一种纳米SiO2和PVA纤维增强地聚合物砂浆的制备方法技术

本发明专利技术公开一种纳米SiO2和PVA纤维增强地聚合物砂浆的制备方法，属于无机聚合材料领域，该方法包括：将经过预处理的偏高岭土、粉煤灰和石英砂在搅拌机中搅拌2min，在不断搅拌的情况下，加入碱激发剂，继续搅拌2min，加入纳米SiO2混合液，继续搅拌2min，在不断搅拌的情况下，将PVA纤维分两次加入，每次搅拌2min，即得纳米SiO2和PVA纤维增强地聚合物砂浆。该纳米SiO2和PVA纤维增强地聚合物砂浆具有良好的力学性能和优良的粘结特性，在建筑、路桥、水利、军事等领域具有十分广阔的应用前景。

Preparation of nano SiO2 and PVA fiber reinforced geopolymer mortar

The invention discloses a preparation method of nano-SiO2 and PVA fiber reinforced geopolymer mortar, which belongs to the field of inorganic polymeric materials. The method comprises stirring pretreated metakaolin, fly ash and quartz sand in a mixer for 2 minutes, adding alkali activator, stirring continuously for 2 minutes and adding quartz sand. The nano-SiO2 mixture was stirred for 2 minutes. Under the condition of continuous stirring, the PVA fiber was added twice, and stirred for 2 minutes each time. The nano-SiO2 and PVA fiber reinforced geopolymer mortar were obtained. The nano-SiO2 and PVA fiber reinforced geopolymer mortar have good mechanical properties and excellent bonding properties, and have very broad application prospects in construction, road and bridge, water conservancy, military and other fields.

【技术实现步骤摘要】
一种纳米SiO2和PVA纤维增强地聚合物砂浆的制备方法
本专利技术涉及无机聚合材料领域，特别是涉及一种纳米SiO2和PVA纤维增强地聚合物砂浆的制备方法。
技术介绍
混凝土和砂浆是水利工程和土木工程中应用较多的材料，在工程建设中发挥着关键的作用。随着时间的推移，许多在潮湿环境或工业环境下的混凝土结构出现了不同程度的腐蚀破坏，导致结构耐久性下降，产生了许多不利隐患，急需进行局部修补加固。有资料表明，国内利用混凝土进行隧道衬砌普遍存在开裂情况，据统计开裂长度约占总长度的五分之一；约一半的工业和民用建筑老化期严重，大量建筑物出现耐久性的问题，混凝土结构建筑物坍塌事故发生频繁。国外高速公路上的混凝土桥梁安全系数较低，最大载重量时常受到政府约束。用于维护、重建和修补的费用比例大大提升。沿海城市是自然环境特殊的地区，由于海盐作用混凝土结构破坏现象经常发生。学术界和工程界对遭到破坏的混凝土进行加固问题广泛关注。水泥砂浆由于具有成本低、施工方便、性质稳定等优势而成为目前应用最多的混凝土修补加固材料。但传统的水泥砂浆又存在着诸多固有的缺陷，如韧性低、抗拉强度低、耐久性不足、易开裂等，若将其作为混凝土结构物的修补材料，势必会产生界面粘结不牢固、容易开裂等现象而留下安全隐患，而且，大量水泥的使用会使水泥制造工业带来日益严重的能源消耗、资源消耗和环境污染问题。因此，研制出适合混凝土结构表面修补加固且既环保节能又经久耐用的新型修复材料，对降低维护成本和环境优化以及延长结构使用寿命具有重要意义。地聚合物是以矿物和废弃物以及硅铝化合物等材料，通过碱激发作用形成的以SiO4和AlO4四面体单元组成的三维立体网状结构。地聚合物具有耐高温性能好、强度高、耐腐蚀性和耐久性能等优良特性，在制备过程中使用了粉煤灰和废弃矿渣等廉价废弃物，节约了成本且污染物排出量降低环境问题显著改善。近年来，国内外诸多研究者采用地聚合物配制出了可用于结构补强加固用的地聚合物砂浆或复合材料，并对其性能进行了大量研究。地聚合物砂浆用于混凝土结构修复加固材料，可节约能源与资源消耗，减轻大量水泥生产带来的环境污染，同时地聚合物砂浆具有良好的力学性能、耐久性、快硬固化性以及粘结性能。短纤维可增强硬化砂浆材料的韧性，使砂浆复合材料的破坏模式由脆性破坏变为延性破坏，纳米粒子可改善硬化砂浆的微观结构，提高砂浆材料的强度，可较好地改善砂浆材料的抗冻性、抗冲磨、抗渗性、抗酸雨侵蚀性等耐久性能。通过在地聚合物砂浆中同时掺加纳米粒子和PVA短纤维将会得到既节能环保，同时又具有良好力学性能、超高韧性和较高耐久性的混凝土结构修补加固材料。近几年，水泥砂浆的粘结性能研究得到了众多国内外研究者的关注，包括高性能水泥复合砂浆与混凝土粘结的剪切性能和劈裂抗拉性能，纤维聚合物水泥砂浆与基体界面粘结性能，以及水泥砂浆与钢筋间的粘结性能，同时还提出了一些研究水泥砂浆与混凝土界面粘结性能的新方法。然而，上述研究大都是针对水泥基砂浆而开展的，目前关于地聚合物砂浆与混凝土和钢筋粘结性能的研究鲜见报道。纳米粒子和纤维增强改性作用对地聚合物砂浆粘结性能的影响将直接决定着地聚合物复合砂浆对混凝土结构修复加固的效果，进而决定着纳米粒子和纤维增强改性地聚合物砂浆在混凝土结构修复加固工程中的应用前景。因此，须提供一种性能优良的PVA纤维和纳米SiO2增强地聚合物砂浆，获得新型修补加固复合材料，并用于工程实践。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种纳米SiO2和PVA纤维增强地聚合物砂浆的制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，使纳米SiO2和PVA纤维增强地聚合物砂浆具有良好的力学性能和优良的粘结特性。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：本专利技术提供一种纳米SiO2和PVA纤维增强地聚合物砂浆的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)材料预处理：称取原料水、偏高岭土、粉煤灰、石英砂、碱激发剂、PVA纤维、纳米SiO2、减水剂；(2)纳米SiO2和PVA纤维增强地聚合物砂浆的制备：将步骤(1)中的偏高岭土、粉煤灰和石英砂在搅拌机中搅拌2min，在不断搅拌的情况下，加入碱激发剂，继续搅拌2min，加入纳米SiO2混合液，继续搅拌2min，在不断搅拌的情况下，将PVA纤维分两次加入，每次搅拌2min，即得纳米SiO2和PVA纤维增强地聚合物砂浆。优选的，所述步骤(1)中水、偏高岭土、粉煤灰、石英砂、碱激发剂、减水剂的质量比为106：430：180：614：516：3。优选的，所述步骤(1)中PVA纤维掺量为0～1.2％。优选的，所述步骤(1)中纳米SiO2掺量为0～2.5％。优选的，所述步骤(1)中碱激发剂由水玻璃和氢氧化钠按质量比445：71混合而组成。优选的，所述步骤(2)中纳米SiO2混合液是将纳米SiO2加入到水与减水剂混合液中搅拌均匀而成。优选的，所述减水剂为聚羧酸减水剂。本专利技术公开了以下技术效果：(1)与常见的无机硅铝质胶凝材料相比，地聚合物具有很多特点：相当优秀的耐久性能；在制备时无需“两磨一烧”工艺，节约大量资源和能源；基本不排放CO2，节约环保；取材方便，以资源丰富、价格低廉的天然Si-Al质材料或粉煤灰、矿渣等工业废弃物为原材料；快硬、早强，且后期强度高；低收缩、低渗透性；耐高温，隔热效果好，热膨胀系数(CTE)可调；能固定金属离子。这些特点使得其在建筑、路桥、水利、军事等领域具有十分广阔的应用前景。(2)在地聚合物砂浆掺入纳米SiO2和PVA纤维将提高其力学性能和耐久性能及粘结特性。地聚合物砂浆材料掺入适量纳米SiO2后可增加C-S-H凝胶链长、产生小颗粒填充效应，改善水泥浆体的结构和性能，即提高其早期抗压、抗拉和抗折强度等力学性能，加强其抗渗性、抗冻性、抗碳化、抗冲磨等耐久性能。地聚合物砂浆材料掺入适量PVA纤维后，会产生应变-硬化特性和多裂缝开裂现象，能提高其抗变形、抗剪、抗弯、抗震、抗冲击能力和耐久性、极限拉应变。(3)本专利技术中聚羧酸减水剂具有分散作用，可以解决纳米SiO2直接加入到水中会发生团聚进而降低活性的问题，地聚合物砂浆成型时再加入纳米SiO2可以减小对碱环境的影响，使其充分发挥活性，使纳米SiO2粒子和PVA纤维增强地聚合物具有良好、稳定的性能。附图说明图1为本专利技术实施例3纳米SiO2和PVA纤维增强地聚合物砂浆复合材料成型工艺图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。实施例1纳米SiO2和PVA纤维增强地聚合物砂浆制备原料本实施例中制备纳米SiO2和PVA纤维增强地聚合物砂浆所用的材料主要有水、偏高岭土、粉煤灰、水玻璃、氢氧化钠、石英砂、PVA纤维、纳米SiO2、减水剂等，所用原材料的性能指标届满足试验要求，具体如下：偏高岭土：试验采用石家庄辰兴实业有限公司生产的偏高岭土，其化学成分和物理性能见表1和表2。表1偏高岭土主要化学成分表2偏高岭土主要物理性能粉煤灰：本专利技术试验采用大本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米SiO2和PVA纤维增强地聚合物砂浆的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)材料预处理：称取原料水、偏高岭土、粉煤灰、石英砂、碱激发剂、PVA纤维、纳米SiO2、减水剂；(2)纳米SiO2和PVA纤维增强地聚合物砂浆的制备：将步骤(1)中的偏高岭土、粉煤灰和石英砂在搅拌机中搅拌2min，在不断搅拌的情况下，加入碱激发剂，继续搅拌2min，加入纳米SiO2混合液，继续搅拌2min，在不断搅拌的情况下，将PVA纤维分两次加入，每次搅拌2min，即得纳米SiO2和PVA纤维增强地聚合物砂浆。

【技术特征摘要】
1.一种纳米SiO2和PVA纤维增强地聚合物砂浆的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)材料预处理：称取原料水、偏高岭土、粉煤灰、石英砂、碱激发剂、PVA纤维、纳米SiO2、减水剂；(2)纳米SiO2和PVA纤维增强地聚合物砂浆的制备：将步骤(1)中的偏高岭土、粉煤灰和石英砂在搅拌机中搅拌2min，在不断搅拌的情况下，加入碱激发剂，继续搅拌2min，加入纳米SiO2混合液，继续搅拌2min，在不断搅拌的情况下，将PVA纤维分两次加入，每次搅拌2min，即得纳米SiO2和PVA纤维增强地聚合物砂浆。2.根据权利要求1所述的一种纳米SiO2和PVA纤维增强地聚合物砂浆的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中水、偏高岭土、粉煤灰、石英砂、碱激发剂、减水剂的质量比为106：430：180：614：516：3。3.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鹏，李清富，焦美菊，王娟，刘晨辉，张天航，王会娟，郑元勋，张凯旋，付世东，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南,41