本發(fā)明屬于材料學領域，具體涉及一種高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料及制備方法。

背景技術：

地聚合物材料是最近30多年國際上水泥制造技術發(fā)展的一個方向，被公認為是本世紀最有前景的發(fā)展方向之一。地聚合物材料的水化反應完全不同于硅酸鹽水泥的水化反應，它是一種無機聚合反應。地聚合物材料兼具有機高聚物、陶瓷及水泥的特點，在某些性能方面甚至可與金屬材料相媲美，通過適當措施后可使地聚合物材料具有高強、高韌、低孔隙率等優(yōu)異性能，而且地聚合物的制備不需要硅酸鹽水泥那樣高的溫度，能耗遠低于硅酸鹽水泥，生產過程中也不會排放那么多的有害氣體和粉塵，排放的二氧化碳量僅為生產硅酸鹽水泥的五分之一，幾乎無環(huán)境污染。地聚合物材料確實是一種高性能、低成本、高可靠性的環(huán)境友好材料，有望替代硅酸鹽水泥，是一種可持續(xù)發(fā)展的膠凝材料。

但是，由于地聚合物材料自身抗拉強度低、脆性大等固有弱點，在建設和使用過程中易出現(xiàn)不同程度及形式的裂縫，制約著這種材料的推廣使用。

另外，污泥是由水和污水處理過程所產生的固體沉淀物質，其成分非常復雜，含有無機礦物，同時含有很多病菌微生物、寄生蟲(卵)、重金屬及多種有毒有害有機污染物等，而且目前的所采用的處理方法均無法消除其對環(huán)境造成的二次污染。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決上述問題而進行的，目的在于提供一種高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料及其制備方法。

本發(fā)明提供了一種高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料，具有這樣的特征，包括以下重量份的原料組分：

在本發(fā)明提供的高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料中，還可以具有這樣的特征，原料組分的重量份數為：

在本發(fā)明提供的高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料中，還可以具有這樣的特征：其中，低鈣粉煤灰為i級低鈣粉煤灰，該i級低鈣粉煤灰的中位徑為4.732μm。

在本發(fā)明提供的高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料中，還可以具有這樣的特征：其中，高鈣粉煤灰為i級高鈣粉煤灰，該i級高鈣粉煤灰的中位徑為19.45μm。

在本發(fā)明提供的高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料中，還可以具有這樣的特征：其中，石英砂的目數為30～100，粒徑小于或等于0.6mm。

在本發(fā)明提供的高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料中，還可以具有這樣的特征：其中，污泥經過900℃高溫熱活化處理。

在本發(fā)明提供的高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料中，還可以具有這樣的特征：其中，氫氧化鈉是純度為99％的顆粒狀氫氧化鈉。

在本發(fā)明提供的高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料中，還可以具有這樣的特征：其中，硅酸鈉為3.3模的液體硅酸鈉。

在本發(fā)明提供的高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料中，還可以具有這樣的特征：其中，聚乙烯醇纖維的長度為12mm，直徑為39μm，抗拉強度為1620mpa，彈性模量為42.8gpa。

本發(fā)明提供了一種高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一，按重量份數稱取488～542份低鈣粉煤灰、122～136份高鈣粉煤灰、203份石英砂和0～68份污泥加入到砂漿攪拌儀中，在公轉速度為57～67r/min，自轉速度為135～145r/min的條件下干攪2～4min，得到混合懸濁液??；

步驟二，按重量份數稱取160份水、38份氫氧化鈉和173份硅酸鈉加入到燒杯中，攪拌均勻，得到堿激發(fā)劑；

步驟三，將堿激發(fā)劑加入到混合懸濁液ⅰ中，在公轉速度為115～135r/min，自轉速度為275～295r/min的條件下攪拌3～5min，得到混合懸濁液ⅱ；

步驟四，按重量份數稱取14份聚乙烯醇纖維加入到混合懸濁液ⅱ，在公轉速度為115～135r/min，自轉速度為275～295r/min的條件下攪拌5～8min至聚乙烯醇纖維分散均勻，得到高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料。

發(fā)明的作用與效果

根據本發(fā)明所涉及的一種高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料及其制備方法，結合了地聚合物及高延性纖維增強復合材料的優(yōu)點，在原料中添加了大量廉價的粉煤灰和污泥，一方面能夠利用堿激發(fā)反應生成性能穩(wěn)定的聚合物，優(yōu)化基體材料與聚乙烯醇纖維的粘結性能，保證了材料的高延性，另一方面粉煤灰和污泥來源更加廣泛，降低了原材料的價格，有效的消耗了工業(yè)廢渣，并且降低了能源的消耗，將工業(yè)廢渣資源化利用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的實施例二中高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料的應力-應變與齡期關系對比示意圖；

圖2是本發(fā)明的實施例二中一種成型的高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料(7d材料)拉伸后的多縫開裂示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術手段與功效易于明白了解，以下結合實施例及附圖對本發(fā)明作具體闡述。

<實施例一>

在實施例一中，高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料包括以下原料組分(按重量份計)：低鈣粉煤灰：542份，高鈣粉煤灰：136份，石英砂：203份，污泥：0份，水：160份，氫氧化鈉：38份，硅酸鈉：173份，聚乙烯醇纖維：14份。

低鈣粉煤灰為i級低鈣粉煤灰，該i級低鈣粉煤灰的中位徑為4.732μm。高鈣粉煤灰為i級高鈣粉煤灰，該i級高鈣粉煤灰的中位徑為19.45μm。石英砂的目數為30～100，粒徑小于或等于0.6mm。污泥經過900℃高溫熱活化處理。氫氧化鈉是純度為99％的顆粒狀氫氧化鈉。硅酸鈉為3.3模的液體硅酸鈉。聚乙烯醇纖維的長度為12mm，直徑為39μm，抗拉強度為1620mpa，彈性模量為42.8gpa。

步驟一，按重量份數稱取542份低鈣粉煤灰、136份高鈣粉煤灰、203份石英砂和0份污泥加入到jj-5型砂漿攪拌儀中，在公轉速度為57～67r/min，自轉速度為135～145r/min的條件下干攪3min，得到混合懸濁液ⅰ。

步驟二，按重量份數稱取160份水、38份氫氧化鈉和173份硅酸鈉加入到燒杯中，攪拌均勻，得到堿激發(fā)劑。

步驟三，將堿激發(fā)劑加入到混合懸濁液ⅰ中，在公轉速度為115～135r/min，自轉速度為275～295r/min的條件下攪拌5min，得到混合懸濁液ⅱ。

步驟四，按重量份數稱取14份聚乙烯醇纖維加入到混合懸濁液ⅱ，在公轉速度為115～135r/min，自轉速度為275～295r/min的條件下攪拌6min至聚乙烯醇纖維分散均勻，得到高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料。

將高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料置入模具中成型，在80℃烘箱中養(yǎng)護2h，然后分別在常溫下養(yǎng)護3d(天)、7d(天)和28d(天)，得到對應的3d材料、7d材料和28d材料。

本實施例中各材料的性能表征數據如下：3d材料的抗拉強度為2.0mpa，極限應變?yōu)?.6％；7d材料的抗拉強度為2.8mpa，極限應變?yōu)?.7％；28d材料的抗拉強度為4.5mpa，極限應變?yōu)?.6％。

<實施例二>

在實施例二中，高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料包括以下原料組分(按重量份計)：低鈣粉煤灰：515份，高鈣粉煤灰：129份，石英砂：203份，污泥：34份，水：160份，氫氧化鈉：38份，硅酸鈉：173份，聚乙烯醇纖維：14份。

低鈣粉煤灰為i級低鈣粉煤灰，該i級低鈣粉煤灰的中位徑為4.732μm。高鈣粉煤灰為i級高鈣粉煤灰，該i級高鈣粉煤灰的中位徑為19.45μm。石英砂的目數為30～100，粒徑小于或等于0.6mm。污泥經過900℃高溫熱活化處理。氫氧化鈉是純度為99％的顆粒狀氫氧化鈉。硅酸鈉為3.3模的液體硅酸鈉。聚乙烯醇纖維的長度為12mm，直徑為39μm，抗拉強度為1620mpa，彈性模量為42.8gpa。

步驟一，按重量份數稱取515份低鈣粉煤灰、129份高鈣粉煤灰、203份石英砂和34份污泥加入到jj-5型砂漿攪拌儀中，在公轉速度為57～67r/min，自轉速度為135～145r/min的條件下干攪3min，得到混合懸濁液ⅰ。

步驟二，按重量份數稱取160份水、38份氫氧化鈉和173份硅酸鈉加入到燒杯中，攪拌均勻，得到堿激發(fā)劑。

步驟三，將堿激發(fā)劑加入到混合懸濁液ⅰ中，在公轉速度為115～135r/min，自轉速度為275～295r/min的條件下攪拌5min，得到混合懸濁液ⅱ。

步驟四，按重量份數稱取14份聚乙烯醇纖維加入到混合懸濁液ⅱ，在公轉速度為115～135r/min，自轉速度為275～295r/min的條件下攪拌6min至聚乙烯醇纖維分散均勻，得到高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料。

將高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料置入模具中成型，在80℃烘箱中養(yǎng)護2h，然后分別在常溫下養(yǎng)護3d(天)、7d(天)和28d(天)，得到對應的3d材料、7d材料和28d材料。

圖1是本發(fā)明的實施例二中高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料的應力-應變與齡期關系對比示意圖，圖2是本發(fā)明的實施例二中一種成型的高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料(7d材料)拉伸后的多縫開裂示意圖。

本實施例中各材料的性能表征數據如圖1和圖2所示：3d材料的抗拉強度為3.5mpa，極限應變?yōu)?.2％；7d材料的抗拉強度為4.0mpa，極限應變?yōu)?.4％；28d材料的抗拉強度為3.5mpa，極限應變?yōu)?.3％。

<實施例三>

在實施例三中，高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料包括以下原料組分(按重量份計)：低鈣粉煤灰：488份，高鈣粉煤灰：122份，石英砂：203份，污泥：68份，水：160份，氫氧化鈉：38份，硅酸鈉：173份，聚乙烯醇纖維：14份。

低鈣粉煤灰為i級低鈣粉煤灰，該i級低鈣粉煤灰的中位徑為4.732μm。高鈣粉煤灰為i級高鈣粉煤灰，該i級高鈣粉煤灰的中位徑為19.45μm。石英砂的目數為30～100，粒徑小于或等于0.6mm。污泥經過900℃高溫熱活化處理。氫氧化鈉是純度為99％的顆粒狀氫氧化鈉。硅酸鈉為3.3模的液體硅酸鈉。聚乙烯醇纖維的長度為12mm，直徑為39μm，抗拉強度為1620mpa，彈性模量為42.8gpa。

步驟一，按重量份數稱取488份低鈣粉煤灰、122份高鈣粉煤灰、203份石英砂和68份污泥加入到jj-5型砂漿攪拌儀中，在公轉速度為57～67r/min，自轉速度為135～145r/min的條件下干攪3min，得到混合懸濁液ⅰ。

步驟二，按重量份數稱取160份水、38份氫氧化鈉和173份硅酸鈉加入到燒杯中，攪拌均勻，得到堿激發(fā)劑。

步驟三，將堿激發(fā)劑加入到混合懸濁液ⅰ中，在公轉速度為115～135r/min，自轉速度為275～295r/min的條件下攪拌5min，得到混合懸濁液ⅱ。

步驟四，按重量份數稱取14份聚乙烯醇纖維加入到混合懸濁液ⅱ，在公轉速度為115～135r/min，自轉速度為275～295r/min的條件下攪拌6min至聚乙烯醇纖維分散均勻，得到高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料。

將高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料置入模具中成型，在80℃烘箱中養(yǎng)護2h，然后分別在常溫下養(yǎng)護3d(天)、7d(天)和28d(天)，得到對應的3d材料、7d材料和28d材料。

本實施例中各材料的性能表征數據如下：3d材料的抗拉強度為2.6mpa，極限應變?yōu)?.1％；7d材料的抗拉強度為3.5mpa，極限應變?yōu)?.7％；28d材料的抗拉強度為5.7mpa，極限應變?yōu)?.2％。

實施例的作用與效果

由實施例一和實施例二可知，污泥的重量份數為0時制備的3d材料和7d材料的抗拉強度和極限應變均低于污泥的重量份數為34份時制備的3d材料和7d材料的抗拉強度和極限應變，表明污泥的加入提高了地聚合物的抗拉強度和極限應變。但是，污泥的重量份數為0時制備28d材料的抗拉強度要優(yōu)于污泥的重量份數為34份時制備的28d材料的抗拉強度，兩者的極限應變基本一致，一方面表明常溫下養(yǎng)護時間越長得到的成型的高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料的性能不一定越好，另一方面表明污泥的加入可以縮短制備成型的高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料的時間，并且提高了其抗拉強度和極限應變。

由實施例一和實施例三可知，污泥的重量份數為0時制備的3d材料的抗拉強度和極限應變以及7d材料和28d材料的抗拉強度均低于污泥的重量份數為68份時制備的3d材料的抗拉強度和極限應變以及7d材料和28d材料的抗拉強度，表明污泥的加入提高了地聚合物的抗拉強度和極限應變。但是，污泥的重量份數為0時制備7d和28d材料的極限應變要優(yōu)于污泥的重量份數為68份時制備的7d和28d材料的極限應變，表明污泥的加入可以縮短制備成型的高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料的時間，并且提高了其抗拉強度和極限應變。

由實施例二和實施例三可知，污泥的重量份數為68時制備的3d材料的和7d材料的抗拉強度和極限應變以及28d的極限應變均低于污泥的重量份數為34份時制備的3d材料和7d材料的抗拉強度和極限應變以及28d的極限應變，表明過量的污泥的加入不能再次提高地聚合物的抗拉強度和極限應變。

根據實施例所涉及的一種高延性纖維增強污泥-粉煤灰基地聚合物復合材料及其制備方法，結合了地聚合物及高延性纖維增強復合材料的優(yōu)點，在原料中添加了大量廉價的粉煤灰和污泥，一方面能夠利用堿激發(fā)反應生成性能穩(wěn)定的聚合物，優(yōu)化基體材料與聚乙烯醇纖維的粘結性能，保證了材料的高延性，另一方面粉煤灰和污泥來源更加廣泛，降低了原材料的價格，有效的消耗了工業(yè)廢渣，并且降低了能源的消耗，將工業(yè)廢渣資源化利用。

上述實施方式為本發(fā)明的優(yōu)選案例，并不用來限制本發(fā)明的保護范圍。

在實施例一至實施例三中，低鈣粉煤灰分別為542份、515份和488份(按重量份數計)，高鈣粉煤灰：136份、129份和122份(按重量份數計)，污泥：0份、34份和68份(按重量份數計)，步驟一中的干攪時間為3min，第三步驟中的攪拌時間為5min，第四步驟中的攪拌時間為6min，但在本發(fā)明中，低鈣粉煤灰還可以為分別為488～542份(按重量份數計)，高鈣粉煤灰：122～136份(按重量份數計)，污泥：0～68份，步驟一中的干攪時間還可以為2～4min，第三步驟中的攪拌時間還可以為3～5min，第四步驟中的攪拌時間還可以為5～8min。