一种尾矿砂替代石英砂的地聚物高延性工程复合材料及其制备方法

本发明涉及水泥材料，具体而言，尤其涉及一种尾矿砂替代石英砂的地聚物高延性工程复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、工程水泥基复合材料（engineered cementitious composites，简称ecc）凭借其超高变形能力（3%-10%）和优异的裂缝控制能力，在弹性基础设施中极具应用前景，但传统工程水泥基复合材料由于波特兰水泥和石英砂用量巨大，不经成本高昂，波特兰水泥带来的高碳排也造成严峻的环境负荷，限制了其发展。

2、为实现碳减排与固体废弃物资源化利用的双重目标，研究者尝试利用碱激发技术将工业或城市固废完全替代波特兰水泥制备工程地聚物复合材料（engineeredgeopolymer composites，简称egc）。已有生命周期评价研究并表明，地聚物/碱激发混凝土相较普通硅酸盐水泥混凝土，碳排放通常可降低约40%~80%，但具体降幅与前驱体来源、碱激发剂类型、运输距离和养护方式密切相关。比如，2024年一项研究指出，粉煤灰-硅灰的地聚物混凝土的co2排放约比普通混凝土低50%；另一项2025年研究指出，粉煤灰基地聚物混凝土可降低67%，矿渣基地聚物混凝土可降低54%；2026年综述则将地聚物混凝土相对于普通硅酸盐（opc）混凝土的全球变暖潜值降幅概括为16%~90%。因此，地聚物胶凝材料具备可观的低碳优势，不过传统ecc体系在应用于egc体系时存在若干亟待解决的技术问题。

3、在传统工程水泥基复合材料（ecc）的研究中，已有探索利用工业固废部分替代天然石英砂的先例。例如专利cn120987609a公开了将少量铅锌尾矿粉体（5~8%）掺入以硅酸盐水泥为基础的ecc体系中，利用其微集料填充作用优化界面。然而，在以无水泥、低碳排放为特征的工程地聚物复合材料（egc）领域，实现铅锌尾矿对天然石英砂的大比例乃至完全替代，却面临着无法将传统ecc经验简单移植的技术壁垒。

4、地聚物体系的高碱激发环境与传统水泥水化机制存在本质差异。在egc体系中，若直接大比例使用铅锌尾矿替代惰性的石英砂，会暴露出以下致命的工程与力学缺陷：其一，铅锌尾矿中富含结晶度较高的碳酸盐矿物（如方解石、白云石等），当这些矿物进入高强碱性的地聚物激发体系时，会为缩聚反应提供大量的活性成核位点，引发极其强烈的促凝效应。这导致地质聚合物的凝结时间调控窗口极窄，浆体极易出现“闪凝”，流变性能发生断崖式下降，致使现场施工可操作性完全丧失。其二，与表面光滑的天然石英砂不同，铅锌尾矿颗粒形貌不规则、多棱角且吸水率较高，这会大幅增加浆体的内部摩擦阻力与屈服应力。在基体流动度严重下降的情况下，高延性材料所必需的超高分子量聚乙烯纤维在搅拌时极易发生严重结团，无法实现均匀的三维分散。纤维的团聚不仅会在基体中引入大量微观孔隙缺陷，更会直接破坏纤维的桥联作用与伪应变硬化（psh）机制，导致复合材料抗弯强度显著偏低、极限变形能力大幅丧失。因此，开发一种全新的材料配比与工艺协同方案，以克服大掺量铅锌尾矿在高碱地聚物体系中引发的促凝与流变性恶化问题，从而在实现固废资源化利用的同时，兼顾材料优异的施工流动性与高延性力学性能，具有极其重要的工程应用价值。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种地聚物高延性工程复合材料。该地聚物高延性工程复合材料通过特定比例的地聚物材料使其开裂强度小于纤维的桥接应力，复配缓凝剂、减水剂来延长地聚物材料的初凝速度，提升egc成型操作性，实现国产超高分子量聚乙烯纤维在基体中三维分散均匀，同时利用铅锌尾矿部分或全部替代石英砂，实现了力学性能与高延性特征的协同提升。

2、本发明的另一目的在于提供一种地聚物高延性工程复合材料的制备方法。

3、为了实现上述目的，本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

4、一种地聚物高延性工程复合材料，所述地聚物高延性工程复合材料由如下质量份的组分制备获得：

5、地聚物材料0.95~1.05份；

6、碱激发剂0.14~0.16份；

7、减水剂0.011~0.15份；

8、缓凝剂0.0015~0.0025份；

9、超高分子量聚乙烯纤维0.0065~0.0110份；

10、细骨料0.45~0.55份；

11、水 0.28~0.33份；

12、所述地聚物材料为粉煤灰、高炉矿渣和硅灰的混合物，其中，粉煤灰、高炉矿渣和硅灰的质量比为（0.71~0.79）：（0.13~0.17）：（0.08~0.12）；

13、所述细骨料选自石英砂与铅锌尾矿的混合物或铅锌尾矿，其中，铅锌尾矿在细骨料中体积百分比含量为20~100%。

14、在上述技术方案中，所述粉煤灰为一级粉煤灰。

15、在上述技术方案中，所述碱激发剂包括：零水硅酸钠。

16、在上述技术方案中，所述零水硅酸钠的模数为0.95~1.00。

17、在上述技术方案中，所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂。

18、在上述技术方案中，所述聚羧酸高性能减水剂包括：聚醚型聚羧酸减水剂。

19、在上述技术方案中，所述缓凝剂为碳水化合物。

20、在上述技术方案中，所述碳水化合物包括：葡萄糖酸钠。

21、在上述技术方案中，所述超高分子量聚乙烯纤维的直径为25μm，长度为12mm，拉伸强度为2000mpa，弹性模量为105gpa，伸长率为3%，密度为0.94g/cm3，超高分子量聚乙烯纤维聚合度为150000。

22、在上述技术方案中，石英砂为40~70目。

23、在上述技术方案中，所述铅锌尾矿主要成分包括方解石、白云石、石英和云母；颗粒粒径≤0.12mm。

24、在上述技术方案中，优选铅锌尾矿在细骨料中体积百分比含量为60~100%。

25、上述地聚物高延性工程复合材料的制备方法，包括以下步骤：

26、步骤1，在低速搅拌下，将地聚物材料、碱激发剂、缓凝剂和细骨料混合均匀，得到混合物；向混合物中滴加减水剂和水，滴加结束后继续低速搅拌，再高速搅拌至混合均匀，搅拌完成后加入超高分子量聚乙烯纤维，继续高速搅拌使超高分子量聚乙烯纤维均匀分散，得到混合物料；

27、步骤2，将混合物料置于模具中，振动排气，静置，脱模，得到复合材料，将复合材料密封，养护处理，得到地聚物高延性工程复合材料。

28、在上述技术方案中，使用行星式水泥胶砂搅拌机进行制备。

29、在所述步骤1中，将地聚物材料、碱激发剂、缓凝剂和细骨料混合，以低速搅拌1~2min至均匀；

30、滴加结束后继续低速搅拌1~2min再高速搅拌1~2min至混合均匀；

31、继续高速搅拌3~4min使超高分子量聚乙烯纤维均匀分散。

32、在所述步骤1中，所述低速设置自转速率为135~145 r/min，公转速率为57~67 r/min；

33、所述高速设置自转速率为275~295 r/min，公转速率为115~135 r/min。

34、在所述步骤1中，滴加减水剂和水的具体操作为：使用第一部分水将减水剂进行稀释，向混合物中滴加稀释后的减水剂水溶液和第二部分水，总水分为第一部分水与第二部分水之和，按总水质量，第一部分水占总水分体积百分比的10~20%。

35、在所述步骤2中，养护处理具体为：于温度55~65℃和相对湿度≥99%蒸汽条件下养护24h，再于温度18~22℃、相对湿度≥95%蒸汽条件下养护28d。。

36、在所述步骤2中，所述振动的时间为1~2min，所述静置的时间为24~48h。

37、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

38、（1）本发明以全固废地聚物为胶凝体系，通过铅锌尾矿大比例乃至完全替代天然石英砂，实现了力学性能与高延性特征的协同提升。在无水泥的高碱激发环境下，体系内的三元胶凝材料（地聚物材料）与尾矿细骨料形成了致密的交联网络。该材料的第28天抗压强度高达60~95mpa，极限抗弯强度分布在15~25mpa之间，极限跨中挠度达到6~10mm，兼具可靠的高结构承载能力与优异的弯曲韧性，完全满足高韧性受弯构件在复杂应力下的变形使用需求。

39、（2）本发明通过地聚物三元胶凝体系与外加剂的流变学协同调控，成功克服了全固废体系下高掺量纤维的分散与成型难题。通过特定比例的聚羧酸高性能减水剂与缓凝剂的精准复配，不仅有效抑制了铅锌尾矿中碳酸盐矿物在高碱环境下的“闪凝”效应，保障了适宜的施工操作时间，还显著改善了浆体的屈服应力。这一调控使得国产超高分子量聚乙烯纤维能够在基体中实现均匀的三维分散，全程无结团与泌水离析现象，充分满足了实际工程的机械振捣与密实成型要求。

40、（3）本发明中铅锌尾矿的高效利用与高强度的保持，源于其微集料填充与成核效应的双重优化。铅锌尾矿不仅在物理层面上作为微集料有效填充了地聚物硬化基体的内部微观孔隙，提升了整体密实度；其富含的方解石等碳酸盐矿物还为地聚物缩聚反应提供了丰富的成核位点，加速了早期反应进程。这种物理与化学的双重致密化作用，使得该复合材料即使在100%完全替代天然石英砂的极端工况下，仍能展现出卓越的抗压性能，实现了大宗固废资源化消纳与材料性能的完美兼顾。

41、（4）本发明通过尾矿掺杂与界面力学调控，实现了微观开裂机制与宏观耗能能力的显著优化。铅锌尾矿的引入适度软化了基体的断裂韧度，降低了微裂缝扩展的初始阻力，从而有效缓解了超高分子量聚乙烯纤维在受力滑移时被硬性刮断的风险。这一力学机制有效增加了主裂缝截面上的有效纤维桥联数量，促使试件在受弯破坏过程中表现出极其显著的多重微裂缝开裂特征与伪应变硬化模式，从根本上保障了材料的极限延性。

42、（5）本发明制备方法工艺简单，操作可控性强，原料可直接利用尾矿，减少石英砂投加量，生产成本较低。