CN111018435B - 一种高强高韧地聚合物材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强高韧地聚合物材料，包括以下按重量计的组分：硅铝质矿物原料500‑700份，碱激发剂600‑800份，纳米级高效改性剂70‑150份，高吸水性树脂2‑5份，混杂纤维2‑6份，表面活性剂4‑10份，细骨料700‑1000份，去离子水100‑150份，硅铝质矿物原料包括偏高岭土200‑300份、粉煤灰150‑200份、赤泥50‑100份、矿渣40‑60份、硅灰40‑60份和硅酸盐水泥20‑40份，纳米级高效改性剂包括缩合磷酸盐20‑50份、纳米二氧化硅20‑40份、纳米氧化铝20‑40份、沸石10‑20份。本发明还公开了高强高韧地聚合物材料制备方法。本发明解决了地聚合物早期自收缩大、易开裂的问题，得到的地聚合物有较强的韧性和较高的强度。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料领域，尤其是涉及一种高强高韧地聚合物材料及其制备方法。
背景技术
地聚合物材料是一种特殊的无机缩聚三维氧化物网络结构的新型材料，这种材料以富含硅铝的矿物为原料，与液体硅酸钠、氢氧化钠等溶液发生碱激发反应而生成，地聚合物材料具有比传统硅酸盐材料更为优异的性能，包括：快硬早强，耐酸碱、耐火、耐高温性能好，固重金属离子效率高等。此外，地聚合物原料多来源于粉煤灰、高炉矿渣、矿山废渣等工业废弃物，生产过程中碳排放和能耗均低于普通硅酸盐水泥，是一种低碳、绿色、节能和环保的建筑材料。地聚合物材料由于早期收缩大、易开裂、脆性强等问题，限制了它的应用和发展，开发一种新型的早期收缩小、可兼顾韧性和强度等性能的地聚合物材料成为亟需解决的关键问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种具有早期收缩小的高强高韧地聚合物材料及其相应的制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高强高韧地聚合物材料，包括以下按重量计的组分：硅铝质矿物原料500-700份，碱激发剂600-800份，纳米级高效改性剂70-150份，预吸水的高吸水性树脂2-5份，混杂纤维2-6份，表面活性剂4-10份，细骨料700-1000份，去离子水100-150份；所述硅铝质矿物原料为复配材料，包括偏高岭土200-300份、粉煤灰150-200份、赤泥50-100份、矿渣40-60份、硅灰40-60份和硅酸盐水泥20-40份；所述纳米级高效改性剂为复配材料，包括缩合磷酸盐20-50份、纳米二氧化硅20-40份、纳米氧化铝20-40份、沸石10-20份。
进一步的，所述碱激发剂为复配材料，包括液体硅酸钠550-750份，固体氢氧化钠50-150份。
进一步的，所述预吸水的高吸水性树脂为高吸水性树脂置于去离子水中静置10-20分钟获得。
进一步的，所述高吸水性树脂为高分子材料，主要化学成分低交联型聚丙烯酸钠含量大于80％，粒径分布为120-180目。
进一步的，所述混杂纤维包括1-3份短切碳纤维、0.5-3份聚丙烯纤维、0.5-2份短切玄武岩纤维，纤维长度均为5-15毫米。
进一步的，所述表面活性剂为复配材料，包括3-7份木质素磺酸钙，1-5份十二烷基硫酸钠，有效成分含量均大于95％。
进一步的，所述细骨料为废玻璃粉或石英砂，粒径分布为100-1000微米。
本发明还公开了一种高强高韧地聚合物材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)制备硅铝质矿物原料：将200-300份偏高岭土、150-200份粉煤灰、50-100份赤泥、40-60份矿渣、40-60份硅灰和20-40份硅酸盐水泥按比例混合搅拌研磨得到；
2)制备纳米级高效改性剂：将20-50份缩合磷酸盐、20-40份纳米二氧化硅、20-40份纳米氧化铝、10-20份沸石按比例混合搅拌研磨得到；
3)处理高吸水性树脂：将2-5份高吸水性树脂放入100-150份去离子水中，静置10-20分钟；
4)制备碱激发剂：将50-150份氢氧化钠按比例倒入550-750份液体硅酸钠中，搅拌均匀，在室温下冷却静置12-24小时得到；
5)制备混杂纤维分散的碱激发溶液：将2-6份混杂纤维，4-10份表面活性剂与步骤4)得到的碱激发剂混合，40-50Hz超声分散30-60分钟，形成均匀的混杂纤维分散碱激发溶液；
6)制备高强高韧地聚合物材料：将步骤4)得到的碱激发剂不断搅拌，并依次加入步骤1)得到的硅铝质原料、步骤2)得到的纳米级高效改性剂、步骤3)得到的预吸水高吸水性树脂以及700-1000份细骨料，混合均匀即得高强高韧地聚合物材料。
本发明的有益效果是：(1)早期收缩小：预吸水高吸水性树脂在地聚合物中会产生自膨胀变形，可以抵消大部分的地聚合物早期收缩，形成更加致密的微观结构。表面活性剂还具有一定的空间位阻作用，有利于粉料颗粒的分散，提高材料的流动性。此外，高吸水性树脂遇到地聚合物中大量的二价以上金属离子(如铝、钙等)产生分子交联而形成凝胶化物质，起到晶种成核的作用。缩合磷酸盐水解产生的PO3 2-和HPO4 2-包裹高吸水性树脂的金属离子，形成磷酸盐复盐相，增加高吸水性树脂与地聚合物的粘结强度，增强地聚合物的力学性能；(2)优异的力学强度：本发明主要基于骨料的最紧密堆积理论，根据各粉料的颗粒级配计算出硅铝质矿物原料以及细骨料的质量比例以及分布模数，得到了活性粉末地聚合物设计最优配比范围，极大的改善了地聚合物的韧性和强度。在此基础上利用纳米级高效改性剂高活性效应以及微集料填充效应，石英砂或废玻璃粉粒径范围和掺量可以有效提高地聚合物的密实度和减小内部孔隙率，纳米级高效改性剂较好的亲水性可以附着在高吸水性树脂基材上，促进高吸水性树脂附近凝胶的生成和发展，填充高吸水性树脂吸收附近水分所形成的缺陷。此外，纳米沸石、氧化硅、氧化铝具有与硅铝质原料以及其结晶产物相似的组成，早期可以促进更多的硅、铝原料的溶出，较大的比表面积可以吸引附近的溶出物质，富集于其表面，起到诱导成核的作用，形成更多的硅酸钙水合物、铝酸钙水合物以及铝硅酸钠水合物，减少凝结时间，优化胶凝材料体系，提高地聚合物的早强效应；(3)抗裂性能好、韧性高：高抗拉强度的碳纤维、抑制裂缝形成及发展的聚丙烯纤维、促进凝胶发展的玄武岩纤维，三种纤维按一定比例混杂相互配合，自行填充，合适的纤维短切长度对高吸水性树脂吸收附近水分所形成的缺陷具有极好的修补作用，有效的控制地聚合物材料微裂缝的形成。此外由于纳米高效改性剂的加入不仅增加了基质的密度，其诱导生成的凝胶物质还可以附着在纤维表面，桥接地聚合物材料与纤维，使得地聚合物与纤维产生更好的化学键合，增加地聚合物材料与纤维的粘结强度，将纤维破坏机制由拔出破坏向纤维拉断模式转变，显著提高材料的强度和韧性。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
1)将200g偏高岭土、150g粉煤灰、50g赤泥、40g矿渣、40g硅灰和20g硅酸盐水泥按比例混合搅拌研磨得到硅铝质矿物原料；
2)将20g缩合磷酸盐、20g纳米二氧化硅、20g纳米氧化铝、10g沸石按比例混合搅拌研磨得到纳米级高效改性剂；
3)将2g高吸水性树脂放入100g去离子水中，静置10分钟，得到预吸水的高吸水性树脂：
4)将50g氢氧化钠按比例倒入600g液体硅酸钠中，搅拌均匀，在室温下冷却静置24小时得到碱激发剂；
5)将1g 5毫米长短切碳纤维、1g 5毫米长聚丙烯纤维、1g 5毫米长短切玄武岩纤维、3g木质素磺酸钙、1g十二烷基硫酸钠与步骤4)得到的碱激发剂混合，50Hz超声分散60分钟，形成均匀的混杂纤维分散碱激发溶液；
6)制备高强高韧地聚合物材料：将步骤4)得到的碱激发剂不断搅拌，并依次加入步骤1)得到的硅铝质原料、步骤2)得到的纳米级高效改性剂、步骤3)得到的预吸水高吸水性树脂以及700g细骨料，混合均匀即得高强高韧地聚合物材料。
实施例2
1)将300g偏高岭土、200g粉煤灰、50g赤泥、50g矿渣、60g硅灰和40g硅酸盐水泥按比例混合搅拌研磨得到硅铝质矿物原料；
2)将50g缩合磷酸盐、40g纳米二氧化硅、40g纳米氧化铝、20g沸石按比例混合搅拌研磨得到纳米级高效改性剂；
3)将3g高吸水性树脂放入150g去离子水中，静置15分钟，得到预吸水的高吸水性树脂：
4)将130g氢氧化钠按比例倒入650g液体硅酸钠中，搅拌均匀，在室温下冷却静置24小时得到碱激发剂；
5)将3g 5毫米长短切碳纤维、2g 5毫米长聚丙烯纤维、1g 5毫米长短切玄武岩纤维、5g木质素磺酸钙、5g十二烷基硫酸钠与步骤4)得到的碱激发剂混合，50Hz超声分散60分钟，形成均匀的混杂纤维分散碱激发溶液；
6)制备高强高韧地聚合物材料：将步骤4)得到的碱激发剂不断搅拌，并依次加入步骤1)得到的硅铝质原料、步骤2)得到的纳米级高效改性剂、步骤3)得到的预吸水高吸水性树脂以及900g细骨料，混合均匀即得高强高韧地聚合物材料。
实施例3
1)将250g偏高岭土、180g粉煤灰、70g赤泥、50g矿渣、50g硅灰和30g硅酸盐水泥按比例混合搅拌研磨得到硅铝质矿物原料；
2)将35g缩合磷酸盐、30g纳米二氧化硅、30g纳米氧化铝、15g沸石按比例混合搅拌研磨得到纳米级高效改性剂；
3)将4g高吸水性树脂放入150g去离子水中，静置20分钟，得到预吸水的高吸水性树脂：
4)将100g氢氧化钠按比例倒入650g液体硅酸钠中，搅拌均匀，在室温下冷却静置24小时得到碱激发剂；
5)将2g 5毫米长短切碳纤维、1.5g 5毫米长聚丙烯纤维、1g 5毫米长短切玄武岩纤维、3g木质素磺酸钙、3g十二烷基硫酸钠与步骤4)得到的碱激发剂混合，50Hz超声分散60分钟，形成均匀的混杂纤维分散碱激发溶液；
6)制备高强高韧地聚合物材料：将步骤4)得到的碱激发剂不断搅拌，并依次加入步骤1)得到的硅铝质原料、步骤2)得到的纳米级高效改性剂、步骤3)得到的预吸水高吸水性树脂以及850g细骨料，混合均匀即得高强高韧地聚合物材料。
对比实施例4
1)将250g偏高岭土、180g粉煤灰、70g赤泥、50g矿渣、50g硅灰和30g硅酸盐水泥按比例混合搅拌研磨得到硅铝质矿物原料；
2)将35g缩合磷酸盐、30g纳米二氧化硅、30g纳米氧化铝、15g沸石按比例混合搅拌研磨得到纳米级高效改性剂；
3)将100g氢氧化钠按比例倒入650g液体硅酸钠中，搅拌均匀，在室温下冷却静置24小时得到碱激发剂；
4)将2g 5毫米长短切碳纤维、1.5g 5毫米长聚丙烯纤维、1g 5毫米长短切玄武岩纤维、3g木质素磺酸钙、3g十二烷基硫酸钠与步骤3)得到的碱激发剂混合，50Hz超声分散60分钟，形成均匀的混杂纤维分散碱激发溶液；
5)制备地聚合物材料：将步骤4)得到的碱激发剂不断搅拌，并依次加入步骤1)得到的硅铝质原料、步骤2)得到的纳米级高效改性剂以及850g细骨料，混合均匀即得地聚合物材料。
对比实施例5
1)将250g偏高岭土、180g粉煤灰、70g赤泥、50g矿渣、50g硅灰和30g硅酸盐水泥按比例混合搅拌研磨得到硅铝质矿物原料；
2)将35g缩合磷酸盐、30g纳米二氧化硅、30g纳米氧化铝、15g沸石按比例混合搅拌研磨得到纳米级高效改性剂；
3)将4g高吸水性树脂放入150g去离子水中，静置10分钟，得到预吸水的高吸水性树脂：
4)将100g氢氧化钠按比例倒入650g液体硅酸钠中，搅拌均匀，在室温下冷却静置24小时得到碱激发剂；
5)制备地聚合物材料：将步骤4)得到的碱激发剂不断搅拌，并依次加入步骤1)得到的硅铝质原料、步骤2)得到的纳米级高效改性剂、步骤3)得到的预吸水高吸水性树脂以及850g细骨料，混合均匀即得地聚合物材料。
对比实施例6
1)将250g偏高岭土、180g粉煤灰、70g赤泥、50g矿渣、50g硅灰和30g硅酸盐水泥按比例混合搅拌研磨得到硅铝质矿物原料；
2)将4g高吸水性树脂放入150g去离子水中，静置10分钟，得到预吸水的高吸水性树脂；
3)将100g氢氧化钠按比例倒入650g液体硅酸钠中，搅拌均匀，在室温下冷却静置24小时得到碱激发剂；
4)将2g 5毫米长短切碳纤维、1.5g 5毫米长聚丙烯纤维、1g 5毫米长短切玄武岩纤维、3g木质素磺酸钙、3g十二烷基硫酸钠与步骤4)得到的碱激发剂混合，50Hz超声分散60分钟，形成均匀的混杂纤维分散碱激发溶液；
5)制备地聚合物材料：将步骤4)得到的碱激发剂不断搅拌，并依次加入步骤1)得到的硅铝质原料、步骤2)得到的预吸水高吸水性树脂以及850g细骨料，混合均匀即得地聚合物材料。
制得的地聚合物材料性能测试结果如表1所示
表1：地聚合物材料性能测试结果
从表1中可以看出，对比实施例4未添加预吸水的高吸水性树脂，早期收缩增加了47％，对比实施例5未添加纤维，抗折强度减小了36％，对比实施例6未添加纳米改性剂，抗压强度、抗折强度均下降，早期收缩增大，表明纳米改性剂对于体系具有很好的协同功效。
本发明制备的地聚合物通过添加纳米级高效改性剂、混杂纤维以及预吸水的高吸水性树脂的协同作用，有效的控制了地聚合物材料早期收缩，显著提高材料的强度和韧性。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种高强高韧地聚合物材料，其特征在于包括以下按重量计的组分：硅铝质矿物原料500-700份，碱激发剂600-800份，纳米级高效改性剂70-150份，预吸水的高吸水性树脂2-5份，混杂纤维2-6份，表面活性剂4-10份，细骨料700-1000份，去离子水100-150份；所述硅铝质矿物原料为复配材料，包括偏高岭土200-300份、粉煤灰150-200份、赤泥50-100份、矿渣40-60份、硅灰40-60份和硅酸盐水泥20-40份；所述纳米级高效改性剂为复配材料，其包括缩合磷酸盐20-50份、纳米二氧化硅20-40份、纳米氧化铝20-40份、沸石10-20份；
所述碱激发剂为复配材料，包括液体硅酸钠550-750份，固体氢氧化钠50-150份；
所述预吸水的高吸水性树脂为高吸水性树脂置于去离子水中静置10-20分钟获得；所述高吸水性树脂为高分子材料，主要化学成分低交联型聚丙烯酸钠含量大于80％，粒径分布为120-180目；
所述混杂纤维包括1-3份短切碳纤维、0.5-3份聚丙烯纤维、0.5-2份短切玄武岩纤维，纤维长度均为5-15毫米；
所述表面活性剂为复配材料，包括3-7份木质素磺酸钙，1-5份十二烷基硫酸钠，有效成分含量均大于95％；
所述细骨料为废玻璃粉或石英砂，粒径分布为100-1000微米。
2.一种如权利要求1所述的高强高韧地聚合物材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)制备硅铝质矿物原料：将200-300份偏高岭土、150-200份粉煤灰、50-100份赤泥、40-60份矿渣、40-60份硅灰和20-40份硅酸盐水泥按比例混合搅拌研磨得到；
2)制备纳米级高效改性剂：将20-50份缩合磷酸盐、20-40份纳米二氧化硅、20-40份纳米氧化铝、10-20份沸石按比例混合搅拌研磨得到；
3)处理高吸水性树脂：将2-5份高吸水性树脂放入100-150份去离子水中，静置10-20分钟；
4)制备碱激发剂：将50-150份氢氧化钠按比例倒入550-750份液体硅酸钠中，搅拌均匀，在室温下冷却静置12-24小时得到；
5)制备混杂纤维分散的碱激发溶液：将2-6份混杂纤维，4-10份表面活性剂与步骤4)得到的碱激发剂混合，40-50Hz超声分散30-60分钟，形成均匀的混杂纤维分散碱激发溶液；
6)制备高强高韧地聚合物材料：将步骤5)得到的混杂纤维分散碱激发溶液不断搅拌，并依次加入步骤1)得到的硅铝质原料、步骤2)得到的纳米级高效改性剂、步骤3)得到的预吸水高吸水性树脂以及700-1000份细骨料，混合均匀即得高强高韧地聚合物材料。
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