一种用于寒区结构加固的轻质碱矿渣韧性材料

本发明涉及建筑材料，具体为一种用于寒区结构加固的轻质碱矿渣韧性材料。

背景技术：

1、传统硅酸盐水泥类加固材料应用极为广泛，但其需要经历“两磨一烧”的繁琐工艺，从而产生大量的噪声、粉尘、温室气体co2和有毒气体严重污染环境。据《2023中国建筑能耗与碳排放研究报告》报道，2022年全国建筑与建造碳排放总量为50.8亿吨，占全国碳排放的比重为50.9％，其中建筑生产阶段碳排放达到28.2亿吨。为了控制建筑与建造过程中温室气体的排放量，需关注两个方向：一是降低建筑生产与运行能耗，二是使用可再生资源。2022年建筑与建造能耗总量为22.7亿吨标准煤，占全国能源消费总量的比重为45.5％，其中建筑运行阶段能耗占比达到21.3％。高效提升建筑生产与运行阶段的节能率是我国实现“双碳”目标的重要引擎。

2、同时，我国赤泥、矿渣、钢渣等固废利用率仍然较低，占用大量土地资源，对生态环境产生较大的安全隐患。根据住建部数据测算，我国2019年到2023年间的建筑垃圾产量整体仍呈上升趋势，预计2024年以后，年产量将维持在22亿吨以上。因此，如何有效利用大宗固废成为了当今的热点问题。有研究发现，若使用碱化合物或含碱工业废料(如水玻璃等)为激发剂，激发工业废渣(如矿渣、赤泥等)，辅以硅灰、粉煤灰等进行改性，再外掺空心玻璃微珠及纤维，可以得到一种轻质碱矿渣韧性材料(lightweight alkali activated slagtoughness material，简称laastm)。laastm不仅具有轻量化、能耗低、污染小的特点，还具有十分优异的力学性能和抗震性能。

3、轻质碱矿渣韧性材料的主要原料为工业废渣(矿渣、赤泥、钢渣、磷渣、煤矸石、类矿渣粉等)、硅灰、粉煤灰、钾水玻璃、氢氧化钠、石英砂、空心玻璃微珠、聚丙烯纤维，以及水(自来水、海水等)。随着我国钢铁行业的迅猛发展，矿渣已成为产量巨大的一种工业副产品，我国每年矿渣的产量为2.4亿吨，占全球总产量的50％。对沿海地区，可对海水进行电渗析法(利用阴、阳离子交换膜对水中阴、阳离子的选择透过性，在外加直流电场作用下，使水中一部分离子转移到另部分水中而达到除盐目的方法)，使海水能用于建材中，达到了就地取材，大大减少运输成本的目的。硅灰、粉煤灰分别是大工业冶炼中的副产物和燃煤电厂排出的主要固体废物，其材料成本低廉，有效的循环利用可大大减少废弃物对环境污染。空心玻璃微珠是一种经过特殊加工处理的玻璃微珠，特点是密度小、强度高、保温性好。聚丙烯纤维具有强度高、弹性好、耐磨、耐腐蚀等特点，合适的掺量可以有效改善碱矿渣材料的韧性和密度。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于寒区结构加固的轻质碱矿渣韧性材料。

3、(二)技术方案

4、一种用于寒区结构加固的轻质碱矿渣韧性材料，包含如下组分：工业废渣、钾水玻璃、氢氧化钠、粉煤灰、空心玻璃微珠、石英砂、聚丙烯纤维；

5、所述工业废渣与钾水玻璃质量比为1:0.248～0.286，工业废渣与氢氧化钠质量比为1:0.062～0.071，工业废渣与硅灰质量比为1:0.067～0.231，工业废渣与粉煤灰质量比为1:0.200～0.385，水胶比为0.38、0.42、0.44，氢氧化钠和钾水玻璃混合后的复合水玻璃含水量0.4838，计算水用量时，应扣除复合水玻璃含水量，按胶砂比2：1、1：1、1：2掺入石英砂，空心玻璃微珠的体积掺量为10％～20％，聚丙烯纤维的体积掺量为0％～0.2％。

6、优选的，所述工业废渣为矿渣、赤泥、钢渣、磷渣、煤矸石和类矿渣粉中的一种或其中几种的混合物；所述的水为自来水或海水。

7、优选的，所述钾水玻璃初始模数为2.76，波美度为46.3，sio2含量为28.15％，k2o含量为15.98％，密度为1.465g/m3。

8、优选的，所述硅灰是大工业冶炼中的副产物，外观为灰色或灰白色粉末，耐火度>1600℃，其主要化学成分是：sio2、al2o3、fe2o3、mgo、cao、na2o。

9、优选的，所述粉煤灰为二级粉煤灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物，45μm方孔筛的筛余量不大于20％，需水量比不大于105％，烧失量不大于8％，含水量不大于2％，三氧化硫含量不大于3％，其主要化学成分是：sio2、al2o3、feo、fe2o3、cao、tio2。

10、优选的，所述石英砂为精制石英砂，规格为10～40目。

11、优选的，所述空心玻璃微珠型号为国产空心玻璃微珠60，外观为白色，抗压强度为12000mpa。

12、优选的，所述聚丙烯纤维尺寸为1～2cm。

13、优选的，所述类矿渣粉的制备方法如下：向海砂中添加氧化物，煅烧至熔融后，保持渣水比为1:10～1:15水淬粒化，将水淬渣破碎、烘干碾磨过筛，筛至余量不大于10％的粉末，即得类矿渣粉，类矿渣粉的粒径为35～40μm；所述的氧化物为sio2、cao、al2o3、mgo、fe2o3中的一种或几种；海砂与氧化物的质量比为3:1；煅烧温度为650～700℃。

14、优选的，包括以下步骤：

15、s1、称料：

16、按工业废渣与钾水玻璃1:0.248～0.286的质量比、工业废渣与氢氧化钠1:0.062～0.071的质量比、工业废渣与硅灰1:0.067～0.231的质量比、工业废渣与粉煤灰1:0.200～0.385的质量比进行称取，水胶比为0.38、0.42、0.44，氢氧化钠和钾水玻璃混合后的复合水玻璃含水量0.4838，计算水用量时，应扣除复合水玻璃含水量，石英砂按胶砂比2：1、1：1、1：2称取，空心玻璃微珠的体积掺量为10％～20％，聚丙烯纤维的体积掺量为0％～0.2％；

17、s2、制备混合粉料：

18、将工业废渣、硅灰、粉煤灰、空心玻璃微珠、聚丙烯纤维和石英砂混合搅拌，得到混合粉料；

19、s3、调节钾水玻璃模数：

20、在搅拌条件下，将氢氧化钠倒入钾水玻璃中，静置1～2h，得到复合钾水玻璃溶液；

21、s4、将混合粉料、复合钾水玻璃溶液、聚丙烯纤维和不同水胶比的水置于混料机搅拌混合均匀，倒入钢模中，再于混凝土振动台上经高频振动成型，得到用于寒区结构加固的轻质碱矿渣韧性材料。

22、(三)有益的技术效果

23、1.目前传统水泥类加固材料应用仍比较广泛，难以克服水泥生产能耗大、污染严重、能源紧缺等缺陷。本发明以工业废渣为基础，有效结合工业冶炼废弃物、燃煤电厂固体废物，通过碱激发制备碱矿渣混凝土，并用纤维增强碱矿渣混凝土的韧性和拉伸强度，抑制材料收缩，限制裂缝的扩展，最后通过外掺空心玻璃微珠减轻自重，制备出用于寒区结构加固的laastm。

24、2.目前在laastm中加入空心玻璃微珠，不仅在保证强度情况下减轻了材料自重，由于空心玻璃微珠本身具有较低的导热系数以及较好的稳定性和耐水性较强，还能有效提高laastm的保温性与抗冻性。因此，laastm相比于普通混凝土，呈现出轻质、高强、保温、抗冻等优秀的力学与工作性能。

25、3.本发明通过改变关键参数(硅灰掺量、粉煤灰掺量、水掺量、石英砂掺量、空心玻璃微珠掺量、聚丙烯纤维掺量)，考察了关键参数对用于寒区结构加固的laastm的力学性能(抗压强度、抗折强度)、密度的影响。试验结果表明，laastm不仅改善了传统水泥类加固材料强度低、自重大的问题，还从一定程度上解决了我国大宗固废面临的利用难度大、处理成本高、综合利用产品附加值低的严峻挑战，缓解部分天然材料紧缺、环境污染严重等问题。