一种地质聚合物混凝土及其制备方法

1.本发明涉及建筑材料技术领域，特别涉及一种地质聚合物混凝土及其制备方法。


背景技术：

2.随着我国能源工业的稳固发展，粉煤灰排放量急剧增加，1995年粉煤灰排放量达1.25亿吨，2010年约为3亿吨，到现在每年排放量约为6亿吨，且后续的低端处理给我国的国民经济建设及生态环境造成了巨大的压力，地质聚合物的应用能够有效利用工业废弃物，实现废物循环，满足可持续发展的战略需求。
3.近些年来，增材制造技术得到了长足发展，使得打印一些复杂结构的骨料成为可能，而自然状态下的骨料存在着颗粒级配不连续，骨料质量良莠不齐，并且骨料与浆体之间难以形成有效连接机制等缺点。并且，传统混凝土在高温下，产生较多裂缝，同时导致混凝土结构变脆，在大力发展绿色建筑的今天，传统混凝土的缺陷愈发的明显，比如生产过程中产生的大量温室气体，抗裂性能差，极易发生碱集料反应造成混凝土强度下降等一系列缺陷使得人们不得不重新思考新型建筑材料，有大量研究表明，复合材料的使用能够结合两种材料的优缺点，使得整体强度得到成倍提升，通过纤维状增强相的脱粘拔出效应和裂纹偏转效应，使裂缝在展开过程中吸收更多能量，并通过触发碳纤维骨料得恢复应力，可降低结构的应力水平，改善应力分布，提高结构的承载能力。而地质聚合物作为新型绿色材料，采用废弃固料在碱激发剂作用下形成，在耐酸碱、吸收重金属离子、节能减排、高强度等方面具有出色的性能。
4.地质聚合物是利用低钙的活性硅铝质原材经过碱激发而形成的胶凝材料，在碱性物质的作用下，铝硅酸盐矿物粉体中的si-o、al-o键发生断裂，形成硅氧、铝氧四面体结构，再经过缩聚形成三维网络状结构，具有凝结时间可调节、较强的耐酸碱腐蚀能力、吸收及固定重金属离子及放射性物质的功能和耐热耐高温等品质。在建筑材料、防水材料以及废料固封领域有着广阔的应用前景。


技术实现要素：

5.为解决现有混凝土浆体性能不足的问题，本发明提供一种地质聚合物混凝土及其制备方法，以改善目前混凝土在强度，耐疲劳，养护等方面的问题。本发明的多功能地质聚合物混凝土，能够在高温时延缓混凝土温度升高速率，起到内部二次养护，改善骨料与浆体之间的连结机制，提高混凝土力学性能和耐疲劳性的作用。
6.为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
7.一种地质聚合物混凝土，其特征在于，包括如下质量份的组成：
[0008][0009][0010]
优选的，粉煤灰粒径为1～45μm。
[0011]
优选的，空心石蜡颗粒直径为5～15mm且内部填充ca(oh)2溶液。
[0012]
优选的，粗骨料为互锁球，细骨料为空心玻璃微珠。
[0013]
优选的，空心玻璃微珠直径为5～15mm且满足连续颗粒级配。
[0014]
优选的，剑麻纤维、空心玻璃微珠和空心石蜡颗粒在使用前先放入碱金属溶液中浸泡24～28h。
[0015]
优选的，互锁球采用将短切碳纤维注入abs树脂中进行3d打印制成，互锁球直径为15～40mm且满足连续颗粒级配。
[0016]
优选的，互锁球的制备方法包括以下步骤：
[0017]
(1)建模互锁：
[0018]
通过revit建模软件，基于孔隙率60～80％将圆进行镂空处理，并将五个镂空处理后的模型拼接成单元，将每两个单元互锁形成互锁金字塔状模型；
[0019]
(2)曝光打印：
[0020]
用光固化3d打印机对互锁金字塔状模型进行切片处理，切片厚度为0.02～0.003mm；设定第一层曝光时间80～120s，第2～5层曝光时间为40～60s，第7层之后的曝光时间为15～20s；在每层曝光完成后对光固化3d打印机进行灭灯冷却操作，灭灯时间为4～8s，调平后打印得到互锁球模型；
[0021]
(3)后处理：
[0022]
将互锁球模型采用钢刷打磨加糙处理，并放入碱金属溶液中浸泡1～2h，得到所述互锁球。
[0023]
优选的，碱金属溶液选自氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钡中的一种或几种，碱金属溶液的浓度为9～11mol/l。
[0024]
本发明还提供了该地质聚合物混凝土的制备方法，包括以下步骤：
[0025]
(1)混合搅拌：
[0026]
将磷酸三钠、硅酸三钠和水混合，搅拌配成碱激发剂，边搅拌边按顺序加入粉煤灰、细骨料、粗骨料，混合得到基体；
[0027]
(2)制备浆体：
[0028]
将经由碱金属溶液处理的剑麻纤维和空心石蜡颗粒加入基体中，超声波震荡得到地质聚合物混凝土的浆体；
[0029]
(3)养护成型：
[0030]
将浆体注入模具中并在45℃
±
0.5℃，相对湿度为95％
±
5％的环境下养护4h，养护成型后脱模，再每隔24h喷洒碱金属溶液，养护7天，得到地质聚合物混凝土。
[0031]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0032]
(1)本发明中用通过增材制造技术制造的具有镂空结构的互锁球改善了胶体与骨料界面的连接机制，经过空间组合，构成负泊松比的拉胀结构，有效减弱界面过渡区带来的不利影响，并通过结构建立起地聚物的三轴压缩机制，一定程度上提高地聚物的杨氏模量；
[0033]
(2)本发明中的地质聚合物基体主要由粉煤灰(连续相)、互锁球(粗骨料)、空心玻璃微珠(细骨料)构成，通过剑麻纤维(增强相)的脱粘拔出效应和裂纹偏转效应，使裂缝在展开过程中吸收更多能量，并通过触发碳纤维骨料的恢复应力，可降低结构的应力水平，改善应力分布；且空心玻璃微珠的加入起到了隔音和降低自重作用。
[0034]
(3)本发明的空心石蜡颗粒内置溶液ca(oh)2，高温时触发熔融机制，内置溶液释放，起到降温和再次养护的目的。因此，本发明通过耦合不同性能材料，制备的多功能地质聚合物混凝土材料力学性能表现优异，失效机制为延性破坏，提高了结构的承载能力。
附图说明
[0035]
此处的附图被并入说明书中并构成说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理，其中：
[0036]
图1为本发明提供的地质聚合物混凝土的制作流程图；
[0037]
图2为本发明提供的地质聚合物混凝土的结构示意图；
[0038]
图3为本发明提供的互锁球的立体图；
[0039]
图4为本发明提供的石蜡颗粒的剖面图。
[0040]
附图标记：1、空心石蜡颗粒；2、空心玻璃微珠；3、互锁球；4、剑麻纤维；5、地质聚合物混凝土；6、ca(oh)2溶液。
具体实施方式
[0041]
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。
[0042]
所有实施例中份数为质量份。
[0043]
实施例1：
[0044]
本实施例中多功能地质聚合物混凝土的配方如下：
[0045]
粉煤灰80份，互锁球(粗骨料)10份，空心玻璃微珠(细骨料)10份，磷酸三钠20份，硅酸三钠15份，剑麻纤维1份，去离子水50份，空心石蜡颗粒2份，其中3d打印互锁球(粗骨
料)的直径介于15mm到40mm，空心玻璃微珠(细骨料)的直径介于5mm到15mm，空心石蜡颗粒的直径介于5mm到15mm。
[0046]
地质聚合物混凝土的制备方法如下：
[0047]
步骤一：使用3d打印机制作粗骨料—互锁球。
[0048]
步骤二：将配方中的磷酸三钠、硅酸三钠和去离子水进行混合，充分搅拌后配成所需模数的碱激发剂。
[0049]
步骤三：将制成的碱激发剂与粉煤灰混合充分搅拌得到地质聚合物。
[0050]
步骤四：在搅拌过程中加入空心玻璃微珠2(细骨料)进行混合搅拌，然后再加入互锁球3(粗骨料)进行混合搅拌得到地质聚合物混凝土的基体，随后将碱金属溶液处理的剑麻纤维4和石蜡颗粒1(内置ca(oh)2溶液6)加入至基体中，进行超声波震荡，充分搅拌得到地质聚合物混凝土的浆体。
[0051]
步骤五：将制成的浆体及时注入所需模具中，并在45℃
±
0.5℃，相对湿度为95％
±
5％的环境条件下进行养护4h，养护成型后进行脱模处理，完成第一养护。
[0052]
步骤六：脱模处理后在上述条件下每隔24小时喷洒碱金属溶液养护7天，得到地质聚合物混凝土5试块。
[0053]
该地质聚合物混凝土养护完成后抗压强度为57.35mpa，试块重复加载三次后抗压强度为52.35mpa，100℃高温环境下1h芯部温度为57℃。
[0054]
实施例2：
[0055]
粉煤灰90份，互锁球(粗骨料)12份，空心玻璃微珠(细骨料)11份，磷酸三钠25份，硅酸三钠17份，剑麻纤维1.5份，去离子水55份，空心石蜡颗粒3份，其中互锁球(粗骨料)的直径介于15mm到40mm，空心玻璃微珠(细骨料)的直径介于5mm到15mm，空心石蜡颗粒的直径介于5mm到15mm。
[0056]
地质聚合物混凝土的制备方法如下：
[0057]
步骤一：使用3d打印机制作粗骨料—互锁球。
[0058]
步骤二：将配方中的磷酸三钠、硅酸三钠和去离子水进行混合，充分搅拌后配成所需模数的碱激发剂。
[0059]
步骤三：将制成的碱激发剂与粉煤灰混合充分搅拌得到地质聚合物。
[0060]
步骤四：在搅拌过程中加入空心玻璃微珠(细骨料)进行混合搅拌，然后再加入互锁球(粗骨料)进行混合搅拌得到地质聚合物混凝土的基体，随后将碱金属溶液处理的剑麻纤维和石蜡颗粒加入至基体中，进行超声波震荡，充分搅拌得到地质聚合物混凝土的浆体。
[0061]
步骤五：将制成的浆体及时注入所需模具中并在45℃
±
0.5℃，相对湿度为95％
±
5％的环境条件下进行养护4小时，养护成型后进行脱模处理，完成第一养护。
[0062]
步骤六：脱模处理后在上述条件下每隔24小时喷洒碱金属溶液养护7天，得到地质聚合物混凝土试块。
[0063]
该地质聚合物混凝土养护完成后抗压强度为60.46mpa，试块重复加载三次后抗压强度为53.48mpa，100℃高温环境下1h芯部温度为53℃。
[0064]
实施例3：
[0065]
粉煤灰100份，互锁球(粗骨料)15份，空心玻璃微珠(细骨料)12份，磷酸三钠30份，硅酸三钠20份，剑麻纤维2份，去离子水60份，空心石蜡颗粒5份，其中粗骨料的直径介于
15mm到40mm，细骨料的直径介于5mm到15mm，石蜡颗粒的直径介于5mm到15mm。
[0066]
地质聚合物混凝土的制备方法如下：
[0067]
步骤一：使用3d打印机制作粗骨料—互锁球。
[0068]
步骤二：将配方中的磷酸三钠、硅酸三钠和去离子水进行混合，充分搅拌后配成所需模数的碱激发剂。
[0069]
步骤三：将制成的激发剂与粉煤灰混合充分搅拌得到地质聚合物。
[0070]
步骤四：在搅拌过程中加入空心玻璃微珠(细骨料)进行混合搅拌，然后再加入互锁球(粗骨料)进行混合搅拌得到地质聚合物混凝土的基体，随后将碱金属溶液处理的剑麻纤维和石蜡颗粒加入至基体中，进行超声波震荡，充分搅拌得到地质聚合物混凝土的浆体。
[0071]
步骤五：将制成的浆体及时注入所需模具中并在45℃
±
0.5℃，相对湿度为95％
±
5％的环境条件下进行养护4小时，养护成型后进行脱模处理，完成第一养护。
[0072]
步骤六：脱模处理后在上述条件下每隔24小时喷洒碱金属溶液养护7天得到地质聚合物混凝土试块。
[0073]
该地质聚合物混凝土养护完成后抗压强度为61.02mpa，试块重复加载三次后抗压强度为56.95mpa，100℃高温环境下1h芯部温度为55℃。
[0074]
对比例1：
[0075]
粉煤灰80份，碎石(粗骨料)10份，空心玻璃微珠(细骨料)12份，磷酸三钠20份，硅酸三钠15份，剑麻纤维1份，去离子水50份，空心石蜡颗粒2份，其中粗骨料的直径介于15mm到40mm，细骨料的直径介于5mm到15mm，石蜡颗粒的直径介于5mm到15mm。
[0076]
地质聚合物混凝土的制备方法如下：
[0077]
步骤一：将配方中的磷酸三钠、硅酸三钠和去离子水进行混合，充分搅拌后配成所需模数的碱激发剂。
[0078]
步骤二：将制成的碱激发剂与粉煤灰混合充分搅拌得到地质聚合物。
[0079]
步骤三：在搅拌过程中加入空心玻璃微珠(细骨料)进行混合搅拌，然后再加入碎石(粗骨料)进行混合搅拌得到地质聚合物混凝土的基体，随后将碱金属溶液处理的剑麻纤维和石蜡颗粒加入至基体中，进行超声波震荡，充分搅拌得到地质聚合物混凝土的浆体。
[0080]
步骤四：将制成的浆体及时注入所需模具中并在45℃
±
0.5℃，相对湿度为95％
±
5％的环境条件下进行养护4小时，养护成型后进行脱模处理，完成第一养护。
[0081]
步骤五：脱模处理后在上述条件下每隔24小时喷洒碱金属溶液，养护7天得到地质聚合物混凝土试块。
[0082]
该地质聚合物混凝土养护完成后抗压强度为46.43mpa，试块重复加载三次后抗压强度为35.25mpa。
[0083]
对比例2：
[0084]
粉煤灰80份，互锁球(粗骨料)10份，空心玻璃微珠(细骨料)12份，磷酸三钠20份，硅酸三钠15份，剑麻纤维1份，去离子水50份，空心石蜡颗粒0份，其中粗骨料的直径介于15mm到40mm，细骨料的直径介于5mm到15mm，石蜡颗粒的直径介于5mm到15mm。
[0085]
地质聚合物混凝土的制备方法如下：
[0086]
步骤一：使用3d打印机制作粗骨料—互锁球。
[0087]
步骤二：将配方中的磷酸三钠、硅酸三钠和水进行混合，充分搅拌后配成所需模数
的碱激发剂。
[0088]
步骤三：将制成的碱激发剂与粉煤灰混合充分搅拌得到地质聚合物。
[0089]
步骤四：在搅拌过程中加入空心玻璃微珠(细骨料)进行混合搅拌，然后再加入碎石(粗骨料)进行混合搅拌得到地质聚合物混凝土的基体，随后将碱金属溶液处理的剑麻纤维和石蜡颗粒加入至基体中，进行超声波震荡，充分搅拌得到地质聚合物混凝土的浆体。
[0090]
步骤五：将制成的浆体及时注入所需模具中并在45℃
±
0.5℃，相对湿度为95％
±
5％的环境条件下进行养护4小时，养护成型后进行脱模处理，完成第一养护。
[0091]
步骤六：脱模处理后在上述条件下每隔24小时喷洒碱金属溶液进行第二养护，养护7天，得到地质聚合物混凝土试块。
[0092]
该地质聚合物混凝土养护完成后抗压强度为62.11mpa，100℃高温环境下1h芯部温度为66℃。
[0093]
表1实施例及对比例的实验数据对比
[0094][0095]
由表1中数据可知，本发明制备得到的地质聚合物混凝土力学性能较好，由实施例1与对比例1的抗压强度数据可以看出，互锁球的加入可以在一定程度上提高试块的抗压强度；由三次加载抗压强度可知，互锁球的加入可以改善混凝土内部应力分布，提高了混凝土耐疲劳性。由实施例1和对比例2的1h芯部温度可知，内置碱金属溶液的空心石蜡颗粒在一定程度上延缓了混凝土温度上升。
[0096]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。
[0097]
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。