本發(fā)明涉及一種聚丙烯纖維增強堿礦渣膠凝材料。

背景技術：
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在堿礦渣膠凝材料基體膠砂件抗折試驗時，當達到最大破壞荷載的時候，試件突然折斷，斷面光滑平整，并伴有較大斷裂聲。堿礦渣膠凝材料脆性大，幾乎沒有延性特征，沒有屈服階段，直接發(fā)生破壞。

從堿礦渣膠凝材料微觀形態(tài)分析無論是稻桿、麥稈、玉米稈，還是較粗鋼纖維，都與基體緊密結合，并且過渡區(qū)完整且緊密，其中，較粗鋼纖維則由于體積過大，受拉實驗時，會出現(xiàn)較粗鋼纖維拔出的現(xiàn)象。

為解決堿礦渣膠凝材料脆性大的問題，參考土坯墻的做法在土坯體中摻入一些聚丙烯纖維來提高其延性，試驗中考慮向堿礦渣膠凝材料中摻入聚丙烯纖維來改善其脆性大的缺點。

技術實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是提供一種聚丙烯纖維增強堿礦渣膠凝材料。

上述的目的通過以下的技術方案實現(xiàn)：

聚丙烯纖維增強堿礦渣膠凝材料，礦渣化學成分包括：二氧化硅36.9% ，氧化鋁15.66% ，氧化鈣37.57 % ，氧化鎂9.3% ，氧化鐵0.36%；活性指標：質量系數(shù)為1.69 堿性系數(shù)為0.97 活度系數(shù)為0.42，采用M=1.0與M=2.0兩種模數(shù)的鉀水玻璃，質量分數(shù)≥96.0 %的氫氧化鈉，彈性模量為42GPa的聚丙烯纖維，自來水；

制備過程包括如下步驟：首先調節(jié)水玻璃模數(shù)，然后按比例稱量水玻璃與氫氧化鈉，將氫氧化鈉緩慢倒入水玻璃中，并用玻璃棒攪拌至無明顯絮狀物，靜置1.5h直至混合物完全放熱。將稱量好的礦渣倒入攪拌鍋，倒入調整好模數(shù)的水玻璃攪拌1min，加入稱量后的水，再攪拌5~8min，將稱量好的聚丙烯纖維放入攪拌鍋，再攪拌1min，然后將攪拌好的材料倒入模具中，再放在混凝土振動臺上震蕩，至表面平整，無氣泡逸出；待試件表面結硬時用保鮮膜包裹住以防止試件表面開裂，將試件放入恒溫恒濕養(yǎng)護箱中養(yǎng)護；24h后拆除模具，將試件放入恒溫恒濕養(yǎng)護箱中養(yǎng)護。

本發(fā)明的有益效果：

1.本發(fā)明聚丙烯纖維單位體積最小，相較于其他纖維（稻桿、麥稈、玉米稈，較粗鋼纖維）與基體結合最為緊密，受力時，麥稈與較粗鋼纖維被拔出，而聚丙烯纖維完全嵌入到基體中，可以看出，聚丙烯纖維會對基體延性有極大提高。

本發(fā)明摻入聚丙烯纖維的堿礦渣膠凝材料膠砂件的抗壓及抗折的強度，隨著養(yǎng)護時間的延長而提高。而對于堿12%，水用量35%的抗折強度，加入聚丙烯纖維有提升效果，并且隨著養(yǎng)護天數(shù)的增加，加入聚丙烯纖維的堿礦渣膠凝材料與無任何纖維的堿礦渣膠凝材料基體相比，有明顯提升。

本發(fā)明中聚丙烯纖維與麥稈、稻桿一樣，具有自重小，質量輕的特點，但是相同摻量的情況下，其體積最大，在膠砂件中所占比例最大，并且由于其很容易在膠砂件中分布均勻，且聚丙烯纖維彈性模量大，材料的延性提高較明顯，在進行完抗壓抗折試驗后，膠砂件雖有裂縫但裂縫微小可自閉合，且整體形態(tài)基本保持完整，材料已出現(xiàn)明顯的延性特征。

附圖說明：

附圖1是本發(fā)明基體試件抗折強度隨養(yǎng)護齡期的變化曲線示意圖。

其中：A是指堿含量14%，水膠比0.3的堿礦渣膠凝材料的抗折強度曲線圖。B是指堿含量12%，水用量35%的堿礦渣膠凝材料的抗折強度曲線圖。

附圖2是本發(fā)明摻入聚丙烯纖維膠砂件抗壓強度變化示意圖。

附圖3是本發(fā)明摻入聚丙烯纖維膠砂件抗折強度變化示意圖。

附圖4是本發(fā)明加入不同纖維膠砂件抗壓強度。

附圖5是本發(fā)明麥稈纖維微觀形態(tài)示意圖。

附圖6是本發(fā)明玉米稈纖維微觀形態(tài)示意圖。

附圖7是本發(fā)明稻稈纖維微觀形態(tài)示意圖。

附圖8是本發(fā)明聚丙烯纖維微觀形態(tài)示意圖。

附圖9是本發(fā)明較粗鋼纖維微觀形態(tài)示意圖。

附圖10是本發(fā)明在200℃后試件中聚丙烯纖維掃面電鏡圖。

附圖11是本發(fā)明在400℃后試件中聚丙烯纖維掃面電鏡圖。

附圖12是本發(fā)明在600℃后試件中聚丙烯纖維掃面電鏡圖。

附圖13是本發(fā)明在800℃后試件中聚丙烯纖維掃面電鏡圖。

具體實施方式：

實施例1：

一種聚丙烯纖維增強堿礦渣膠凝材料及其制備方法，該方法包括如下步驟：

（1）原材料及配比：

礦渣化學成分主要有：二氧化硅36.9% ，氧化鋁15.66% ，氧化鈣37.57 % ，氧化鎂9.3% ，氧化鐵0.36%?；钚灾笜酥饕獮椋嘿|量系數(shù)為1.69 堿性系數(shù)為0.97 活度系數(shù)為0.42。本試驗主要采用M=1.0與M=2.0兩種模數(shù)的鉀水玻璃，質量分數(shù)≥96.0 %的氫氧化鈉，彈性模量為42GPa的聚丙烯纖維，自來水。

（2）檢測用試件尺寸確定：

采用40mm×40mm×160mm的抗壓抗折試件，抗折試驗采用40mm×40mm×160mm的試件，試件折斷后測量試件的抗壓強度。

立方體抗壓試件采用100mm×100mm×100mm立方體試件，測定立方體抗壓強度。

（3）試驗設備

MP51001型電子天平；JJ-5型行星式水泥膠砂攪拌機；100mm×100mm×100mm三聯(lián)塑料模，40mm×40mm×160mm受壓膠砂件模具和啞鈴型受拉件模具；4YAW-300型全自動壓折試驗機，；YH-40B型水泥恒溫恒濕養(yǎng)護箱。

（4）操作過程

首先調節(jié)水玻璃模數(shù)，然后按比例稱量水玻璃與氫氧化鈉，將氫氧化鈉緩慢倒入水玻璃中，并用玻璃棒攪拌至無明顯絮狀物，靜置1.5h直至混合物完全放熱。將稱量好的礦渣倒入攪拌鍋，倒入調整好模數(shù)的水玻璃攪拌1min，加入稱量后的水，再攪拌5~8min，將稱量好的聚丙烯纖維放入攪拌鍋，再攪拌1min，然后將攪拌好的材料倒入模具中，再放在混凝土振動臺上震蕩，至表面平整，無氣泡逸出。待試件表面結硬時用保鮮膜包裹住以防止試件表面開裂，將試件放入恒溫恒濕養(yǎng)護箱中養(yǎng)護。24h后拆除模具，將試件放入恒溫恒濕養(yǎng)護箱中養(yǎng)護。

實施例2：

鉀水玻璃主要參數(shù)如表1所示，堿礦渣膠凝材料配合比參數(shù)如表2所示。

表1 鉀水玻璃主要參數(shù)

水玻璃參數(shù)

表2 堿礦渣膠凝材料配合比

實驗數(shù)據(jù)及分析

堿礦渣膠凝材料基體膠砂件抗折強度：

用以上方法測得40mm×40mm×160mm膠砂件的抗折強度，養(yǎng)護齡期分別為3d、7d、28d。采用兩種較優(yōu)配合比的膠砂件來研究其抗折強度的變化規(guī)律，第一種是以礦渣為原料、模數(shù)1.0的鉀水玻璃為堿性激發(fā)劑、堿含量14%、水膠比0.3；第二種是以礦渣為原料、模數(shù)1.0的鉀水玻璃來作為堿性激發(fā)劑、堿含量12%、水用量占礦渣35%。其中一個比例、一個養(yǎng)護齡期測三個試件的抗折強度，共需測18個試件的強度。具體實驗數(shù)據(jù)見表3。

從表3中數(shù)據(jù)可以看到：堿礦渣膠凝材料膠砂件在常溫條件下的抗折強度隨著養(yǎng)護齡期的增長也逐漸提高；堿含量14%、水膠比0.3的膠砂件強度前期增長較慢，后期較快；堿含量12%、水用量35%的膠砂件強度前期增長較慢，后期較快；3d、7d時，堿含量14%，水膠比0.3的膠砂件的抗折強度分別為28d時抗折強度的45%、60%；3d、7d時，堿含量12%，水用量35%的膠砂件的抗折強度分別為28d時抗折強度的50%、75%；28d時，堿含量14%，水膠比0.3的膠砂件強度比堿含量12%，水用量35%的膠砂件強度略高。

表3堿礦渣膠凝材料基體膠砂件抗折強度 MPa

聚丙烯增強堿礦渣膠凝材料：

試驗選擇的聚丙烯纖維彈性模量為42GPa, 聚丙烯纖維由于結晶程度較高，而這種材料的表面剛度與抗劃痕特性也很好。為了研究聚丙烯纖維對堿礦渣膠凝材料的影響，本次試驗選取基體材料試件與加入聚丙烯纖維的試件進行對比分析。

由表4、表5可以看出，選擇鉀水玻璃，水玻璃模數(shù)M=1.0，堿含量為14%，水膠比為0.3的膠砂件和堿含量為12%，水用量為35 %的膠砂件，在養(yǎng)護條件與天數(shù)相同時，加入聚丙烯纖維的試件，相對于基體來說抗折強度與抗壓強度略有降低。但由試驗現(xiàn)象可知，抗折加入聚丙烯纖維的后試件裂而不斷，延性明顯提高。

表4 摻入聚丙烯纖維膠砂件抗壓強度 MPa

表5 摻入聚丙烯纖維膠砂件抗折強度 MPa

不同纖維對堿礦渣膠凝材料的影響

為了研究不同纖維對堿礦渣膠凝材料的影響，依然采用控制變量的方法，選取使用鉀水玻璃、水玻璃模數(shù)M=1.0、堿含量為14%、水膠比為0.3并且不同纖維摻入量均為1%試件進行測試。試驗數(shù)據(jù)如表所示：

由表6、表7可以看出，在其他條件相同時，三種纖維中，摻入較粗鋼纖維的試件抗折強度最高，摻入聚丙烯纖維試件抗壓強度最高?？拐墼囼炦^程中，加入不同纖維的膠砂件往往裂而不斷，且從斷面可以看出加入麥稈，較粗鋼纖維的膠砂件與基體的接觸面易出現(xiàn)孔隙，而聚丙烯纖維則孔隙較少，因此，加入聚丙烯纖維的膠砂件相對來說抗折強度較高；在抗壓試驗中，加入聚丙烯纖維與麥稈的膠砂件往往能留下較大部分整體，而加入較粗鋼纖維的膠砂件往往碎成小塊，且爆炸聲最劇烈，因為較粗鋼纖維密度大，在膠凝材料凝結過程中多數(shù)都已沉入膠砂件底部，在膠砂件中的分布不均勻，所以摻入較粗鋼纖維的膠砂件實際僅相當于不加纖維的堿礦渣膠凝材料基體。

表6 摻入不同纖維膠砂件抗折強度 MPa

表7 摻入不同纖維膠砂件抗壓強度 MPa

表8 摻入聚丙烯纖維膠砂件抗折強度 MPa

堿礦渣膠凝材料微觀形態(tài)分析

從附圖5—9可以看出：無論是稻桿、麥稈、玉米稈，還是聚丙烯纖維和較粗鋼纖維，都與基體緊密結合，并且過渡區(qū)完整且緊密，其中，聚丙烯纖維單位體積最小，相較于其他纖維與基體結合最為緊密，受力時，麥稈與較粗鋼纖維被拔出，而聚丙烯纖維完全嵌入到基體中，可以看出，聚丙烯纖維會對基體延性有極大提高，鋼纖維則由于體積過大，受拉實驗時，會出現(xiàn)較粗鋼纖維拔出的現(xiàn)象，所以留下孔洞。

由附圖10—13可以看出，200℃時，聚丙烯纖維開始融化，纖維表面開始皺縮，基體結構更加致密，主要原因是基體中自由水揮發(fā)，促進了礦渣的膠合作用，生成更多的水化硅酸鈣凝膠，使得基體更加致密；400℃時，聚丙烯纖維部分仍然未融化，部分基本融化完全，基體開始變得粗糙，并且出現(xiàn)微裂縫和孔洞，這可能與試件中結合水脫出有關；600℃時，裂縫和孔洞數(shù)目進一步增加，水化硅酸鈣凝膠分解是一個重要原因；800℃時，材料表面粗糙，內部孔洞數(shù)目急劇增加，孔洞直徑也較大。