CN114988767A - 一种纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料骨架强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种纤维‑碳化增强多孔地质聚合物骨架强度的方法，属于环保多孔无机非金属材料的技术领域。所述方法为先将多孔地质聚合物材料的固废原材料破碎、干燥、研磨、筛分和混合得到固废前驱体；将固废前驱体与碱激发剂、发泡剂、束状单丝纤维混合得到混合浆体；将混合浆体注模养护成型并在养护箱中静置固化，得到纤维增强多孔地质聚合物材料；将纤维增强多孔地质聚合物材料脱模、常温养护，得到纤维增强多孔地质聚合物材料的试块；将试块进行碳化增强处理，得到纤维‑碳化增强多孔地质聚合物材料。本发明制备得到的多孔地质聚合物材料的性能：孔隙率＞70％，孔径＜0.17mm，密度＜0.58kg/m3，抗压强度＞3.20MPa。

Description

一种纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料骨架强度的方法
技术领域
本发明属于环保多孔无机非金属材料的技术领域，涉及一种纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料骨架强度的方法。
背景技术
近年来，由于我国能源结构的问题以及快速发展的趋势，煤炭、矿物等资源消耗量巨大，相应的固废产生量越来越多，在2020年全国一般工业固废产生量已高达36.7亿吨。这些固废的闲置不仅会占据大量土地资源，而且具有较强的污染性和腐蚀性，不可避免的会对自然环境和人体健康造成极大的污染和威胁。故而如何大规模利用固废是现有技术亟待解决的技术难题。
目前，大规模利用固废的方式有很多，包括利用固废制备建筑材料、道路材料、矿山填充材料、或其他将会对自然环境和人体健康造成极大的污染和威胁的元素进行回收并转化等方式。
其中：地质聚合物的固废利用方式受到了广泛的关注，其作为一种新型的绿色无机非金属材料，具有较高的抗压强度、较好的耐久性、耐火性等优异性能。且与其他固废资源化技术相比，地质聚合物的固废利用方式对于固废利用量大且适应性强，有利于处理利用各种大宗固废。各种大宗固废包括高炉矿渣、钢渣等工业固废，这些工业固废都需具有非晶态硅铝酸盐的特点，故而可将这些工业固废作为制备地质聚合物的原材料。
而地质聚合物的衍生物与地质聚合物同样可广泛应用于建筑材料和环境功能材料领域，其中的多孔地质聚合物材料就是如此。特别是多孔材料的使用能够带来了诸如环保、结构重量减轻、方便运输和组装等有益效果。
多孔地质聚合物材料通常采用化学发泡法制备，然而目前利用化学发泡法制备的高孔隙率(孔隙率70％以上)的多孔地质聚合物材料普遍存在机械强度较低、脆性大、易出现突发性破坏等缺点，从而限制了其实际应用。故而如何低成本制备高孔隙率(孔隙率70％以上)、高抗压强度(抗压强度3.20MPa以上)的多孔地质聚合物材料使其能够克服前述缺点成为研究重点。
纤维是一种能够改善材料的强度和抗冲击性、防止发生脆性破坏的材料，在材料基体中掺入纤维是一种广泛应用的提高材料力学性能的方法。目前，虽然存在多孔材料中掺入纤维增强多孔材料的韧性，但是由于多孔材料的特性和较弱的界面效应，纤维与目标基体之间的过渡区可能存在缺陷，限制了纤维的应用范围。
例如：中国专利CN109534844A中在无机泡沫保温材料内添加了增强材料，所述增强材料为聚丙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维、木纤维中的任意一种，最终制备的无机泡沫保温墙体材料的抗压强度≥0.3MPa，抗压强度提升并不显著，其中不仅原料成分复杂，而且纤维与无机泡沫保温材料的基体之间的过渡区存在缺陷。
CN104119096A中增加强度的组分为早强组分和增韧纤维、钢渣等有助于提高无机组合物形成的无机泡沫材料抗压强度的物料；其中：早强组分选自强度等级42.5级或52.5级的普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥、矿渣中的一种或多种；增韧纤维可以为聚丙烯纤维、聚氯乙烯纤维、涤纶纤维等其中的一种或一种以上，优选使用聚丙烯纤维和聚氯乙烯纤维。所述纤维的长度为 0.05-20mm，优选0.1-10mm。不仅原料选择中对高炉矿渣、钢渣等工业固废利用率低，而且成分复杂，抗压强度低。
且除过纤维增强外，还有其他增强方式，例如：中国专利CN104774032A 公开了一种轻质无机泡沫材料，增韧剂为苯丙乳液，但是其主要原料为工业废弃物粉煤灰和废玻璃，闭孔率高(＞70％)，孔径小(＜1mm)。
而在多孔地质聚合物材料中，低孔隙度不能避免碳化造成的表层过早致密化，且低孔隙度限制CO2向样品内部传输。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中多孔地质聚合物材料如果制备成高孔隙率，则多孔地质聚合物材料的抗压强度一般为0.3-1.5MPa，故而多孔地质聚合物材料的骨架强度较低；如果通过纤维增强多孔地质聚合物材料，则存在纤维与待增强多孔地质聚合物材料之间的过渡区不匹配，增强效果不明显的技术缺陷。
为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：
一种纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料骨架强度的方法，所述方法包括如下步骤：
S1、原料预处理
将多孔地质聚合物材料的固废原材料依次进行破碎、干燥、研磨、筛分和混合，得到固废前驱体；
S2、混合浆体制备
将步骤S1的固废前驱体与碱激发剂、发泡剂、束状单丝纤维、拌合水混合，得到混合浆体；
S3、恒温恒湿固化
将步骤S2的混合浆体注模养护成型，放入恒温恒湿的养护箱中静置固化，得到纤维增强多孔地质聚合物材料；
S4、常温养护
将步骤S3的纤维增强多孔地质聚合物材料依次进行脱模、常温养护处理，得到纤维增强多孔地质聚合物材料的试块；
S5、碳化增强处理
将步骤S4的试块进行碳化增强处理，得到纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料。
优选地，所述方法的步骤S1中，固废原材料的粒径均小于75μm。
优选地，所述方法的步骤S1中，固废原材料包括但不限于高炉矿渣、钢渣及其任意组合的富含硅钙铝元素的工业固废。
优选地，所述方法的步骤S1中，多孔地质聚合物材料的固废原材料高炉矿渣、钢渣的质量比范围8:2～6:4。所述高炉矿渣、钢渣的质量比选择原因：(1) 不同矿渣、钢渣成分有一定波动；(2)对多孔地质聚合物材料的强度要求不同，所以二者掺比需要根据要求和条件调整。本原因同样适用于解释以下质量分数波动的原因。
优选地，所述方法的步骤S1中，固废前驱体含有质量分数30-40％的氧化钙，质量分数为5-15％的氧化铝，质量分数为20-30％的氧化硅。
优选地，所述方法的步骤S2中，碱激发剂为硅酸钠，模数为1.0，添加量质量分数为14-18％；发泡剂为过氧化氢，浓度为30％，添加量质量分数为4-8％；碱激发剂、发泡剂与固废前驱体的混合物综合液固比为0.32-0.40。
优选地，所述方法的步骤S2中，束状单丝纤维的体积之和在多孔无机非金属材料体积之中占比为0.4-1.0；束状单丝纤维类型为聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维中的至少一种，束状单丝纤维的长度为2-4mm，所述纤维直径为6-25μm。
优选地，所述方法的步骤S3中，固化温度为60-80℃，固化湿度为40-60％，固化时间为24h。
优选地，所述方法的步骤S4中，常温养护处理的时间为3天。
优选地，所述方法的步骤S5中，碳化增强的条件为：采用纯度为30-99％的CO2，压强为0.08-0.14MPa，碳化温度为20-30℃，碳化时间为1-24h。
优选地，所述方法的步骤S5中，试块在可控的密闭碳化箱中进行碳化养护。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
上述方案中，本发明提供的一种纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料骨架强度的方法中，通过纤维和碳化协同提高多孔地质聚合物材料骨架强度，克服了纤维与待增强多孔地质聚合物材料之间的过渡区不匹配的技术问题，可广泛应用于建筑材料和环境功能材料领域。
而现有技术如果选择碳化单独增强多孔地质聚合物材料骨架强度，则会造成表层过早致密化，限制CO2向样品内部传输的技术问题；故而在闭孔率高的多孔地质聚合物材料中并不适用，只适用于本申请的纤维增强高孔隙率的多孔地质聚合物材料中。
本发明提出的通过纤维-碳化方式协同增强多孔地质聚合物材料骨架强度的方法，可有效改善多孔地质聚合物材料普遍存在的机械强度较低、脆性大、易出现突发性破坏等问题，拓展了多孔无机非金属材料的应用范围；同时，碳化技术的使用减少了CO2的排放量，用“矿物固化CO2”的方法为碳中和提供了技术支持；该增强技术操作简单，成本低，节能环保，具有较大的经济和社会价值。
总之，本发明提供的一种纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料骨架强度的方法制备得到的多孔地质聚合物材料的性能：孔隙率＞70％，孔径＜0.17mm，密度＜0.58kg/m3，抗压强度＞3.20MPa。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料骨架强度的工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案和解决的技术问题进行阐述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明专利的一部分实施例，而不是全部实施例。
实施例1
一种纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料骨架强度的方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1、原料预处理
将多孔地质聚合物材料的固废原材料高炉矿渣、钢渣按照质量比7：3依次进行破碎、干燥、研磨、筛分和混合，得到粒径均小于75μm的固废前驱体；
S2、混合浆体制备
将步骤S1的固废前驱体与碱激发剂、发泡剂、束状单丝纤维、溶剂混合，得到混合浆体；其中：碱激发剂为质量分数16％的硅酸钠，发泡剂为质量分数 6％、浓度30％的H2O2，束状单丝纤维为体积分数0.5％的玄武岩、聚乙烯醇、聚丙烯、岩棉，束状单丝纤维长度为3mm，所述纤维直径在6-25μm；溶剂为质量分数18％的拌合水；碱激发剂、发泡剂与固废前驱体的混合物综合液固比为0.34；
S3、恒温恒湿固化
将步骤S2的混合浆体注入40mm×40mm×40mm的模具中，并迅速放入养护箱中，在70℃恒温、45％恒湿条件下固化24h成型；得到纤维增强多孔地质聚合物材料；
S4、常温养护
将步骤S3的纤维增强多孔地质聚合物材料进行脱模，之后放入常温条件下养护3天，得到纤维增强多孔地质聚合物材料的试块；
S5、碳化增强处理
将步骤S4的试块放入CO2纯度为99％、CO2压强在0.12MPa、碳化温度在25℃的碳化箱中进行碳化增强处理，碳化时间为1h，得到纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料。
实施例1的不同纤维-碳化增强后的多孔地质聚合物材料的性能如表1所示：
表1实施例1的不同纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料的性能
Figure BDA0003612740610000061
Figure BDA0003612740610000071
由表1可知，纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料样品的抗压强度普遍高于对照组，孔隙率略有下降但变化不大。不同纤维对于多孔地质聚合物强度的改善有不同影响，在四种纤维中，玄武岩纤维、PVA纤维和PP纤维可以有效提高多孔无机非金属材料的抗压强度，RW纤维对于抗压强度的提升效果不大。其中，掺入PVA纤维的试样抗压强度提高幅度最大，孔隙率有所降低；而PP纤维与碳化反应表现出良好的协同作用，抗压强度和孔隙率整体性能较好。
且表1中的数据表明，在仅掺入PP纤维时(PPF-6-N，1.30MPa)，虽然 PP纤维在基体中的分散性能最好，但PP纤维和基体的过渡区之间易存在明显的缺陷，导致纤维无法有效的与基体粘结在一起，试样被破坏时大部分纤维被拔出，PP纤维本身强度没有得到有效利用。而在碳化增强之后，样品(PPF-6-C， 3.65MPa)的抗压强度得到明显提升，同样高于单独碳化的样品(NF-6-C，2.60 MPa)，PP纤维与碳化反应表现出良好的协同作用。此外，表1中可以看到孔隙率在纤维和碳化增强后变化并不大。
实施例2
一种纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料骨架强度的方法，包括如下步骤：
S1、原料预处理
将多孔地质聚合物材料的固废原材料高炉矿渣、钢渣按照质量比8：2依次进行破碎、干燥、研磨、筛分和混合，得到粒径均小于75μm的固废前驱体；
S2、混合浆体制备
将步骤S1的固废前驱体与碱激发剂、发泡剂、束状单丝纤维、溶剂混合，得到混合浆体；其中：碱激发剂为质量分数14％的硅酸钠，发泡剂为质量分数 4％、浓度30％的H2O2，束状单丝纤维为体积分数0.4％的玄武岩、聚乙烯醇、聚丙烯、岩棉，束状单丝纤维长度为2mm，所述纤维直径在6-25μm；水、碱激发剂、发泡剂与固废前驱体的混合物综合液固比为0.32；
S3、恒温恒湿固化
将步骤S2的混合浆体注入30mm×30mm×30mm的模具中，并迅速放入养护箱中，在70℃恒温、45％恒湿条件下固化24h成型；得到纤维增强多孔地质聚合物材料；
S4、常温养护
将步骤S3的纤维增强多孔地质聚合物材料进行脱模，之后放入常温条件下养护3天，得到纤维增强多孔地质聚合物材料的试块；
S5、碳化增强处理
将步骤S4的试块放入CO2纯度为95％、CO2压强在0.12MPa、碳化温度在28℃的碳化箱中进行碳化增强处理，碳化时间为3h，得到纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料。
实施例2的不同纤维-碳化增强后的多孔地质聚合物材料的性能如表2所示：
表2实施例2的不同纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料的性能
Figure BDA0003612740610000081
由表2可知，纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料样品的抗压强度大部分高于对照组。四种纤维中，玄武岩纤维、PVA纤维和PP纤维与碳化结合可以有效提高多孔地质聚合物的抗压强度，RW纤维则无明显作用。其中，掺入PVA纤维的试样抗压强度提高幅度最大，PP纤维与碳化反应表现出良好的协同作用，抗压强度和孔隙率整体性能较好。
且表2中的数据表明，在仅掺入PP纤维时(PPF-6-N，1.39MPa)，虽然 PP纤维在基体中的分散性能最好，但PP纤维和基体的过渡区之间易存在明显的缺陷，导致纤维无法有效的与基体粘结在一起，试样被破坏时大部分纤维被拔出，PP纤维本身强度没有得到有效利用。而在碳化增强之后，样品(PPF-6-C， 3.93MPa)的抗压强度得到明显提升，同样高于单独碳化的样品(NF-6-C， 2.80MPa)，PP纤维与碳化反应表现出良好的协同作用。此外，表2中可以看到孔隙率在纤维和碳化增强后变化并不大。
实施例3
一种纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料骨架强度的方法，包括如下步骤：
S1、原料预处理
将多孔地质聚合物材料的固废原材料高炉矿渣、钢渣按照质量比6：4依次进行破碎、干燥、研磨、筛分和混合，得到粒径均小于75μm的固废前驱体；
S2、混合浆体制备
将步骤S1的固废前驱体与碱激发剂、发泡剂、束状单丝纤维、溶剂混合，得到混合浆体；其中：碱激发剂为质量分数18％的硅酸钠，发泡剂为质量分数 8％、浓度30％的H2O2，束状单丝纤维为体积分数1.0％的玄武岩、聚乙烯醇、聚丙烯、岩棉，束状单丝纤维长度为4mm，所述纤维直径在6-25μm；水、碱激发剂、发泡剂与固废前驱体的混合物综合液固比为0.4；
S3、恒温恒湿固化
将步骤S2的混合浆体注入50mm×50mm×50mm的模具中，并迅速放入养护箱中，在70℃恒温、45％恒湿条件下固化24h成型；得到纤维增强多孔地质聚合物材料；
S4、常温养护
将步骤S3的纤维增强多孔地质聚合物材料进行脱模，之后放入常温条件下养护3天，得到纤维增强多孔地质聚合物材料的试块；
S5、碳化增强处理
将步骤S4的试块放入CO2纯度为80％、CO2压强在0.11MPa、碳化温度在26℃的碳化箱中进行碳化增强处理，碳化时间为6h，得到纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料。
实施例3的不同纤维-碳化增强后的多孔地质聚合物材料的性能如表3所示：
表3实施例3的不同纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料的性能
Figure BDA0003612740610000101
由表3可知，纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料样品的抗压强度大部分高于对照组。四种纤维中，玄武岩纤维、PVA纤维和PP纤维与碳化结合可以有效提高多孔地质聚合物的抗压强度，RW纤维则无明显作用。其中，掺入 PVA纤维的试样抗压强度提高幅度最大，PP纤维与碳化反应表现出良好的协同作用，抗压强度和孔隙率整体性能较好。
且表3中的数据表明，在仅掺入PP纤维时(PPF-6-N，1.55MPa)，虽然 PP纤维在基体中的分散性能最好，但PP纤维和基体的过渡区之间易存在明显的缺陷，导致纤维无法有效的与基体粘结在一起，试样被破坏时大部分纤维被拔出，PP纤维本身强度没有得到有效利用。而在碳化增强之后，样品(PPF-6-C，3.42MPa)的抗压强度得到明显提升，同样高于单独碳化的样品(NF-6-C， 2.49MPa)，PP纤维与碳化反应表现出良好的协同作用。此外，表3中可以看到孔隙率在纤维和碳化增强后变化并不大。
实施例4
一种纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料骨架强度的方法，包括如下步骤：
S1、原料预处理
将多孔地质聚合物材料的固废原材料高炉矿渣、钢渣按照质量比7.5：2.5 依次进行破碎、干燥、研磨、筛分和混合，得到粒径均小于75μm的固废前驱体；
S2、混合浆体制备
将步骤S1的固废前驱体与碱激发剂、发泡剂、束状单丝纤维、溶剂混合，得到混合浆体；其中：碱激发剂为质量分数17％的硅酸钠，发泡剂为质量分数 6.7％、浓度30％的H2O2，束状单丝纤维为体积分数0.56％的玄武岩、聚乙烯醇、聚丙烯、岩棉，束状单丝纤维长度为3mm，所述纤维直径在6-25μm；水、碱激发剂、发泡剂与固废前驱体的混合物综合液固比为0.36；
S3、恒温恒湿固化
将步骤S2的混合浆体注入35mm×35mm×35mm的模具中，并迅速放入养护箱中，在70℃恒温、45％恒湿条件下固化24h成型；得到纤维增强多孔地质聚合物材料；
S4、常温养护
将步骤S3的纤维增强多孔地质聚合物材料进行脱模，之后放入常温条件下养护3天，得到纤维增强多孔地质聚合物材料的试块；
S5、碳化增强处理
将步骤S4的试块放入CO2纯度为75％、CO2压强在0.13MPa、碳化温度在27℃的碳化箱中进行碳化增强处理，碳化时间为12h，得到纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料。
实施例4的不同纤维-碳化增强后的多孔地质聚合物材料的性能如表4所示：
表4实施例4的不同纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料的性能
Figure BDA0003612740610000121
由表4可知，纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料样品的抗压强度大部分高于对照组。四种纤维中，玄武岩纤维、PVA纤维和PP纤维与碳化结合可以有效提高多孔地质聚合物的抗压强度，RW纤维则无明显作用。其中，掺入 PVA纤维的试样抗压强度提高幅度最大，PP纤维与碳化反应表现出良好的协同作用，抗压强度和孔隙率整体性能较好。
且表4中的数据表明，在仅掺入PP纤维时(PPF-6-N，1.65MPa)，虽然 PP纤维在基体中的分散性能最好，但PP纤维和基体的过渡区之间易存在明显的缺陷，导致纤维无法有效的与基体粘结在一起，试样被破坏时大部分纤维被拔出，PP纤维本身强度没有得到有效利用。而在碳化增强之后，样品(PPF-6-C， 3.72MPa)的抗压强度得到明显提升，同样高于单独碳化的样品(NF-6-C， 2.58MPa)，PP纤维与碳化反应表现出良好的协同作用。此外，表4中可以看到孔隙率在纤维和碳化增强后变化并不大。
实施例5
一种纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料骨架强度的方法，包括如下步骤：
S1、原料预处理
将多孔地质聚合物材料的固废原材料高炉矿渣、钢渣按照质量比6.5：3.5 依次进行破碎、干燥、研磨、筛分和混合，得到粒径均小于75μm的固废前驱体；
S2、混合浆体制备
将步骤S1的固废前驱体与碱激发剂、发泡剂、束状单丝纤维、溶剂混合，得到混合浆体；其中：碱激发剂为质量分数15％的硅酸钠，发泡剂为质量分数 5.6％、浓度30％的H2O2，束状单丝纤维为体积分数0.64％的玄武岩、聚乙烯醇、聚丙烯、岩棉，束状单丝纤维长度为3mm，所述纤维直径在6-25μm；水、碱激发剂、发泡剂与固废前驱体的混合物综合液固比为0.33；
S3、恒温恒湿固化
将步骤S2的混合浆体注入45mm×45mm×45mm的模具中，并迅速放入养护箱中，在70℃恒温、45％恒湿条件下固化24h成型；得到纤维增强多孔地质聚合物材料；
S4、常温养护
将步骤S3的纤维增强多孔地质聚合物材料进行脱模，之后放入常温条件下养护3天，得到纤维增强多孔地质聚合物材料的试块；
S5、碳化增强处理
将步骤S4的试块放入CO2纯度为67％、CO2压强在0.14MPa、碳化温度在28℃的碳化箱中进行碳化增强处理，碳化时间为18h，得到纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料。
实施例5的不同纤维-碳化增强后的多孔地质聚合物材料的性能如表5所示：
表5实施例5的不同纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料的性能
Figure BDA0003612740610000131
Figure BDA0003612740610000141
由表5可知，纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料样品的抗压强度大部分高于对照组。四种纤维中，玄武岩纤维、PVA纤维和PP纤维与碳化结合可以有效提高多孔地质聚合物的抗压强度，RW纤维则无明显作用。其中，掺入 PVA纤维的试样抗压强度提高幅度最大，PP纤维与碳化反应表现出良好的协同作用，抗压强度和孔隙率整体性能较好。
且表5中的数据表明，在仅掺入PP纤维时(PPF-6-N，1.61MPa)，虽然 PP纤维在基体中的分散性能最好，但PP纤维和基体的过渡区之间易存在明显的缺陷，导致纤维无法有效的与基体粘结在一起，试样被破坏时大部分纤维被拔出，PP纤维本身强度没有得到有效利用。而在碳化增强之后，样品(PPF-6-C， 3.46MPa)的抗压强度得到明显提升，同样高于单独碳化的样品(NF-6-C， 2.54MPa)，PP纤维与碳化反应表现出良好的协同作用。此外，表5中可以看到孔隙率在纤维和碳化增强后变化并不大。
实施例6
一种纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料骨架强度的方法，包括如下步骤：
S1、原料预处理
将多孔地质聚合物材料的固废原材料高炉矿渣、钢渣按照质量比7.2：2.8 依次进行破碎、干燥、研磨、筛分和混合，得到粒径均小于75μm的固废前驱体；
S2、混合浆体制备
将步骤S1的固废前驱体与碱激发剂、发泡剂、束状单丝纤维、溶剂混合，得到混合浆体；其中：碱激发剂为质量分数16％的硅酸钠，发泡剂为质量分数 5％、浓度30％的H2O2，束状单丝纤维为体积分数0.8％的玄武岩、聚乙烯醇、聚丙烯、岩棉，束状单丝纤维长度为3mm，所述纤维直径在6-25μm；水、碱激发剂、发泡剂与固废前驱体的混合物综合液固比为0.35；
S3、恒温恒湿固化
将步骤S2的混合浆体注入55mm×55mm×55mm的模具中，并迅速放入养护箱中，在70℃恒温、45％恒湿条件下固化24h成型；得到纤维增强多孔地质聚合物材料；
S4、常温养护
将步骤S3的纤维增强多孔地质聚合物材料进行脱模，之后放入常温条件下养护3天，得到纤维增强多孔地质聚合物材料的试块；
S5、碳化增强处理
将步骤S4的试块放入CO2纯度为65％、CO2压强在0.10MPa、碳化温度在22℃的碳化箱中进行碳化增强处理，碳化时间为24h，得到纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料。
实施例6的不同纤维-碳化增强后的多孔地质聚合物材料的性能如表6所示：
表6实施例6的不同纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料的性能
Figure BDA0003612740610000151
Figure BDA0003612740610000161
由表6可知，纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料样品的抗压强度大部分高于对照组。四种纤维中，玄武岩纤维、PVA纤维和PP纤维与碳化结合可以有效提高多孔地质聚合物的抗压强度，RW纤维则无明显作用。其中，掺入PVA纤维的试样抗压强度提高幅度最大，PP纤维与碳化反应表现出良好的协同作用，抗压强度和孔隙率整体性能较好。
且表6中的数据表明，在仅掺入PP纤维时(PPF-6-N，1.79MPa)，虽然 PP纤维在基体中的分散性能最好，但PP纤维和基体的过渡区之间易存在明显的缺陷，导致纤维无法有效的与基体粘结在一起，试样被破坏时大部分纤维被拔出，PP纤维本身强度没有得到有效利用。而在碳化增强之后，样品(PPF-6-C， 3.69MPa)的抗压强度得到明显提升，同样高于单独碳化的样品(NF-6-C，2.68MPa)，PP纤维与碳化反应表现出良好的协同作用。此外，表6中可以看到孔隙率在纤维和碳化增强后变化并不大。
综上，结合表1-表6可知，在多孔地质聚合物材料的固废原材料高炉矿渣、钢渣质量比为8:2-6:4；碱激发剂质量分数为14-18％的硅酸钠；发泡剂质量分数为4-8％、浓度30％的H2O2；束状单丝纤维体积分数为0.4-1.0％的玄武岩、聚乙烯醇、聚丙烯、岩棉，束状单丝纤维长度为2-4mm，所述纤维直径在 6-25μm；水、碱激发剂、发泡剂与固废前驱体的混合物综合液固比为0.32-0.40 的条件下，碳化技术与纤维强化技术联用可以在几乎不改变孔隙率的情况下，有效增强多孔地质聚合物材料骨架强度。
上述方案中，本发明提供的一种纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料骨架强度的方法中，通过纤维和碳化协同提高多孔地质聚合物材料骨架强度，克服了纤维与待增强多孔地质聚合物材料之间的过渡区不匹配的技术问题，可广泛应用于建筑材料和环境功能材料领域。
而现有技术如果选择碳化单独增强多孔地质聚合物材料骨架强度，则会造成表层过早致密化，限制CO2向样品内部传输的技术问题；故而在闭孔率高的多孔地质聚合物材料中并不适用，只适用于本申请的纤维增强高孔隙率的多孔地质聚合物材料中。
本发明提出的通过纤维-碳化方式协同增强多孔地质聚合物材料骨架强度的方法，可有效改善多孔地质聚合物材料普遍存在的机械强度较低、脆性大、易出现突发性破坏等问题，拓展了多孔无机非金属材料的应用范围；同时，碳化技术的使用也可减少CO2的排放量，进一步促进“碳中和”的实现；该增强技术操作简单，成本低，节能环保，具有较大的经济和社会价值。
总之，本发明提供的一种纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料骨架强度的方法制备得到的多孔地质聚合物材料的性能：孔隙率＞70％，孔径＜0.17mm，密度＜0.58kg/m3，抗压强度＞3.20MPa。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料骨架强度的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、原料预处理
将多孔地质聚合物材料的固废原材料依次进行破碎、干燥、研磨、筛分和混合，得到固废前驱体；
S2、混合浆体制备
将步骤S1的固废前驱体与碱激发剂、发泡剂、束状单丝纤维、拌合水混合，得到混合浆体；
S3、恒温恒湿固化
将步骤S2的混合浆体注模养护成型，放入恒温恒湿的养护箱中静置固化，得到纤维增强多孔地质聚合物材料；
S4、常温养护
将步骤S3的纤维增强多孔地质聚合物材料依次进行脱模、常温养护处理，得到纤维增强多孔地质聚合物材料的试块；
S5、碳化增强处理
将步骤S4的试块进行碳化增强处理，得到纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料。
2.根据权利要求1所述的纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料骨架强度的方法，其特征在于，所述方法的步骤S1中，固废原材料的粒径均小于75μm。
3.根据权利要求1所述的纤维-碳化增强多孔无机非金属材料骨架强度的方法，其特征在于，所述方法的步骤S1中，高炉渣和钢渣通过掺比控制，以实现成分和活性互补；固废原材料包括但不限于高炉矿渣、钢渣及其任意组合的富含硅钙铝元素的工业固废。
4.根据权利要求1所述的纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料骨架强度的方法，其特征在于，所述方法的步骤S1中，固废前驱体含有质量分数30-40％的氧化钙，质量分数为5-15％的氧化铝，质量分数为20-30％的氧化硅。
5.根据权利要求1所述的纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料骨架强度的方法，其特征在于，所述方法的步骤S2中，碱激发剂为硅酸钠，模数为1.0，添加量质量分数为14-18％；发泡剂为过氧化氢，浓度为30％，添加量质量分数为4-6％；碱激发剂、发泡剂与固废前驱体的混合物综合液固比为0.32-0.40。
6.根据权利要求1所述的纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料骨架强度的方法，其特征在于，所述方法的步骤S2中，束状单丝纤维的体积之和在多孔无机非金属材料体积之中占比为0.4-1.2％；束状单丝纤维类型为聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维中的至少一种，束状单丝纤维的长度为2-4mm，所述纤维直径为6-25μm。
7.根据权利要求1所述的纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料骨架强度的方法，其特征在于，所述方法的步骤S3中，固化温度为60-80℃，固化湿度为40-60％，固化时间为24h。
8.根据权利要求1所述的纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料骨架强度的方法，其特征在于，所述方法的步骤S4中，常温养护处理的时间为3天。
9.根据权利要求1所述的纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料骨架强度的方法，其特征在于，所述方法的步骤S5中，碳化增强的条件为：采用纯度为30-99％的CO2，压强为0.08-0.14MPa，碳化温度为20-30℃，碳化时间为1-24h。
10.根据权利要求1所述的纤维-碳化增强多孔地质聚合物材料骨架强度的方法，其特征在于，所述方法的步骤S5中，试块在可控的密闭碳化箱中进行碳化养护。
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