢纤维；所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
优选地，所述细骨料为河砂；所述粗骨料为级配碎石。
优选地，所述碱激发剂由水玻璃、氢氧化钠和水按质量比286:53.2:79混合得到。
优选地，所述纳米二氧化硅为疏水改性纳米二氧化硅，具体步骤包括：将十三氟辛基三乙氧基硅烷与纳米二氧化硅加入到无水乙醇中，分散均匀后加水，反应后得到疏水改性纳米二氧化硅。
更优选地，所述十三氟辛基三乙氧基硅烷、纳米二氧化硅与水的质量比为5:4:5。
更优选地，所述加水的速度为1mL/min。
更优选地，所述反应的温度为60℃。
本发明利用十三氟辛基三乙氧基硅烷对纳米二氧化硅进行疏水改性，十三氟辛基三乙氧基硅烷分子的一端为乙氧基，乙氧基极易发生水解，水解后生成的低分子醇具有活性，能与纳米二氧化硅表面的硅羟基发生化学键合，达到与纳米粒子接枝的目的，而十三氟辛基三乙氧基硅烷分子另一端的碳氟基团具有极低的表面能，使得改性后的纳米二氧化硅具有疏水特性。
本发明通过对纳米二氧化硅进行疏水改性，有效地避免了纳米二氧化硅的团聚问题，在增强了纳米二氧化硅分散性能的同时，经过改性的纳米二氧化硅与纤维共同混杂入地聚合物混凝土中，还能增强所加入增强纤维的分散性，避免了增强纤维的聚集，提升地聚合物混凝土的抗拉性能。
本发明技术方案之一：提供一种根据上述混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土的制备方法制得的混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土。
本发明的有益技术效果如下：
本发明针对地聚合物混凝土易开裂、韧性低等缺陷，开发了一种混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土。通过在地聚合物混凝土中掺入增强纤维和纳米材料，有效地提高了所制得混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土的力学性能、抗冲击性。
本发明提供的制备方法简单，无需特殊设备，经简单混合即可得到，所用原料均为常见原料，有利于大规模推广应用。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。
另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明实施例所用偏高岭土的主要化学成分和物理性能指标分别见表1和表2。
表1偏高岭土的主要化学成分
Figure BDA0003659383270000041
表2偏高岭土的主要物理性能指标
Figure BDA0003659383270000051
本发明实施例所用粉煤灰为一级粉煤灰，其主要化学成分和物理性能指标分别见表3和表4。
表3粉煤灰的主要化学成分
Figure BDA0003659383270000052
表4粉煤灰的主要物理性能指标
Figure BDA0003659383270000053
本发明实施例所用水玻璃的固体含量约为40％，液体比重为1.41/cm3，模数为3.2。
本发明所用级配碎石的粒径范围为5～20mm；所用河砂的细度模数为2.8。
本发明实施例所用纳米二氧化硅的物理性能指标见表5。
表5纳米二氧化硅的物理性能指标
Figure BDA0003659383270000054
本发明实施例所用PVA纤维比重为1.32，标准长为9mm，抗拉强度为1400MPa，断裂伸长率为15％。
本发明实施例所用钢纤维为镀铜微丝钢纤维，长度在12～14mm之间，直径约为0.2mm，抗拉强度约为3000级。
实施例1
混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土的制备：
(1)取十三氟辛基三乙氧基硅烷500g与纳米二氧化硅400g，加入到4L无水乙醇中，在室温下以300rpm的速度搅拌30min使之分散均匀，然后以50mL/min的速度加入500g的去离子水，加热至60℃，反应3h，制得改性纳米二氧化硅。
(2)取水玻璃286份，氢氧化钠53.2份和水79份，混合均匀，得到碱激发剂；加入胶凝材料质量分数1.5％的步骤(1)所得改性纳米二氧化硅，混凝土体积分数0.6％的PVA纤维，混凝土体积分数1.0％的钢纤维和胶凝材料质量分数2.88％的聚羧酸高效减水剂，搅拌10min；然后加入偏高岭土269份，粉煤灰192份，级配碎石980份和河砂528份，搅拌20min，得到混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土。
实施例2
混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土的制备：
取水玻璃286份，氢氧化钠53.2份和水79份，混合均匀，得到碱激发剂；加入胶凝材料质量分数1.5％的纳米二氧化硅，混凝土体积分数0.6％的PVA纤维，混凝土体积分数1.0％的钢纤维和胶凝材料质量分数2.88％的聚羧酸高效减水剂，搅拌10min；然后加入偏高岭土269份，粉煤灰192份，级配碎石980份和河砂528份，搅拌20min，得到混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土。
实施例3
混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土的制备：
取水玻璃286份，氢氧化钠53.2份和水79份，混合均匀，得到碱激发剂；加入胶凝材料质量分数1.5％的纳米二氧化硅，混凝土体积分数0.6％的PVA纤维，混凝土体积分数1.0％的钢纤维、胶凝材料质量分数2.88％的聚羧酸高效减水剂，偏高岭土269份，粉煤灰192份，级配碎石980份和河砂528份，搅拌30min，得到混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土。
测定实施例1～3所制得混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土经标准养护后所得试件经加速试验后的各项性能。
所述加速试验采用“三干三湿法”，即在一个干湿循环周期6天内，使地聚合物混凝土试件分别经历3天干燥环境和3天完全浸泡环境，循环10次，共计60天。其中，干燥环境和完全浸泡环境的温度为25℃，完全浸泡环境所采用的浸泡液为质量分数3.5％的氯化钠水溶液。
测定经过加速试验后各实施例试件的抗压强度，依据《普通混凝土力学性能试验方法标准GB/T50081-2016》进行，采用上海华龙测试仪器股份有限公司生产的2000kN微机控制压力试验机测定，根据试验规范，加荷速度为0.5MPa/s，测定结果见表6。
测定经过加速试验后各实施例试件的劈裂抗拉强度，依据《普通混凝土力学性能试验方法标准GB/T50081-2016》进行，采用上海华龙测试仪器股份有限公司生产的2000kN微机控制压力试验机测定，根据试验规范，加荷速度为0.7MPa/s，测定结果见表6。
测定经过加速试验后各实施例试件的弹性模量，依据《普通混凝土力学性能试验方法标准GB/T50081-2016》，采用上海华龙测试仪器股份有限公司生产的2000kN微机控制压力试验机测定，根据试验规范，按照0.5MPa/s的速度进行均匀连续加荷、卸荷，测定结果见表6。
测定经过加速试验后各实施例试件的抗冲击性能，采用沧州中亚试验仪器有限公司生产的纤维混凝土落锤冲击试验机进行操作，设备由冲击架、4.5kg冲击锤和冲击钢球组成，冲击钢球直径为63mm。在进行试验时，确保冲击锤重心和冲击钢球上表面距离为1000mm。冲击试验具体流程如下：先将地聚合物混凝土试件放置在底板中央，在试件顶面中央放置好冲击钢球，利用激光进行对中，然后将冲击锤从1000mm高度落下，冲击放置在试件表面的钢球。定义一次冲击过程为一个循环，每个循环完成后仔细观察试件表面，当试件出现首条裂缝时，此时的冲击次数为混凝土试件初裂冲击次数N1，继续进行下一次冲击循环，直至试件完全破坏，试验终止，试件破坏时的冲击次数为地聚合物混凝土破坏冲击次数N2，以破坏冲击次数和初裂冲击次数的差值N2-N1来描述地聚合物混凝土的冲击韧性。冲击试验中地聚合物混凝土每组配比选用五个试件，冲击次数及破坏冲击次数取去掉最大值和最小值后剩余三个数的平均值为准值，测定结果见表6。
表6实施例1～3所制得地聚合物混凝土试块经加速试验后的性能
Figure BDA0003659383270000081
从表6中可以看出，在省略对纳米二氧化硅进行改性的情况下，所制得的试件各项性能均有所下降(实施例1和实施例2进行对比)；如果调整本发明的各原料加入顺序，同样会影响所制得试件的性能(实施例2和实施例3进行对比)。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将纳米二氧化硅、增强纤维、减水剂与碱激发剂混合均匀；再加入偏高岭土、粉煤灰、细骨料和粗骨料，搅拌均匀，制得混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土；
其中，按质量份数计：碱激发剂为330～340份，偏高岭土为268～273份、粉煤灰为191～195份，细骨料为528～577份，粗骨料为980～1072份；
碱激发剂、偏高岭土与粉煤灰共同构成胶凝材料，纳米二氧化硅占胶凝材料总质量的0.5～2.0％；减水剂占胶凝材料总质量的2.5～3.0％；
增强纤维占所述混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土体积分数的0.2～1.8％。
2.根据权利要求1所述的混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土的制备方法，其特征在于，所述增强纤维为PVA纤维和/或钢纤维；所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
3.根据权利要求1所述的混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土的制备方法，其特征在于，所述细骨料为河砂；所述粗骨料为级配碎石。
4.根据权利要求1所述的混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土的制备方法，其特征在于，所述碱激发剂由水玻璃、氢氧化钠和水按质量比286:53.2:79混合得到。
5.根据权利要求1～4任一项所述的混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土的制备方法，其特征在于，所述纳米二氧化硅为疏水改性纳米二氧化硅，具体步骤包括：将十三氟辛基三乙氧基硅烷与纳米二氧化硅加入到无水乙醇中，分散均匀后加水，反应后得到疏水改性纳米二氧化硅。
6.根据权利要求5所述的混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土的制备方法，其特征在于，所述十三氟辛基三乙氧基硅烷、纳米二氧化硅与水的质量比为5:4:5。
7.根据权利要求5所述的混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土的制备方法，其特征在于，所述反应的温度为60℃。
8.根据权利要求1～7任一项所述混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土的制备方法制得的混杂纤维和纳米材料增强地聚合物混凝土。
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