CN116375402A - 钢渣基地聚物吸能材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及一种钢渣基地聚物吸能材料及其制备方法，本发明通过添加分散性好、具有定量膨胀能力的毫米级SAP颗粒引入大量毫米级SAP孔，从而提升冲击状态下钢渣基地聚物能量吸收效率的方法。
Description
技术领域
本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及一种钢渣基地聚物吸能材料及其制备方法。
背景技术
水泥生产过程中排放大量二氧化碳、消耗大量的天然矿产资源和能源。相比之下，地聚物的生产主要以钢渣固体废弃物为原料，原料相比于水泥不存在煅烧熟料和碳酸钙分解(生成CO2)过程，故采用地聚物替代水泥可有效减少碳排放。钢渣基地聚物制备过程中产生的碳排放仅为混凝土的40％。
钢渣作为炼钢废弃物排放量巨大，但其较低的利用率会造成巨大的资源浪费和环境污染。利用钢渣制备钢渣基地聚物可有效解决工业废渣大量堆积所带来的环境污染和土地占用问题。地聚物作为新型绿色建筑材料在强度、耐腐蚀性、耐冻性、抗渗性以及抗碱-集料反应方面表现优异，因此研究低碳的钢渣基地聚物意义重大。
很多建筑结构要承受冲击，因而需具备优异的吸能特性，如防撞护栏、飞机阻拦系统、桥梁防撞墩等。地聚物可大范围应用于土木工程，很多结构均对地聚物的能量吸收能力提出特殊要求。较强的脆性造成地聚物的能量吸收效率较低。人造孔能够提高结构的能量吸收效率。
1.文献1(曲阳威,韩凤兰,邢质冰,王亚光.粉煤灰地质聚合物多孔材料的制备及其性能研究[J].新型建筑材料,2020,47(11):144-147.)公布了一种地聚物多孔材料制备的方法。该方法是利用碱激发剂、发泡剂和稳泡剂改变地聚物的孔隙率和体积密度，进而提升地聚物的能量吸收效率。
2.文献2(宋颖.PVA纤维增韧粉煤灰-矿渣基地聚物抗冲击试验研究[D].广东工业大学,2020)公布了一种PVA纤维提高地聚物冲击状态下的能量吸收能力的方法。该方法是通过调整PVA纤维在地聚物中的掺量，以提高地聚物的抗冲击性能和能量吸收效率。
3.文献3(刘博文,夏志浩.玻璃微粉改性偏高岭土地聚物的力学性能改善研究[J].价值工程,2020,39(02):256-258.)公布了一种玻璃微粉改善地聚物力学性能和能量吸收效率的方法。该方法是将废弃玻璃瓶磨粉后加入偏高岭土地聚物中，采用抽真空和添加混杂纤维的方式研究了玻璃微粉改性偏高岭土地聚物的力学性能和能量吸收效率。
上述技术的不足在于：
(1)文献1在发泡能力方面，其所发气泡的稳定性不好，化学发泡法制备很难精准控制发泡速率及其与料浆凝结硬化速率的协调。发泡剂掺量在一定范围才能提高地聚物的能量吸收效率，当H2O2用量较少时，难以产生足量的气体，致使多孔材料的孔隙率相对较低；当H2O2用量过多时，浆料中将产生大量的氧气，大量的孔可能会堆积在一起，导致多孔材料的孔分布不均匀，进而削弱地聚物的强度和能量吸收效率。
(2)文献2中PVA纤维不适于低强度材料，比如强度低于1MPa的飞机拦阻材料。PVA纤维的掺入会降低地聚物混凝土的碱激发反应。只有在PVA纤维掺量达到1.2％时，随着粉煤灰掺量的增加，地聚物所吸收的能量先减小后增大。其他情况下，掺入PVA纤维均会降低地聚物的能量吸收效率。
(3)文献3在偏高岭土地聚物中掺加玻璃粉会降低其强度，并对其能量吸收效率产生不利的影响。在最佳玻璃粉掺量和养护条件下，玻璃粉改性地聚物强度较纯偏高岭土地聚物强度下降约4％。抽真空成型的方式能大幅降低地聚物空间孔洞，提升地聚物抗折强度，但会降低断裂挠度，进而影响地聚物的能量吸收效率。
发明人前期对利用SAP造孔进行了长时间研究，并尝试在地聚物中引入SAP作为人造孔提高地聚物抗冻性，然而，如何在地聚物中利用SAP造出具有吸能孔尚且处于空白。
发明内容
为克服现有技术中存在的问题，本发明公开一种钢渣基地聚物吸能材料及其制备方法，通过添加分散性好、具有定量膨胀能力的毫米级SAP颗粒引入大量毫米级SAP孔，从而提升冲击状态下钢渣基地聚物能量吸收效率的方法。
具体的，本发明钢渣基地聚物吸能材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将称量好的氢氧化钠加入到水玻璃溶液中，并加入适量水，搅拌冷却至室温，获得碱性激发剂，
2)将大颗粒SAP与石膏和纳米氧化锆混合，在球磨机中研磨、筛分，得毫米级SAP颗粒，
3)将钢渣进行研磨，筛分，干燥，得磨细钢渣粉，
4)将毫米级SAP颗粒加入到碱性激发剂中，搅拌，随后加入溶有增稠剂的水搅拌均匀，最后加入磨细钢渣粉混合均匀，得地聚物浆料，
5)将地聚物浆料成型、养护、脱模后，继续养护，即得。
地聚物中的SAP孔是一种新型人造孔，SAP孔源于地聚物中SAP的吸水和释水行为，在地聚物拌合阶段，SAP会吸水膨胀；在地聚物养护阶段，随着地聚物中的水被消耗，湿度梯度引发SAP释水,SAP释水之后会在地聚物中产生SAP孔。现有技术在水泥基材料中引入SAP主要是利用其上述吸水-释水特性起到内养护作用，本发明提出新的思路，即借助改性得到的毫米级SAP颗粒在钢渣基地聚物中引入大量毫米级人造SAP孔，该特殊工艺制备得到的毫米级SAP颗粒释放出的水远远超出养护用水量，该水分会间接提高SAP孔附近浆料的水胶比，会进一步降低孔壁力学性能，从而形成提升冲击状态下钢渣地聚物能量吸收效率的新技术。
优选的，步骤1)氢氧化钠为分析纯级粉末，水玻璃溶液模数为2.8-3.2。
优选的，步骤1)氢氧化钠、水玻璃溶液、水的质量比为35-45:20-30:30-40。
优选的，步骤2)大颗粒SAP的材质为丙烯酸交联丙烯酰胺。
优选的，步骤2)石膏为天然石膏、脱硫石膏、磷石膏的至少一种。
优选的，步骤2)石膏掺量为大颗粒SAP质量的2-3％，纳米氧化锆掺量为大颗粒SAP质量的0.5-3％。
优选的，步骤2)球磨机采用行星式球磨机，更优选的，行星式球磨机型号为XQM-4L，更优选的，研磨转速2500-3000r/mi n，研磨温度为80-90℃，研磨时间为15-30mi n。
本发明研究发现，通过本发明改性工艺制备得到的毫米级SAP颗粒吸水膨胀倍率在11-13倍左右，适用于钢渣基地聚物吸能要求。
优选的，步骤3)钢渣是从当地钢厂选取的转炉钢渣，主要物相有硅酸二钙、硅酸三钙、铁酸二钙以及金属氧化物固溶体，还有少量二氧化硅相和金属铁相。
优选的，步骤3)钢渣研磨时间为60-80mi n；筛分网孔径为80μm和150μm，最终获得粒径80-150μm的钢渣粉。
优选的，步骤4)碱性激发剂的质量为磨细钢渣粉质量的30-40％，毫米级SAP颗粒的质量为磨细钢渣粉质量的8-10％，增稠剂为纤维素醚，用于调控浆体的流变性能，质量为磨细钢渣粉质量的0.5-1％，地聚物浆料中水胶比为0.3-0.5。
优选的，步骤5)成型模具尺寸为40×40×160mm，地聚物浆料入模之前，试模内要刷一层矿物油，以便于脱模。
优选的，步骤5)继续养护至28d。
本发明还涉及钢渣基地聚物吸能材料，具体的，由上述的制备方法制备得到。
优选的，所述地聚物吸能材料为防撞护栏、飞机阻拦系统、桥梁防撞墩等。
本发明的有益效果：
(1)本发明制备方法简单、易操作，毫米级SAP颗粒经过膨胀能力和掺量的测定后，可以均匀地分布在地聚物中，并产生毫米级SAP孔；
(2)通过将大颗粒SAP与石膏和纳米氧化锆进行混合，在球磨机中进行研磨，通过筛分可获得精确膨胀倍率的毫米级SAP，且分散性良好；通过调整毫米级SAP颗粒的掺量，可确定地聚物中SAP孔的尺寸和间距，从而对钢渣基地聚物中的孔结构进行精准设计；
(3)通过在地聚物中加入适量增稠剂可实现新拌钢渣基地聚物流变性能的调控；
(4)通过在地聚物中添加毫米级SAP颗粒以产生毫米级SAP孔结构，进而提升地聚物的能量吸收效率。
具体实施方式
为表征本发明毫米级SAP孔对于冲击状态下钢渣地聚物能量吸收效果，进行压溃实验以典型的应力压溃曲线获得的最大压溃度作为指标。材料最大压溃度越大代表利用越充分，当最大压溃度过小时，表示材料未被充分利用，MH/T 5111-2015《特性材料拦阻系统》规定：作为拦阻核心材料，最大压溃度应不小于0.6。
试验过程中钢渣是从当地钢厂选取的转炉钢渣；大颗粒SAP材质为丙烯酸交联丙烯酰胺型，毫米级SAP颗粒掺量为磨细钢渣粉质量的9％；增稠剂为羟丙基甲基纤维素醚，掺量为磨细钢渣粉质量的0.6％；水玻璃溶液的模数为3.0，碱性激发剂水玻璃质量比为25％、NaOH质量比为40％、水质量比为35％，碱性激发剂掺量为磨细钢渣粉质量的35％；天然石膏掺量为大颗粒SAP质量的2.5％，纳米氧化锆掺量为大颗粒SAP质量的2％；地聚物的水胶比为0.4。
将地聚物吸能材料养护完成后按照民用航空行业标准MH/T5111—2015《特性材料拦阻系统》进行取样，启动万能材料试验机，采用位移控制加载，加载速率为500mm/min，记录压缩过程中的应力和压溃深度，能量吸收效率按下进行计算：
式中，"η"为材料溃缩时的能量吸收效率；"σ"为材料的压应力；"ε"为材料的压溃度。
实施例1
钢渣基地聚物吸能材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将称量好的氢氧化钠加入到水玻璃溶液中，并加入适量水，搅拌冷却至室温，获得碱性激发剂，
2)将大颗粒SAP与石膏和纳米氧化锆混合，在球磨机中研磨、筛分，得毫米级SAP颗粒，
3)将钢渣进行研磨，筛分，干燥，得磨细钢渣粉，
4)将毫米级SAP颗粒加入到碱性激发剂中，搅拌，随后加入溶有增稠剂的水搅拌均匀，最后加入磨细钢渣粉混合均匀，得地聚物浆料，
5)将地聚物浆料成型、养护、脱模，继续养护，即得。
经检测，钢渣基地聚物试件进行压溃实验后，最大压溃度为0.66，此时该试件能量吸收效率即达到最大值，为58％。
对比例1
吸能材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将称量好的氢氧化钠加入到水玻璃溶液中，并加入适量水，搅拌冷却至室温，获得碱性激发剂，
2)将大颗粒SAP在球磨机中研磨、筛分，得SAP颗粒，
3)将钢渣进行研磨，筛分，干燥，得磨细钢渣粉，
4)将SAP颗粒加入到碱性激发剂中，搅拌，随后加入溶有增稠剂的水搅拌均匀，最后加入磨细钢渣粉混合均匀，得地聚物浆料，
5)将地聚物浆料成型、养护、脱模，继续养护，即得。
经检测，钢渣基地聚物试件进行压溃实验后，最大压溃度为0.42，此时该试件能量吸收效率较低，为35％。
对比例2
吸能材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将称量好的氢氧化钠加入到水玻璃溶液中，并加入适量水，搅拌冷却至室温，获得碱性激发剂，
2)将大颗粒SAP与石膏混合，在球磨机中研磨、筛分，得SAP颗粒，
3)将钢渣进行研磨，筛分，干燥，得磨细钢渣粉，
4)将SAP颗粒加入到碱性激发剂中，搅拌，随后加入溶有增稠剂的水搅拌均匀，最后加入磨细钢渣粉混合均匀，得地聚物浆料，
5)将地聚物浆料成型、养护、脱模，继续养护，即得。
经检测，钢渣基地聚物试件进行压溃实验后，最大压溃度为0.38，此时该试件能量吸收效率较低，为32％。
毫米级SAP颗粒改性工艺是本发明的关键，不同改性工艺得到的SAP颗粒的分散效果和膨胀倍率不同，当SAP颗粒改性不恰当时，钢渣基地聚物最大压溃度可能达不到标准，且能量吸收效率较低。
最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种钢渣基地聚物吸能材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将称量好的氢氧化钠加入到水玻璃溶液中，并加入适量水，搅拌冷却至室温，获得碱性激发剂，
2)将大颗粒SAP与石膏和纳米氧化锆混合，在球磨机中研磨、筛分，得毫米级SAP颗粒，
3)将钢渣进行研磨，筛分，干燥，得磨细钢渣粉，
4)将毫米级SAP颗粒加入到碱性激发剂中，搅拌，随后加入溶有增稠剂的水搅拌均匀，最后加入磨细钢渣粉混合均匀，得到地聚物浆料，
5)将地聚物浆料成型、养护、脱模，继续养护，即得。
2.根据权利要求1所述钢渣基地聚物吸能材料的制备方法，其特征在于，步骤1)氢氧化钠为分析纯级粉末，水玻璃溶液模数为2.8-3.2。
3.根据权利要求1所述钢渣基地聚物吸能材料的制备方法，其特征在于，步骤1)氢氧化钠、水玻璃溶液、水的质量比为35-45:20-30:30-40。
4.根据权利要求1所述钢渣基地聚物吸能材料的制备方法，其特征在于，步骤2)大颗粒SAP的材质为丙烯酸交联丙烯酰胺。
5.根据权利要求1所述钢渣基地聚物吸能材料的制备方法，其特征在于，步骤2)石膏为天然石膏、脱硫石膏、磷石膏的至少一种。
6.根据权利要求1所述钢渣基地聚物吸能材料的制备方法，其特征在于，步骤2)石膏掺量为大颗粒SAP质量的2-3％，纳米氧化锆掺量为大颗粒SAP质量的0.5-3％。
7.根据权利要求1所述钢渣基地聚物吸能材料的制备方法，其特征在于，步骤2)球磨机采用行星式球磨机，转速2500-3000r/min，研磨温度为80-90℃，研磨时间为15-30min。
8.根据权利要求1所述钢渣基地聚物吸能材料的制备方法，其特征在于，步骤3)钢渣研磨时间为60-80min；筛分网孔径为80μm和150μm，最终获得粒径80-150μm的钢渣粉。
9.根据权利要求1所述钢渣基地聚物吸能材料的制备方法，其特征在于，步骤4)碱性激发剂的质量为磨细钢渣粉质量的30-40％，毫米级SAP颗粒的质量为磨细钢渣粉质量的8-10％，增稠剂为纤维素醚，质量为磨细钢渣粉质量的0.5-1％，地聚物浆料中水胶比为0.3-0.5。
10.钢渣基地聚物吸能材料，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述的制备方法制备得到。
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