一种提高低碳耐久性的碱激发胶凝材料及制备方法

本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种提高低碳耐久性的碱激发胶凝材料及制备方法。

背景技术：

1、普通硅酸盐水泥是当前使用最普遍、不可或缺的土木工程材料。然而，生产水泥导致的二氧化碳过度排放和能源消耗问题越来越受到重视。根据2024年我国生态环境部《企业温室气体排放核算与报告指南水泥熟料生产》以及《企业温室气体排放核查技术指南水泥熟料生产》两份文件表明，水泥行业作为大宗建材材料的主要供应者，其碳排放量占总排放量的13.5％。因此，在“双碳”背景下，推动可持续性生态发展，采用低碳胶凝材料迫在眉睫。而工业粒化高炉矿渣作为高炉炼铁的副产品，长期堆积处理势必带来环境污染与生态破坏。因此，将粒化高炉矿渣通过碱激发技术制备胶凝材料是将固废变废为宝，替代水泥降低碳排放的可行方案。然而，单一采用粒化高炉矿渣制备胶凝材料稳定性较差，不足以满足工程实用，从而影响耐久性。耐久性对建筑和交通运输工业材料的长期稳定发展至关重要，尤其是海工混凝土。一些有害离子通过材料孔隙浸入基体，通过膨胀产物形成应力，产生微裂纹，破坏基体结构，久而久之造成不可磨灭的危害；同时，在我国严寒地区，冻融循环对混凝土基体的破坏也十分常见。普遍认为，在反复膨胀压力与渗透压力下，材料内部的微裂缝和孔隙会逐渐增大和膨胀，造成结构质量与强度损失。当前，解决碱激发粒化高炉矿渣胶凝材料稳定性主要有以下几个方法：(1)调整配合比，降低碱含量；(2)添加高活性硅铝原料；(3)添加化学外加剂；(4)其他方法。其中，方法(1)中调整碱激发剂的碱含量，能适度降低粒化高炉矿渣胶凝材料的开裂现象，但后期强度提升不明显；对于方法(2)中添加高活性硅铝原料，虽然能够适当提高体系稳定性，但对于耐久性破坏发生的微裂纹和微孔并没有有效解决；对于方法(3)额外使用化学外加剂在一定程度上提高了粒化高炉矿渣胶凝材料的早期水化程度，从而略微提高后期稳定性，且添加新的化学外加剂可能会带来有害离子，且对于耐久性的影响尚不可知。

2、因此，碱激发胶凝材料的稳定性和耐久性仍然是亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种提高低碳耐久性的碱激发胶凝材料及制备方法，提高力学强度的同时，提高耐久性，可适应硫酸盐腐蚀及高寒地区冻融破坏影响，可普遍用于海洋及高寒地区道路、桥梁混凝土结构领域。

2、本发明的提高低碳耐久性的碱激发胶凝材料，原料按重量份包括无机粉体70-100份、功能化碳化硅纳米纤维0.05-0.10份、碱性激发剂8-16份、水11-15份、石英砂13-15份，所述功能化碳化硅纳米纤维为硅羟基团附着于碳化硅纳米纤维表面形成；

3、进一步，所述功能化碳化硅纳米纤维通过下述方式制备：在碳化硅纳米纤维表面生成非晶态氧化物薄层，然后先后经酸碱条件将非晶态氧化物转化为硅羟基团附着于碳化硅纳米纤维表面；

4、进一步，所述功能化碳化硅纳米纤维通过下述方式制备：将碳化硅纳米纤维放置于酸中超声处理后清洗并干燥，然后将干燥后的碳化硅纳米纤维放入碱溶液中搅拌，最后清洗干燥制得功能化碳化硅纳米纤维；

5、进一步，所述酸为盐酸，所述碱为苛性钠；

6、进一步，所述碱性激发剂为水玻璃和氢氧化钠，按重量份，水玻璃6-12份、氢氧化钠2-4份；

7、进一步，所述无机粉体为煅烧高岭土和粒化高炉矿渣的混合物，按重量份，粒化高炉矿渣60-80份、煅烧高岭土10-20份；

8、进一步，原材料按质量份包括粒化高炉矿渣70份、煅烧高岭土15份、功能化碳化硅纳米纤维0.075份、水玻璃9份、氢氧化钠3份、水13份、石英砂14份；

9、进一步，所述石英砂目数为150-250目；所述煅烧高岭土的目数为1200-1300目。

10、本发明还公开一种提高低碳耐久性的碱激发胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

11、s1，将功能化碳化硅纳米纤维与碱性激发剂中磁力搅拌和超声震荡混合制得功能化碳化硅纳米纤维混合液；

12、s2，将石英砂、水、功能化碳化硅纳米纤维混合液和无机粉体混合，制得提高低碳耐久性的碱激发胶凝材料。

13、本发明的有益效果：本发明的提高低碳耐久性的碱激发胶凝材料及制备方法，该胶凝材料具有三维立体空间网状结构，可有效提高力学性能，无机粉体中的煅烧高岭土将铝元素引入，可增加了反应体系的水化产物；将功能化的碳化硅纳米纤维与无机粉体结合，可有效的阻止由冻融破坏与硫酸盐腐蚀破坏带来的微裂纹与微孔，从而达到提高耐久性的目的。该碱激发胶凝材料不仅可大大降低水泥的使用，降低碳排放，还达到了工业固废利用的目的，且制备工艺简单。

技术特征：

1.一种提高低碳耐久性的碱激发胶凝材料，其特征在于：原料按重量份包括无机粉体70-100份、功能化碳化硅纳米纤维0.05-0.10份、碱性激发剂8-16份、水11-15份、石英砂13-15份，所述功能化碳化硅纳米纤维为硅羟基团附着于碳化硅纳米纤维表面形成。

2.根据权利要求1所述的提高低碳耐久性的碱激发胶凝材料，其特征在于：所述功能化碳化硅纳米纤维通过下述方式制备：在碳化硅纳米纤维表面生成非晶态氧化物薄层，然后先后经酸碱条件将非晶态氧化物转化为硅羟基团附着于碳化硅纳米纤维表面。

3.根据权利要求2所述的提高低碳耐久性的碱激发胶凝材料，其特征在于：所述功能化碳化硅纳米纤维通过下述方式制备：将碳化硅纳米纤维放置于酸中超声处理后清洗并干燥，然后将干燥后的碳化硅纳米纤维放入碱溶液中搅拌，最后清洗干燥制得功能化碳化硅纳米纤维。

4.根据权利要求3所述的提高低碳耐久性的碱激发胶凝材料，其特征在于：所述酸为盐酸，所述碱为苛性钠。

5.根据权利要求1所述的提高低碳耐久性的碱激发胶凝材料，其特征在于：所述碱性激发剂为水玻璃和氢氧化钠，按重量份，水玻璃6-12份、氢氧化钠2-4份。

6.根据权利要求5所述的提高低碳耐久性的碱激发胶凝材料，其特征在于：所述无机粉体为煅烧高岭土和粒化高炉矿渣的混合物，按重量份，粒化高炉矿渣60-80份、煅烧高岭土10-20份。

7.根据权利要求5所述的提高低碳耐久性的碱激发胶凝材料，其特征在于：原材料按质量份包括粒化高炉矿渣70份、煅烧高岭土15份、功能化碳化硅纳米纤维0.075份、水玻璃9份、氢氧化钠3份、水13份、石英砂14份。

8.根据权利要求7所述的提高低碳耐久性的碱激发胶凝材料，其特征在于：所述石英砂目数为150-250目；所述煅烧高岭土的目数为1200-1300目。

9.根据权利要求1所述的提高低碳耐久性的碱激发胶凝材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种提高低碳耐久性的碱激发胶凝材料，原料按重量份包括无机粉体70‑100份、功能化碳化硅纳米纤维0.05‑0.10份、碱性激发剂8‑16份、水11‑15份、石英砂13‑15份，所述功能化碳化硅纳米纤维为硅羟基团附着于碳化硅纳米纤维表面形成；该胶凝材料具有三维立体空间网状结构，可有效提高力学性能，无机粉体中的煅烧高岭土将铝元素引入，可增加了反应体系的水化产物；将功能化的碳化硅纳米纤维与无机粉体结合，可有效的阻止由冻融破坏与硫酸盐腐蚀破坏带来的微裂纹与微孔，从而达到提高耐久性的目的。该碱激发胶凝材料不仅可大大降低水泥的使用，降低碳排放，还达到了工业固废利用的目的，且制备工艺简单。

技术研发人员：鲁浈浈,冯博文
受保护的技术使用者：重庆交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/14