赤泥基ecc材料及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种制备无机非金属聚合物材料的方法，特别是一种利用赤泥制备ecc材料的方法，属于废弃物综合利用和建材制备技术领域。


背景技术：

2.engineered cementitious composites(ecc/shcc/uhtcc)是在拉伸载荷作用下具有应变硬化特性(如图8)的水泥基材料之一。其代表了一类具有延性的材料，拉伸应变能力通常超过3％，并且能够呈现出明显的多缝开裂，具有优秀的裂缝控制能力和变形能力(如图9)。
3.美国密歇根大学v.c.li教授和k.y.leung教授利用乱向短纤维增强水泥基复合材料的纤维桥联法作为研究的理论基础，综合考虑纤维及基体特性、纤维/基体界面特性以及裂缝张开位移的函数关系来设计ecc材料使其具有应变硬化特性，建立了初裂应力准则和稳态开裂准则。又在两个准则的基础上提出实现复合材料应变硬化特性的纤维临界掺量。这样通过对纤维、基体以及纤维/基体的综合设计调整获得具有应变硬化特性、多缝开裂和高韧性等特点的ecc材料。
4.ecc采用短纤维作为增强材料，通常纤维掺量不超过复合材料总体积的2％，纤维的选择也要具备以下几个条件：
5.(1)具有较高的抗拉强度、弹性模量和良好的变形能力；
6.(2)能均匀地分散在基材中，与水泥砂浆有良好的粘结性能；
7.(3)能够抵抗基材中的高碱性环境，具有良好的耐久性。
8.ecc的是基于微观力学和断裂力学理论但是由于ecc的制备不使用粗骨料，因此与相同体积的混凝土相比水泥用量更大，对经济和环境带来极大挑战。
9.赤泥是制铝工业在生产氧化铝时产生的一种高碱性工业固体废弃物，ph值可高达12-14，因此对环境以碱污染为主，每生产1吨氧化铝大约产生1-1.8吨赤泥，全球赤泥的堆存量高达40亿吨。如此大量的堆存，不仅占用土地资源，还会造成环境污染，赤泥废渣的处理和综合利用成为一个世界性的大难题。


技术实现要素：

10.本发明针对上述提出的问题，发明一种利用赤泥制备ecc材料的方法，将赤泥作为基体生产制备ecc，降低生产成本、提高环境效益，同时提高赤泥的利用率，可作为建筑材料应用于实际工程中,具有十分重要的研究意义。
11.本发明技术方案如下：一种赤泥基ecc材料的制备方法，包括以下步骤：
12.(1)将赤泥经过3～10分钟球磨后，得到粉体材料，备用；
13.(2)矿粉为s105级，备用；
14.(3)配制氢氧化钠溶液，备用；
15.(4)液体硅酸钠模数为n＝3.31，波美度为
°bé
＝39.7，含水率为55.87％，低模数的
液体硅酸钠通过添加氢氧化钠的方法配制；
16.(5)按质量配比分别称量赤泥和矿粉，先将赤泥与矿粉混合并搅拌均匀，再加入部分碱溶液或全部氢氧化钠溶液和部分液体硅酸钠搅拌，之后立即加入纤维在相同的速度下搅拌，然后加入剩余的氢氧化钠溶液或液体硅酸钠搅拌，进行浇注成型。
17.(6)制备40
×
40
×
160mm的棱柱体和400
×
100
×
15mm薄板，对不同龄期的试件进行力学性能测试。
18.本发明的方法，作为优选方案，按质量比，赤泥：矿粉＝1:1，在1500rmp/min的速度下搅拌30s混合后，加入部分氢氧化钠溶液或全部氢氧化钠溶液和部分液体硅酸钠在1500rmp/min的速度下搅拌15s，添加的液体硅酸钠模数为n＝2，之后立即加入纤维，添加量为复合材料总体积的1％，在相同的速度下搅拌15s，然后加入剩余的氢氧化钠溶液或液体硅酸钠1500rmp/min速度下搅拌15s后，提高搅拌速度至3000rmp/min搅拌15s后进行浇注成型。
19.本发明的方法，作为优选方案，按质量比，赤泥：矿粉＝1:1，在1500rmp/min的速度下搅拌30s混合后，加入部分氢氧化钠溶液或全部氢氧化钠溶液和部分液体硅酸钠在1500rmp/min的速度下搅拌15s，添加的液体硅酸钠模数为n＝1.5，之后立即加入纤维，添加量为复合材料总体积的1％，在相同的速度下搅拌15s，然后加入剩余的氢氧化钠溶液或液体硅酸钠1500rmp/min速度下搅拌15s后，提高搅拌速度至3000rmp/min搅拌15s后进行浇注成型。
20.本发明的方法，作为优选方案，按质量比，赤泥：矿粉＝1:1，在1500rmp/min的速度下搅拌30s混合后，加入部分氢氧化钠溶液或全部氢氧化钠溶液和部分液体硅酸钠在1500rmp/min的速度下搅拌15s，添加的液体硅酸钠模数为n＝1，之后立即加入纤维，添加量为复合材料总体积的1％，在相同的速度下搅拌15s，然后加入剩余的氢氧化钠溶液或液体硅酸钠1500rmp/min速度下搅拌15s后，提高搅拌速度至3000rmp/min搅拌15s后进行浇注成型。
21.本发明的方法，作为优选方案，按质量比，赤泥：矿粉＝1:1，在1500rmp/min的速度下搅拌30s混合后，加入部分氢氧化钠溶液或全部氢氧化钠溶液和部分液体硅酸钠在1500rmp/min的速度下搅拌15s，添加的液体硅酸钠模数为n＝0.5，之后立即加入纤维，添加量为复合材料总体积的1％，在相同的速度下搅拌15s，然后加入剩余的氢氧化钠溶液或液体硅酸钠1500rmp/min速度下搅拌15s后，提高搅拌速度至3000rmp/min搅拌15s后进行浇注成型。
22.本发明的方法，作为优选方案，水灰比为0.6。
23.本发明的方法，作为优选方案，纤维为聚乙烯醇纤维。
24.本发明取得的有益效果在于：本发明的制备方法简单，降低ecc生产成本、提高环境效益，还充分利用赤泥的特性变废为宝，探寻一条“以废治废，变废为宝”的新途径，对赤泥和矿粉的综合利用起到积极的推动作用。
附图说明
25.图1为对比例抗压强度。
26.图2为赤泥基ecc弯曲强度对比(a)对比例(b)实施例。
27.图3为实施例所有样品三点弯曲荷载-挠度曲线(a)1天(b)3天。
28.图4为实施例赤泥基ecc薄板件的四点弯曲荷载-挠度曲线1天(a)rf-1(b)rf-0.5。
29.图5为纤维/基体扫描电镜图(a)rf-2(b)rf-1.5(c)rf-1(d)rf-0.5。
30.图6为赤泥原材料xrd图。
31.图7为赤泥基ecc在1天时xrd图(h：赤铁矿；n：方石；b：铝硅酸钠；f：铝钙石；s：方解石)。
32.图8为赤泥基体脆性和赤泥基ecc材料的应变硬化特性的比较。
33.图9为赤泥基ecc的多裂纹开裂情况和可变形能力。
具体实施方式
34.以下通过具体实施例进一步说明本发明，但本领域技术人员应当知晓本发明的具体实施例并不以任何方式限制本发明，且在本发明基础上所作出的任何等同替换均落入本发明的保护范围。
35.实施例
36.本发明采用的赤泥是山东省邹平市盛坤源矿业提供的，赤泥是经过大型球磨机粉磨3～10min处理后的粉体材料。
37.矿粉为河南巩义市龙泽净水材料有限公司s105级。
38.液体硅酸钠采用模数为n＝3.31，波美度为
°bé
＝39.7，含水率为55.87％，实验中使用的低模数的液体硅酸钠通过添加氢氧化钠的方法配制。
39.采用液体硅酸钠和氢氧化钠溶液作为激发剂，赤泥和矿粉的比例为1:1，纤维掺量为复合材料总体积的1％，利用液体硅酸钠模数不同(模数＝2，1.5，1，0.5)确定氢氧化钠的质量，水灰比为0.6，制备40
×
40
×
160mm的棱柱体和400
×
100
×
15mm薄板进行力学性能测试，实验配比见表1。
40.表1赤泥基ecc配方比例(kg/m3)
[0041][0042]
对比例
[0043]
制备方法同实施例，区别仅在于，不添加pva纤维，采用液体硅酸钠和氢氧化钠溶液作为激发剂，赤泥和矿粉的比例为1:1，利用液体硅酸钠模数不同(模数＝2，1.5，1，0.5)确定氢氧化钠的质量，水灰比为0.6，制备40
×
40
×
160mm的棱柱体和400
×
100
×
15mm薄板进行力学性能测试，实验配比见表2。
[0044]
表2对比例赤泥基ecc配方比例(kg/m3)
[0045][0046]
2、对不同龄期的试件进行力学性能测试结果
[0047]
(1)抗压强度
[0048]
图1所示为对比例在龄期1天和3天的抗压强度。图中显示r-0.5随着龄期的增加抗压强度不变，养护1天时r-2的抗压强度最高为17.6mpa，而r-1的抗压强度最低，为10.91mpa。养护3天时r-1.5的抗压强度最高，达到27.81mpa。由此得到r-1.5的增长率最高，为66.41％。随着龄期从1天增长到3天，r-2和r-1的抗压强度分别提高了29.94％和61.93％。
[0049]
(2)弯曲强度
[0050]
图2显示了对比例和纤维组在养护1天和3天时的抗弯强度。图中显示pva纤维的加入极大地提高弯曲性能。a)图显示r-1在1天和3天都具有最高弯曲强度，r-2在1到3天中抗弯强度提高速率最快，高达232.93％。r-1.5、r-1和r-0.5试样的抗弯强度提高率分别为110.79％、50.63％和62.75％。b)图显示rf-1样品在养护3天时弯曲强度最高，为6.86mpa，随龄期从1天到3天，弯曲强度增加率为23.86％。而rf-2、rf-1.5和rf-0.5试样的抗弯强度在1～3天之间差别不大。纤维组的抗弯强度比对比例组大幅度提高了142.12％以上。
[0051]
(3)荷载-挠度
[0052]
图3显示实施例所有样品的三点弯曲荷载-挠度曲线，每个配比制备三个样品。从图像中可以看出，由于纤维在样品内部的不均匀分散，曲线具有很高的离散度。图3(a)显示，rf-0.5在1天时数据离散程度最小，其平均挠度也最小。虽然rf-1和rf-1.5的平均挠度接近，但rf-1的数据比rf-1.5更离散。rf-2的数据离散化程度较低，平均挠度最高。然而，龄期从1天增加到3天的所有试样的数据离散化程度和偏差值都有显著变化。龄期为3天时，所有样品的挠度减小，数据离散化程度也减小，如图3(b)所示。因此，赤泥基ecc的可变性能力能随龄期的增加而降低。液体硅酸钠的模量为2，养护1天的试样的变形能力最好。
[0053]
(4)薄板试样弯曲性能
[0054]
根据图4中薄板试样的四点弯曲荷载-挠度曲线，每个配比制备三个样品，表3列出了rf-1和rf-0.5薄板试样韧性指数。如表3所示，rf-1和rf-0.5的初裂载荷基本相同，rf-1的初裂挠度高于rf-0.5。
[0055]
表3赤泥基ecc薄板件的韧性指标
[0056][0057]
(5)实施例赤泥基ecc的扫描电镜图
[0058]
从图5中可以看出，纤维面临着一个重要问题是分散，尤其(c)图中最为明显。纤维失效的形式主要有被拉断和从基体中被拔出，而要获得韧性高的赤泥基ecc就要降低界面粘结强度，使纤维从基体中被拔出，纤维/基体界面在纤维断裂前就分离，此时基体裂缝不会引起毁坏性的破坏。
[0059]
(6)赤泥原材料及赤泥基ecc的xrd图
[0060]
从图6和图7可以看出，纤维组和空白组矿物成分基本一致，纤维不参与基体的水化反应。