技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料學(xué)領(lǐng)域，涉及一種建筑用復(fù)合材料，具體來(lái)說(shuō)是一種PVA纖維增強(qiáng)的超高韌性地聚合物基復(fù)合材料及制備方法。

背景技術(shù)：

地聚合物是一種以無(wú)機(jī)[SiO₄]、[AlO₄]四面體為主要組成，具有空間三維網(wǎng)絡(luò)狀鍵接結(jié)構(gòu)的新型無(wú)機(jī)硅鋁質(zhì)膠凝材料。與傳統(tǒng)水泥基材料相比，其原材料來(lái)源廣泛，且制備方便、能耗小、CO₂排放量低，同時(shí)具有快硬早強(qiáng)、高強(qiáng)、抗?jié)B、抗凍、高韌、耐腐蝕、耐火以及固封重金屬等優(yōu)異性能，使其在工程上特別是搶修搶建工程得到了很好的應(yīng)用。但是，由于地聚合物材料自身抗拉強(qiáng)度低、脆性大等固有弱點(diǎn)，在建設(shè)和使用過(guò)程中易出現(xiàn)不同程度和不同形式的裂縫，制約著這種材料的推廣使用。

因此為了增強(qiáng)地聚合物材料的強(qiáng)度和韌性，Davidovits在1989年到1994年間分別用玻璃纖維、碳纖維和碳化硅纖維增韌地聚合物材料，使其抗彎強(qiáng)度分別達(dá)到了140MPa、175MPa、220MPa，尤其是用碳纖維增強(qiáng)的地聚合物復(fù)合材料，它在1000℃下不氧化不變形，力學(xué)性能基本穩(wěn)定。D.M.Ryo于1976年采用熱壓工藝制得了孔隙率為2%，抗壓強(qiáng)度為650MPa的類巖石膠凝體。意大利的科學(xué)家則把纖化聚丙烯網(wǎng)添加到地聚物材料中并成功制備輕質(zhì)頂板；日本的鏡美添加了PVA，制造了人造大理石。

但是由于地聚合物膠凝體系凝結(jié)、硬化機(jī)理與常見(jiàn)的硅酸鹽水泥有著很大差別，在早期反應(yīng)過(guò)程中許多因素都影響著該復(fù)合材料的強(qiáng)度，如：固體混合物中的硅鋁比、堿激發(fā)劑含量和養(yǎng)護(hù)條件等。因此探尋該材料的最優(yōu)配合比與最佳反應(yīng)條件，對(duì)該復(fù)合材料的推廣應(yīng)用具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種PVA增強(qiáng)的超高韌性地聚合物基復(fù)合材料及制備方法，所述的這種PVA增強(qiáng)的超高韌性地聚合物基復(fù)合材料及制備方法要解決現(xiàn)有技術(shù)中的混凝土抗拉強(qiáng)度低、自重大、脆性大、控制裂縫的能力較差的技術(shù)問(wèn)題。

本發(fā)明提供了一種PVA增強(qiáng)的超高韌性地聚合物基復(fù)合材料，由低鈣粉煤灰、高鈣粉煤灰、氫氧化鈉、石英砂、硅酸鈉、水、偏高嶺土和聚乙烯醇纖維組成，各組份的重量份數(shù)如下：

低鈣粉煤灰 542份；

高鈣粉煤灰 136份；

石英砂 183~203份；

偏高嶺土 0~20份；

水 160份；

氫氧化鈉 38份；

硅酸鈉 173份；

聚乙烯醇纖維 14~17份；

進(jìn)一步的，所述的低鈣粉煤灰粉為一級(jí)低鈣粉煤灰粉，中位徑(D50)為4.732μm。

進(jìn)一步的，所述的高鈣粉煤灰為一級(jí)高鈣粉煤灰，中位徑(D50)為19.45μm。

進(jìn)一步的，所述的石英砂為30~100目的石英砂，最大粒徑不超過(guò)0.6mm。

進(jìn)一步的，所述的偏高嶺土中位徑（D50）為5.210μm。

進(jìn)一步的，所述的氫氧化鈉為純度為98%顆粒狀氫氧化鈉。

進(jìn)一步的，所述的硅酸鈉為3.3模的液體硅酸鈉。

進(jìn)一步的，所述的聚乙烯醇纖維長(zhǎng)度為12mm，直徑為39μm，抗拉強(qiáng)度為1620MPa，彈性模量為42.8GPa。

本發(fā)明還提供了上述的一種PVA增強(qiáng)的超高韌性地聚合物基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟：

1)按照重量份數(shù)稱取各反應(yīng)物質(zhì)；

2)將低鈣粉煤灰、高鈣粉煤灰、偏高嶺土、石英砂加入到攪拌鍋中，在公轉(zhuǎn)62±5r/min，自轉(zhuǎn)140±5r/min的條件下干攪2～4分鐘至均勻；

3)將水、硅酸鈉、氫氧化鈉在一個(gè)反應(yīng)容器中混合攪拌均勻制成堿激發(fā)劑；

4)將堿激發(fā)劑加入到步驟1）的攪拌鍋中，在公轉(zhuǎn)125±10r/min，自轉(zhuǎn)285±10r/min的條件下攪拌3～5分鐘；

5)加入聚乙烯醇纖維，再攪拌5~8分鐘，直至纖維分散均勻，即得到所述的PVA纖維增強(qiáng)的超高韌性地聚合物基復(fù)合材料。

本發(fā)明將廢棄的工業(yè)廢渣粉煤灰在高韌性地聚合物基復(fù)合材料領(lǐng)域進(jìn)行再利用，有效的消耗了工業(yè)廢渣，并且降低了能源的消耗，在充分發(fā)揮工業(yè)廢渣作用、解決粉煤灰對(duì)環(huán)境污染的問(wèn)題，同時(shí)增加了超高韌性地聚合物基復(fù)合材料原料的來(lái)源，以便于更好地推廣應(yīng)用，減少了二氧化碳排放、減少環(huán)境污染。

本發(fā)明和已有技術(shù)相比，其技術(shù)進(jìn)步是顯著的。本發(fā)明的PVA纖維增強(qiáng)的超高韌性地聚合物基復(fù)合材料具有以下有益效果：

1.材料性能好：

本發(fā)明的3d材料性能為：抗拉強(qiáng)度：2.2MPa，極限應(yīng)變：6.8%；7d材料性能為：抗拉強(qiáng)度：3.7MPa，極限應(yīng)變：6.4%；28d材料性能為：抗拉強(qiáng)度：3.7MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.2%。

2. 成本低：

本發(fā)明的PVA纖維增強(qiáng)的超高韌性地聚合物基復(fù)合材料，結(jié)合了地聚合物基復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)，在原料中添加了大量廉價(jià)的粉煤灰和偏高嶺土，一方面能夠利用堿激發(fā)反應(yīng)生成性能穩(wěn)定的聚合物，優(yōu)化基體材料與聚乙烯醇纖維的粘結(jié)性能，保證了材料的高韌性，另一方面粉煤灰和偏高嶺土來(lái)源更加廣泛，降低了原材料的價(jià)格。實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明的PVA增強(qiáng)的超高韌性地聚合物基復(fù)合材料具有超高韌性和強(qiáng)度，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)地聚合物基復(fù)合材料延展性差的缺點(diǎn)，從而便于地聚合物基復(fù)合材料在我國(guó)工程領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)例1的粉煤灰與偏高嶺土復(fù)摻的超高韌性地聚合物基復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變與齡期關(guān)系對(duì)比示意圖。

圖2是實(shí)例1的粉煤灰與偏高嶺土復(fù)摻的超高韌性地聚合物基復(fù)合材料單軸直接拉伸后的多縫開(kāi)裂示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

低鈣粉煤灰：542份，高鈣粉煤灰：136份，石英砂：182.7份，硅酸鈉：173份，氫氧化鈉：38份，水：160份，纖維：14份，偏高嶺土：20.3份。

該配合比使用一級(jí)高鈣粉煤灰、一級(jí)低鈣粉煤灰和內(nèi)蒙古產(chǎn)偏高嶺土，將固體混合物加入到攪拌鍋中，慢速（公轉(zhuǎn)62±5 r/min，自轉(zhuǎn)140±5 r/min）干攪3分鐘至均勻。再將配好的堿激發(fā)劑溶于水加入攪拌鍋，快攪（公轉(zhuǎn)125±10 r/min，自轉(zhuǎn)285±10 r/min）5分鐘，加入所述比例的纖維，再攪拌6分鐘，直至聚乙烯醇纖維分散均勻，即得到所述的PVA增強(qiáng)的超高韌性地聚合物基復(fù)合材料漿體，最后將漿體置入模具中成型，在80℃烘箱中養(yǎng)護(hù)2小時(shí)，再常溫養(yǎng)護(hù)成型。

所述的細(xì)骨料由河砂篩分而成，最大粒徑不超過(guò)0.6mm。所述的堿激發(fā)劑為純度為98%的氫氧化鈉與3.3模的硅酸鈉配制而成。

3d材料性能如下：抗拉強(qiáng)度為2.2MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.8%；7d材料性能如下：抗拉強(qiáng)度為3.7MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.4%；28d材料的性能如下：抗拉強(qiáng)度為3.7MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.2%。

實(shí)施例2：

低鈣粉煤灰：542份，高鈣粉煤灰：136份，石英砂：203份，硅酸鈉：173份，氫氧化鈉：38份，水：160份，纖維：15.6份，偏高嶺土：0份。

該配合比使用一級(jí)高鈣粉煤灰、一級(jí)低鈣粉煤灰，將固體混合物加入到攪拌鍋中，慢速（公轉(zhuǎn)62±5 r/min，自轉(zhuǎn)140±5 r/min）干攪3分鐘至均勻。再將配好的堿激發(fā)劑溶于水加入攪拌鍋，快攪（公轉(zhuǎn)125±10 r/min，自轉(zhuǎn)285±10 r/min）5分鐘，加入所述比例的纖維，再攪拌6分鐘，直至聚乙烯醇纖維分散均勻，即得到所述的PVA增強(qiáng)的超高韌性地聚合物基復(fù)合材料漿體，最后將漿體置入模具中成型，在80℃烘箱中養(yǎng)護(hù)2小時(shí)，再常溫養(yǎng)護(hù)成型。

所述的細(xì)骨料由河砂篩分而成，最大粒徑不超過(guò)0.6mm。所述的堿激發(fā)劑為純度為98%的氫氧化鈉與3.3模的硅酸鈉配制而成。

3d材料性能如下：抗拉強(qiáng)度為3.2MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.0%；7d材料性能如下：抗拉強(qiáng)度為3.6MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.4%；28d材料的性能如下：抗拉強(qiáng)度為4.5MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.7%。

實(shí)施例3：

低鈣粉煤灰：542份，高鈣粉煤灰：136份，石英砂：192.9份，硅酸鈉：173份，氫氧化鈉：38份，水：160份，纖維：17份，偏高嶺土：10.2份。

該配合比使用一級(jí)高鈣粉煤灰、一級(jí)低鈣粉煤灰和內(nèi)蒙古產(chǎn)偏高嶺土，將固體混合物加入到攪拌鍋中，慢速（公轉(zhuǎn)62±5 r/min，自轉(zhuǎn)140±5 r/min）干攪3分鐘至均勻。再將配好的堿激發(fā)劑溶于水加入攪拌鍋，快攪（公轉(zhuǎn)125±10 r/min，自轉(zhuǎn)285±10 r/min）5分鐘，加入所述比例的纖維，再攪拌6分鐘，直至聚乙烯醇纖維分散均勻，即得到所述的PVA增強(qiáng)的超高韌性地聚合物基復(fù)合材料漿體，最后將漿體置入模具中成型，在80℃烘箱中養(yǎng)護(hù)2小時(shí)，再常溫養(yǎng)護(hù)成型。

所述的細(xì)骨料由河砂篩分而成，最大粒徑不超過(guò)0.6mm。所述的堿激發(fā)劑為純度為98%的氫氧化鈉與3.3模的硅酸鈉配制而成。

3d材料性能如下：抗拉強(qiáng)度為2.4MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.8%；7d材料性能如下：抗拉強(qiáng)度為5.1MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.1%；28d材料性能如下：抗拉強(qiáng)度為3.4MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.9%。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。