一种多尺度纤维增强碱激发胶凝材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种多尺度纤维增强碱激发胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：首先、将滤纸纤维溶解，获得纳米纤维溶液；其次、加入氢氧化钠，获得纳米纤维碱激发溶液；再次、将胶凝材料前体粉末与细砂的混合物加入纳米纤维碱激发溶液中；最后、加入微米纤维，并混匀，装模振捣，经养护获得多尺度纤维增强碱激发胶凝材料。该胶凝材料内部含有自组装性能的纳米纤维编织网络，并与微米纤维形成独特的“狼牙棒”多尺度结构。两种不同尺度纤维相互作用，提高微观结构致密性，增强基体抗裂能力。纳米纤维表面的亲水基团改善微米纤维与碱激发胶凝材料基体间的界面结合，提高碱激发胶凝材料的力学性能，制得的胶凝材料具有高抗折、高抗收缩等优势。势。势。

【技术实现步骤摘要】
一种多尺度纤维增强碱激发胶凝材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于无机非金属材料领域，具体涉及一种多尺度纤维增强碱激发胶凝材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]碱激发胶凝材料是硅铝酸盐构成的无机非金属胶凝材料，它们是通过将废物或天然铝硅酸盐来源与高浓度的碱金属氢氧化物混合而生产的。混合后，碱激发剂溶解铝硅酸盐前驱体，释放出铝酸盐和硅酸盐单体，随后发生缩聚反应，形成独特的硅铝三维网状结构。因此，生产过程具有潜在的低CO2足迹。根据混合设计和加工条件，激发胶凝材料可以表现出不同的特性，例如高早期抗压强度、耐酸性和耐火性。此外，碱激发胶凝材料还具有固结重金属、稳定有害化学物质和净化水质等特性。
[0003]但碱激发胶凝材料存在较明显的脆性缺陷，在不利机械载荷下会出现较低的拉伸强度和裂纹。目前通常使用纤维对碱激发胶凝材料进行增韧，但在掺杂过程中纤维存在分布不均和团聚的现象；同时其他专利中涉及的多尺度纤维增韧碱激发胶凝材料，纳米纤维和微米纤维之间不能相互作用，不能最大程度发挥多尺度增韧效果，影响了纤维与基体的界面结合，影响碱激发胶凝材料的力学性能。
[0004]此外，碱激发胶凝材料的干燥收缩问题严重，在收缩力下会出现表面开裂甚至贯穿裂缝。目前普遍使用吸水树脂等内养护剂，通过在拌合前提前吸水以减缓干燥收缩开裂，但尚未有纤维可以兼顾内养护作用和桥接裂缝，并且现有内养护剂对微米纤维与基体的界面结合提升作用不大。
[0005]基于此，在碱激发胶凝材料高耐久性、高抗压强度的基础上，解决其干燥收缩率高、韧性低等问题，提供一种纤维均匀分布的高抗收缩、高抗折性能的无机材料，使其能够更好的满足水工建筑结构的修复工作中的应用需求，是亟需解决的技术问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的之一在于提供一种能够提高产物抗收缩性能、高抗折性能的多尺度纤维增强碱激发胶凝材料的制备方法。
[0007]本专利技术的目的之二在于提供一种纤维均匀分布的、具有高抗收缩、高抗折性能的多尺度纤维增强碱激发胶凝材料。
[0008]本专利技术实现目的之一采用的技术方案是：提供一种多尺度纤维增强碱激发胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009]S1、将滤纸纤维置于氢氧化钠、尿素、去离子水的混合溶剂中，于
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45～
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35℃下冷冻6～12h再解冻，获得纳米纤维溶液；
[0010]S2、向纳米纤维溶液中加入氢氧化钠调节浓度，获得纳米纤维碱激发溶液；
[0011]S3、将地聚物前体粉末和细砂干混得到混合物，向所述混合物中加入所述纳米纤维碱激发溶液，混匀得到第一产物；
[0012]S4、向所述第一产物中加入微米纤维，混匀得到第二产物，将所述第二产物装模振捣后，于55～65℃条件下养护6～8d，获得多尺度纤维增强碱激发胶凝材料。
[0013]本专利技术采取上述制备方法进行多尺度纤维增强碱激发胶凝材料的制备的总体思路如下：
[0014]首先，选择合适的纳米纤维分散于碱激发溶液中，以确保纳米纤维后续能够均匀的分布在碱激发胶凝材料上。其次，根据胶凝材料前体粉末的种类及用量，对纳米纤维溶液的碱含量进行调整，以获得更好的激发效果。再次，向纳米纤维碱激发溶液中依次加入胶凝材料前体粉末与细砂的混合物，再加入微米纤维，使纳米纤维随溶液均匀分布在碱激发胶凝材料上，并有效分布在微米纤维上。最后，将产物在合适的温度条件下养护，确保纳米纤维交联反应与碱激发胶凝材料的聚合反应同时进行，纳米纤维既能够自组装纳米纤维编织网络，有能够依附于微米纤维和细砂上，形成“狼牙棒”状多尺度纤维结构。借助上述结构，实现对于产物的干燥收缩率，抗折性能的控制，进而制得高抗收缩性能、高抗折性能的胶凝材料。
[0015]在本专利技术中，纳米纤维选自滤纸纤维，滤纸纤维中纤维素含量在90％以上，能够获得更加纯净的纳米纤维溶液；此外，相对于其他纤维素类纤维(如棉短绒等)，滤纸纤维具有高结晶度(1000～1500)，更容易形成较长的纳米纤维，得到的纤维素溶液黏度更大，因此具有更好的保水性能，能够对碱激发胶凝材料基体起到内养护作用，在碱激发胶凝材料早期反应时将储存的水释放出来，防止水分流失过快导致的干燥收缩开裂，促进反应进行，改善基体致密性。
[0016]进一步的，滤纸纤维及其他原料不能直接溶解，必须经过特定的温度冷冻解冻才能形成纤维素分子溶液，纤维素分子溶液再进一步聚合成纳米纤维。常规配合NaOH/尿素溶液使用的冷冻
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解冻技术通常预冷至
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5～
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10℃。然而，上述温度条件下，滤纸纤维完全不溶，即使延长溶解时间，也仅有轻微溶解。本专利技术经大量探索发现，滤纸纤维的最佳冷冻温度为
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35～
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45℃，冷冻时间为6～12h。该温度及时间条件下，滤纸纤维能够完全溶解，纤维素以极小的纳米纤维的形式存在于溶液中；如温度进一步降低，在完全溶解的同时会产生凝胶，纳米纤维已经交联形成，不利于纳米纤维在碱激发溶液中均匀分布，同时降低溶液中的自由水含量，影响纳米纤维在胶凝材料中的均匀分布和拌合过程中的浆体流动性。
[0017]此外，在制备方法上，需要对原料的添加顺序进行控制：先将细砂和基体粉末干混，再将干混料加入到纤维碱激发溶液中才可得到流动浆体；如直接将纤维碱激发溶液加入干混料中，溶液会在加入瞬间与接触到的基体粉末发生局部快速反应，导致基体反应不充分，使得强度分布不均，结构薄弱面增加。而微米纤维需要在最后一步加入流动浆体中，如果先向溶液中加入微米纤维，则会由于微米纤维表面的亲水基团和高表面能而聚集大量纤维素分子，基体内得到的纳米纤维会很少，进而影响纳米纤维对基体的保水性作用。
[0018]本专利技术将养护温度设置为55～65℃，养护时间设置为6～8d。在该温度和时间条件下，能够使碱激发胶凝材料的聚合反应速度与纳米纤维交联反应速度保持一致，使两者同步进行。纳米纤维不仅存在于基体空隙中，胶凝材料的基体内部也会存在纳米纤维。纳米纤维从基体凝胶内部再生，并深深植入到另一端的基体凝胶中，最后被进一步反应生成的基体凝胶从外面覆盖包裹。纳米纤维一方面形成编织网络存在于胶凝材料基体中，起到串联基体微裂缝和孔隙的作用；另一方面纳米纤维存在于微米纤维及细砂表面，形成狼牙棒多
尺度结构，提升微米纤维和基体的界面结合强度，提高荷载作用下微米纤维拔出所需能量，进而综合实现对于产物干燥收缩率的控制，并提高其韧性。
[0019]进一步的，所述多尺度纤维增强碱激发胶凝材料中，纳米纤维的含量为0.25～1wt％，微米纤维的体积率为0.5～2％。在上述含量范围条件下，纳米纤维可均匀分布在基体和微米纤维上，且浆体具有一定的流动性，通过控制微米纤维的加入量，能够得到流动性可控的、具有不同抗折性能的材料。
[0020]优选地，所述多尺度纤维增强碱激发胶凝材料中，纳米纤维的含量为0.5wt％，微米纤维的体积率为2％。经研究发现，在上述条件下，产物的抗折性能达到峰本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多尺度纤维增强碱激发胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：S1、将滤纸纤维置于氢氧化钠、尿素和去离子水组成的混合溶剂中，于
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45～
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35℃下冷冻6～12h再解冻，获得纳米纤维溶液；S2、向纳米纤维溶液中加入氢氧化钠调节浓度，获得纳米纤维碱激发溶液；S3、将胶凝材料前体粉末和细砂干混得到混合物，向所述混合物中加入所述纳米纤维碱激发溶液，混匀得到第一产物；S4、向所述第一产物中加入微米纤维，混匀得到第二产物，将所述第二产物装模振捣后，于55～65℃条件下养护6～8d，获得多尺度纤维增强碱激发胶凝材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述多尺度纤维增强碱激发胶凝材料中，纳米纤维的含量为0.25～1wt％，微米纤维的体积率为0.5～2％。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，氢氧化钠、尿素、去离子水的质量比为(6～8)：(8～14)：(76～88)。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，纳米纤维溶液中，纳米纤维的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王桥，张思凡，周伟，常晓林，田文祥，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：