CN115286301B - 一种多尺度纤维增强碱激发胶凝材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明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。
背景技术
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。
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。
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。
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。
发明内容
本发明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。
本发明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。
本发明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：
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-45～-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；
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。
本发明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：
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。
在本发明中，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。
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-解冻技术通常预冷至-5～-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。本发明经大量探索发现，滤纸纤维的最佳冷冻温度为-35～-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。
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。
本发明将养护温度设置为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。
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。
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值，超出该范围，抗折性能会有一定的下降趋势。
进一步的，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)。优选地，所述步骤S1中，氢氧化钠、尿素、去离子水的质量比为7:12:81。
进一步的，所述纳米纤维溶液中，纳米纤维的直径为20～100nm，长度为180～2000nm。
进一步的，所述步骤S2中，氢氧化钠的加入量由步骤S3中胶凝材料前体粉末的种类及用量而定。
进一步的，所述地聚物前体粉末选自偏高岭土、粉煤灰、矿渣中的一种或多种的组合。
进一步的，所述微米纤维选自聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维中或多种的组合。优选地，所述微米纤维的直径为30～60μm，长度为6～12mm。
进一步的，所述步骤S4中，微米纤维加入后搅拌混合的时间不宜过长，控制在5min左右为宜，当搅拌时间过短时微米纤维分布不匀，易存在于浆体表层，当搅拌时间过长时会出现纤维团聚。优选地，所述混匀得到第二产物的搅拌时间为4～6min。
本发明实现目的之二采用的技术方案是：提供一种基于本发明目的之一所述的制备方法制得的多尺度纤维增强碱激发胶凝材料。
所述多尺度纤维增强碱激发胶凝材料中，纳米纤维均匀分散于胶凝材料基体内自组装形成纤维编织网络，同时纳米纤维还原位聚合于微米纤维和细砂表面，形成狼牙棒状的多尺度结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的一种多尺度纤维增强碱激发胶凝材料的制备方法，将纳米纤维随溶液均匀分散于碱激发胶凝材料内，通过保水性改善碱激发胶凝材料基体失水速率，提供凝胶孔的桥接和填充作用，促进微观结构致密，降低开裂风险，将内养护和纤维桥接合二为一。
(2)本发明提供的一种多尺度纤维增强碱激发胶凝材料的制备方法，采用多尺度纤维对碱激发胶凝材料进行增强，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，得到具有高抗折、抗收缩的多尺度纤维增强碱激发胶凝材料。
(3)本发明制得的多尺度纤维增强碱激发胶凝材料中，纳米纤维的交联反应与碱激发胶凝材料聚合反应同时进行，一方面纳米纤维原位聚合均匀分散于基体中形成自组装纳米纤维编织网络，另一方面纳米纤维还依附在微米纤维和细砂上，形成“狼牙棒”状多尺度纤维结构。上述结构的存在能够有效控制产物的干燥收缩率，提高韧性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种多尺度纤维增强碱激发胶凝材料的制备方法的流程示意图；
图2为本发明实施例1制得的多尺度纤维增强碱激发胶凝材料在分辨率为2μm的2000×扫描电镜图；
图3为本发明实施例1制得的多尺度纤维增强碱激发胶凝材料的7天抗折强度曲线图。
图4为对比例1无纤维的碱激发胶凝材料在分辨率为1μm的5000×扫描电镜图；
图5为对比例1无纤维的碱激发胶凝材料的7天抗折强度曲线图；
图6为对比例2微米纤维增强碱激发胶凝材料在分辨率为2μm的2000×扫描电镜图；
图7为对比例2微米纤维增强碱激发胶凝材料的7天抗折强度曲线图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
实施例1
一种多尺度纤维增强碱激发胶凝材料制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将70g NaOH溶于810g去离子水中，冷却至室温后，加入120g尿素，静置24小时后得到总重1000g的溶解滤纸纤维的前置溶液，溶解步骤见图1。使用破壁机将滤纸纤维打碎，称取溶液质量的0.5％的滤纸纤维碎片加入到溶液中，并通过超声波使碎片均匀分布。将产物放入-40℃的冰箱中冷冻8小时，之后在25℃室温下解冻得到纳米纤维溶液。
步骤2：将23g氢氧化钠分5次缓慢加入到步骤1的纳米纤维溶液中调节溶液碱浓度，并静置24小时备用。
步骤3：将800g偏高岭土与160g细砂倒入搅拌机中搅拌均匀，然后加入1000g纳米纤维溶液，混合均匀。
步骤4：向步骤3所得产物中加入体积分数2％的聚乙烯醇纤维，搅拌5分钟后装模并振捣2分钟。在恒温恒湿养护箱中控制温度60℃，养护12小时脱模，之后继续养护7天，最终得到多尺度纤维增强碱激发胶凝材料。
图2为实施例1制得的多尺度纤维增强碱激发胶凝材料的扫描电镜图。由图2可以看出纳米纤维原位聚合于聚乙烯醇纤维的表面，形成独特的“狼牙棒”状多尺度结构，纳米纤维的存在改善微米纤维与基体的界面结合，提高微米纤维拔出所需能量。
图3为实施例1制得的多尺度纤维增强碱激发胶凝材料7天抗折强度曲线，由图3可以看出多尺度纤维增强碱激发胶凝材料展现出多段开裂模式，纳米纤维在纳米尺度促进基体反应，提高第一开裂强度，微米纤维在微米尺度提供纤维桥接，提高最终开裂强度。
实施例2
一种多尺度纤维增强碱激发胶凝材料制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将70g NaOH溶于810g去离子水中，冷却至室温后，加入120g尿素，静置24小时后得到总重1000g的溶解滤纸纤维的前置溶液，溶解步骤见图1。使用破壁机将滤纸纤维打碎，称取溶液质量的1％的滤纸纤维碎片加入到溶液中，并通过超声波使碎片均匀分布。将产物放入-35℃的冰箱中冷冻12小时，之后在25℃室温下解冻得到纳米纤维溶液。
步骤2：将23g氢氧化钠分5次缓慢加入到步骤1的纳米纤维溶液中调节溶液碱浓度，并静置24小时备用。
步骤3：将800g偏高岭土与160g细砂倒入搅拌机中搅拌均匀，然后加入1000g纳米纤维溶液，混合均匀。
步骤4：向步骤3所得产物中加入体积分数1％的聚乙烯醇纤维，搅拌5分钟后装模并振捣2分钟。在恒温恒湿养护箱中控制温度60℃，养护12小时脱模，之后继续养护7天，最终得到多尺度纤维增强碱激发胶凝材料。
实施例3
一种多尺度纤维增强碱激发胶凝材料制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将70g NaOH溶于810g去离子水中，冷却至室温后，加入120g尿素，静置24小时后得到总重1000g的溶解滤纸纤维的前置溶液，溶解步骤见图1。使用破壁机将滤纸纤维打碎，称取溶液质量的0.5％的滤纸纤维碎片加入到溶液中，并通过超声波使碎片均匀分布。将产物放入-45℃的冰箱中冷冻6小时，之后在25℃室温下解冻得到纳米纤维溶液。
步骤2：将23g氢氧化钠分5次缓慢加入到步骤1的纳米纤维溶液中调节溶液碱浓度，并静置24小时备用。
步骤3：将800g偏高岭土与160g细砂倒入搅拌机中搅拌均匀，然后加入1000g纳米纤维溶液，混合均匀。
步骤4：向步骤3所得产物中加入体积分数1.5％的聚乙烯醇纤维，搅拌5分钟后装模并振捣2分钟。在恒温恒湿养护箱中控制温度60℃，养护12小时脱模，之后继续养护7天，最终得到多尺度纤维增强碱激发胶凝材料。
实施例4
一种多尺度纤维增强碱激发胶凝材料制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将70g NaOH溶于810g去离子水中，冷却至室温后，加入120g尿素，静置24小时后得到总重1000g的溶解滤纸纤维的前置溶液，溶解步骤见图1。使用破壁机将滤纸纤维打碎，称取溶液质量的1％的滤纸纤维碎片加入到溶液中，并通过超声波使碎片均匀分布。将产物放入-40℃的冰箱中冷冻8小时，之后在25℃室温下解冻得到纳米纤维溶液。
步骤2：将23g氢氧化钠分5次缓慢加入到步骤1的纳米纤维溶液中调节溶液碱浓度，并静置24小时备用。
步骤3：将800g偏高岭土与160g细砂倒入搅拌机中搅拌均匀，然后加入1000g纳米纤维溶液，混合均匀。
步骤4：向步骤3所得产物中加入体积分数0.5％的聚乙烯醇纤维，搅拌5分钟后装模并振捣2分钟。在恒温恒湿养护箱中控制温度55℃，养护12小时脱模，之后继续养护8天，最终得到多尺度纤维增强碱激发胶凝材料。
实施例5
一种多尺度纤维增强碱激发胶凝材料制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将70g NaOH溶于810g去离子水中，冷却至室温后，加入120g尿素，静置24小时后得到总重1000g的溶解滤纸纤维的前置溶液，溶解步骤见图1。使用破壁机将滤纸纤维打碎，称取溶液质量的0.5％的滤纸纤维碎片加入到溶液中，并通过超声波使碎片均匀分布。将产物放入-40℃的冰箱中冷冻8小时，之后在25℃室温下解冻得到纳米纤维溶液。
步骤2：将23g氢氧化钠分5次缓慢加入到步骤1的纳米纤维溶液中调节溶液碱浓度，并静置24小时备用。
步骤3：将800g粉煤灰与160g细砂倒入搅拌机中搅拌均匀，然后加入400g纳米纤维溶液，混合均匀。
步骤4：向步骤3所得产物中加入体积分数2％的聚乙烯醇纤维，搅拌5分钟后装模并振捣2分钟。在恒温恒湿养护箱中控制温度65℃，养护12小时脱模，之后继续养护6天，最终得到多尺度纤维增强碱激发胶凝材料。
对比例1
在实施例1的基础上进行调整，不同之处在于，步骤1中不添加滤纸纤维，步骤4中不添加聚乙烯醇纤维，其他条件及步骤不变，制得无纤维增强的常规碱激发胶凝材料。
对比例1制得的碱激发胶凝材料的扫描电镜图见图4。由图4可知，对比例1制得的产物基体内部不存在任何纤维。其7天抗折强度曲线见图5，为典型的脆性开裂。对比可知，实施例1采用多尺度纤维增强改性的技术方案获得产物相较于对比例1无纤维增强的胶凝材料，其第一开裂强度提高129％，最终开裂强度提高280％。
对比例2
在实施例1的基础上进行调整，不同之处在于，步骤1中不添加滤纸纤维，步骤4中添加含量2％的聚乙烯醇纤维，其他条件及步骤不变，制得微米纤维增强的常规碱激发胶凝材料。
对比例2制得的碱激发胶凝材料的扫描电镜图见图6，聚乙烯醇纤维表面是光滑的，且与碱激发胶凝材料基体的界合面断口整齐。微米纤维增强碱激发胶凝材料7天抗折强度曲线见图7，由于微米纤维的存在，也呈现多段开裂模式，但由于缺乏纳米纤维的增强以及多尺度纤维的共同作用，导致其产物第一开裂强度和最终开裂强度不高，实施例1相较于对比例2第一开裂强度提高106％，最终开裂强度提高65％。
将实施例1及对比例1和2得到的碱激发胶凝材料放入相同的养护条件下(60℃)，测量其养护3天和7天后的质量损失比例，结果见下表1。
表1
| 组别 | 3d质量损失率/％ | 7d质量损失率/％ |
| 实施例1 | 13.06 | 16.78 |
| 对比例1 | 24.7 | 24.70 |
| 对比例2 | 21.2 | 22.65 |
由上表可知，
本发明实施例1中质量损失率远小于对比例1和2，对比例1中养护3天和7天后的质量损失相同，说明在3天时已达到最大，对比例2中微米纤维的存在对质量损失稍有缓解，但不如实施例1中的多尺度纤维共同作用。这说明，本发明制得的多尺度纤维增强碱激发胶凝材料能够充分发挥纳米纤维的保水性，大幅降低碱激发胶凝材料反应早期的水质量损失，控制水分流失速率，进而降低材料早期开裂风险。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种多尺度纤维增强碱激发胶凝材料的制备方法，其特征在于，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-45~-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，搅拌4~6min，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；
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%；
所述微米纤维选自聚乙烯醇纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维中的一种或多种的组合；所述微米纤维的直径为30~60μm，长度为6~12mm；
所述多尺度纤维增强碱激发胶凝材料中，纳米纤维均匀分散于胶凝材料基体内自组装形成纤维编织网络，同时纳米纤维还原位聚合于微米纤维和细砂表面，形成狼牙棒状的多尺度结构。
2.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）。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，纳米纤维溶液中，纳米纤维的直径为20~100nm，长度为180~2000nm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，氢氧化钠的加入量由步骤S3中胶凝材料前体粉末的种类及用量而定。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述胶凝材料前体粉末选自偏高岭土、粉煤灰、矿渣中的一种或多种的组合。
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