一种强风沙环境用矿渣基地质聚合物的制备方法

本发明涉及地质聚合物，特别涉及一种强风沙环境用矿渣基地质聚合物的制备方法。

背景技术：

1、我国西北地区分布着大面积的风沙活动区域，常年受强风挟带沙粒的影响，该区域内的混凝土桥梁、铁路路基、护坡等构筑物长期遭受固体颗粒的高速冲蚀磨损，导致表面水泥石剥落、骨料裸露及微裂纹萌生与扩展，严重降低了混凝土结构的耐久性和服役寿命。地质聚合物是一种由硅氧四面体和铝氧四面体构成三维网络结构的碱激发胶凝材料，具有早期强度高、耐化学侵蚀性好、能耗低且可利用工业废渣等优势，被认为是一种适用于西北地区混凝土修补与防护的新型绿色建筑材料。

2、现有技术中，地质聚合物材料虽然力学性能较为优异，但其本质仍属脆性无机材料，在强风沙环境的高速沙粒冲击下，基体表面易产生微裂纹并迅速扩展，材料以碎屑形式剥落，抗冲蚀磨损能力不足。目前针对地质聚合物的改性研究多集中于单一组分的力学性能提升或纤维增韧，缺乏从冲击能量耗散、基体致密化与裂纹抑制等多环节协同作用的系统设计，难以同时兼顾抗冲蚀性能与力学性能的平衡。此外，有机组分与无机基体之间界面结合薄弱的问题尚未得到有效解决，因此，我们提出一种强风沙环境用矿渣基地质聚合物的制备方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种强风沙环境用矿渣基地质聚合物的制备方法，进而解决了背景技术中提及的技术问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、一种强风沙环境用矿渣基地质聚合物，包括以下重量份的组分：矿渣49～51份、粉煤灰49～51份、碱激发剂48份、聚二甲基硅氧烷0.3～1.5份、γ-氨丙基三乙氧基硅烷0.015～0.075份、硅灰2～6份、聚乙烯醇纤维0.2～0.6份。

4、在一种可能的实现方式中，所述碱激发剂通过以下方法配制得到：将氢氧化钠颗粒加入去离子水中，配制浓度为15 mol/l的氢氧化钠溶液，搅拌至完全溶解，静置冷却至室温，将工业水玻璃与上述氢氧化钠溶液按质量比1.5:1混合，以磁力搅拌器匀速搅拌15 min至混合均匀，静置陈化18 h，即得碱激发剂。

5、在一种可能的实现方式中，一种强风沙环境用矿渣基地质聚合物的制备方法，包括如下步骤：

6、s1、按配比称取矿渣、粉煤灰和硅灰，加入搅拌装置中搅拌混合，得到混合粉料；

7、s2、将聚二甲基硅氧烷与γ-氨丙基三乙氧基硅烷加入无水乙醇中，进行超声分散，得到预分散液；

8、s3、向步骤s1所得的混合粉料中加入配比量的碱激发剂和去离子水，搅拌混合，得到地聚物浆料；

9、s4、向步骤s3所得的地聚物浆料中加入步骤s2所得的预分散液，搅拌分散，使聚二甲基硅氧烷以微米级液滴形式分散于地聚物浆料中；

10、s5、称取配比量的聚乙烯醇纤维，分批加入步骤s4所得的浆料中，每批加入后搅拌至纤维分散均匀，全部加完后继续搅拌，得到复合浆料；

11、s6、将步骤s5所得的复合浆料浇筑入模具中，振实排气，静置养护后脱模，再置于标准养护条件下养护至规定龄期。

12、在一种可能的实现方式中，步骤s2中，所述无水乙醇的用量为聚二甲基硅氧烷重量的10%～30%，超声分散时间为10～30 min。

13、在一种可能的实现方式中，步骤s3中，所述搅拌混合的工艺为：先以60～100 r/min搅拌2～3 min，再以200～300 r/min搅拌1～2 min；所述去离子水的加入量以水胶比0.12进行控制，其中，水胶比定义为去离子水的总质量与矿渣、粉煤灰、硅灰三者总质量的比值。

14、在一种可能的实现方式中，步骤s4中，所述搅拌分散的转速为200～300 r/min，搅拌时间为2～5 min。

15、在一种可能的实现方式中，步骤s5中，所述聚乙烯醇纤维分2～3批加入，每批加入后以60～100 r/min搅拌1～2 min，全部加完后继续以60～100 r/min搅拌2～3 min。

16、在一种可能的实现方式中，步骤s6中，所述静置养护条件为20～25℃下养护24 h后脱模，所述标准养护条件为温度20±2℃、相对湿度不低于95%，养护至28 d龄期。

17、在一种可能的实现方式中，一种强风沙环境用矿渣基地质聚合物在强风沙环境下混凝土桥梁、铁路路基和护坡的冲蚀防护及表面修补中的应用。

18、与现有技术相比的有益效果：

19、1.本方案中，通过将聚二甲基硅氧烷与γ-氨丙基三乙氧基硅烷预先复配制成预分散液后再引入地聚物浆料，利用偶联剂在有机微区与无机基体之间形成化学桥接，使聚二甲基硅氧烷以化学键合方式锚定于基体骨架中，避免了有机相与无机相之间因物理共混而产生的界面脱粘问题，同时在高速冲击下利用聚二甲基硅氧烷的粘弹性变形将冲击动能转化为热能，从源头上削减了裂纹萌生的驱动力；

20、2.本方案中，通过硅灰的掺入，利用其超细颗粒对基体内部微米级和亚微米级孔隙进行物理填充，使基体堆积密度显著提高，同时硅灰中的高活性无定形二氧化硅在碱激发条件下参与火山灰反应生成额外的凝胶产物，对已有孔隙进行二次填充，使孔结构进一步细化，从提升基体本征抗力的角度减少了可供裂纹萌生的缺陷位点数量，该致密的基体基础极大地发挥了冲击能量耗散的作用；

21、3.本方案中，通过聚乙烯醇纤维的引入，利用纤维在基体中呈三维乱向分布所形成的网络结构，当裂纹扩展至纤维位置时纤维横跨裂纹两侧形成桥接，将裂纹尖端应力强度因子维持在较低水平，迫使裂纹偏转或分叉以增加拓展路径的曲折度和能量消耗，使冲蚀材料去除模式从大块脆性剥落转变为微小颗粒的渐进式磨损，同时与聚二甲基硅氧烷的能量耗散和硅灰的致密化增强形成多环节协同，在降低损伤驱动力、提升基体抗力与抑制损伤扩展三个方面共同发挥作用。

1.一种强风沙环境用矿渣基地质聚合物，其特征在于，包括以下重量份的组分：矿渣49～51份、粉煤灰49～51份、碱激发剂48份、聚二甲基硅氧烷0.3～1.5份、γ-氨丙基三乙氧基硅烷0.015～0.075份、硅灰2～6份、聚乙烯醇纤维0.2～0.6份。

2.如权利要求1所述的一种强风沙环境用矿渣基地质聚合物，其特征在于，所述碱激发剂通过以下方法配制得到：将氢氧化钠颗粒加入去离子水中，配制浓度为15 mol/l的氢氧化钠溶液，搅拌至完全溶解，静置冷却至室温，将工业水玻璃与上述氢氧化钠溶液按质量比1.5:1混合，以磁力搅拌器匀速搅拌15 min至混合均匀，静置陈化18 h，即得碱激发剂。

3.制备如权利要求1所述的一种强风沙环境用矿渣基地质聚合物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.如权利要求3所述的一种强风沙环境用矿渣基地质聚合物的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述无水乙醇的用量为聚二甲基硅氧烷重量的10%～30%，超声分散时间为10～30 min。

5.如权利要求3所述的一种强风沙环境用矿渣基地质聚合物的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述搅拌混合的工艺为：先以60～100 r/min搅拌2～3 min，再以200～300 r/min搅拌1～2 min；所述去离子水的加入量以水胶比0.12进行控制，其中，水胶比定义为去离子水的总质量与矿渣、粉煤灰、硅灰三者总质量的比值。

6.如权利要求3所述的一种强风沙环境用矿渣基地质聚合物的制备方法，其特征在于，步骤s4中，所述搅拌分散的转速为200～300 r/min，搅拌时间为2～5 min。

7.如权利要求3所述的一种强风沙环境用矿渣基地质聚合物的制备方法，其特征在于，步骤s5中，所述聚乙烯醇纤维分2～3批加入，每批加入后以60～100 r/min搅拌1～2 min，全部加完后继续以60～100 r/min搅拌2～3 min。

8.如权利要求3所述的一种强风沙环境用矿渣基地质聚合物的制备方法，其特征在于，步骤s6中，所述静置养护条件为20～25℃下养护24 h后脱模，所述标准养护条件为温度20±2℃、相对湿度不低于95%，养护至28 d龄期。

9.如权利要求1至2任一项所述的一种强风沙环境用矿渣基地质聚合物，其特征在于，在强风沙环境下混凝土桥梁、铁路路基和护坡的冲蚀防护及表面修补中的应用。