一种基于赤泥与黄河粉砂地聚合物的多孔混凝土及其制备方法

本发明属于混凝土材料，尤其涉及一种基于赤泥与黄河粉砂地聚合物的多孔混凝土及其制备方法。

背景技术：

1、近年来城市化进程的快速推进导致建筑密度和地表覆盖率的急剧上升，引发了城市地表水循环系统的变革，内部洪水频发。多孔混凝土以其出色的透水性能和排水能力而著称，通常由水泥砂浆和骨料制成，广泛应用于停车场、透水路面和河流边坡等领域。多孔混凝土凭借其独特的孔隙结构，在减缓城市洪水风险和缓解热岛效应方面发挥着至关重要的作用。然而，多孔混凝土中的水泥不仅是世界上最主要的建筑材料，同时也是二氧化碳排放的主要源头，广泛使用混凝土将导致生态环境的恶化。为了解决传统混凝土所带来的环境污染等问题，近年来越来越多的学者转向研究地聚合物混凝土。地聚合物通常由高炉矿渣、偏高岭土和粉煤灰等含有硅、铝和钙等元素的地聚合物前躯体材料，结合碱激发剂，制备出具有三维网络结构的地聚合物凝胶。这种地聚合物凭借良好的工程性能，可替代传统混凝土，从而降低混凝土生产过程中的碳排放。

2、赤泥(rm)是氧化铝生产过程中的工业副产品，全球年产量约为120亿吨，其毒性和放射性对人们的生活环境构成威胁。流经河南省的黄河是世界第一大含沙量的河流，其输沙量占全球6％，泥沙堆积造成河床抬高和洪水隐患。采用赤泥和黄河砂代替水泥制备多孔地聚合物混凝土对于减少赤泥和黄河沙堆积，改善生态环境具有重要的生态意义。目前已有多项研究表明赤泥可用作地聚合物的前躯体材料。zhang等证明rm可与粉煤灰结合生成地聚合物，强度可达7-13mpa。chen等采用赤泥、超细粉煤灰和再生混凝土制备出了无水泥三元地聚合物复合材料，强度可达46mpa。smita singh等将拜耳法赤泥活化处理后与粉煤灰结合制备出了7d强度40mpa的地聚合物。an等将赤泥与高炉矿渣和电石渣结合所制成的地聚合物，在赤泥含量30％时28d强度可达20.3mpa。在上述研究中制备地聚合物时均用到赤泥，但仍存在强度较低的问题。烧结法赤泥的活性高，且钙含量高，非常适合作为地聚合物的基础材料，特别是与高炉矿渣(ggbs)结合使用，可获得较高的强度。zhang等制备高性能地聚合物，但12min的凝结时间使其在实际工程中不能完成多孔混凝土的施工。因此，如何延长高性能地聚合物混凝土的凝结时间成为一项难题。针对这一问题，现有文献中设计了多种针对硅酸盐材料的缓凝剂，但均不能延长地聚合物的凝结时间，因此这成为开发多孔地聚合物混凝土的一大障碍。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于赤泥与黄河粉砂地聚合物的多孔混凝土及其制备方法，本发明采用黄河粉砂(yrs)与赤泥(rm)、高炉矿渣(ggbs)制备三元地聚合物胶凝材料，并进一步制备多孔地聚合物混凝土。

2、为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、本发明的技术方案之一：

4、一种地聚合物胶凝材料，原料包括黄河粉砂、赤泥和高炉矿渣，按质量百分比计，所述黄河粉砂的用量为10％-40％。

5、进一步地，按质量百分比计，所述赤泥的用量为18％-27％，所述高炉矿渣的用量为42％-63％。

6、本发明在赤泥和高炉矿渣二元地聚物胶凝材料的基础上，采用黄河粉砂等质量取代部分赤泥和高炉矿渣，制备成三元地聚物胶凝材料。当黄河粉砂的加入量在10％-40％范围内时，胶凝材料中形成的c-a-s-h凝胶中由于si含量增加，si-o键与凝胶之间的连接密实度提高，使得c-a-s-h凝胶结构稳定，胶凝材料的抗压强度得以提升。yrs的掺入使得高活性的rm和ggbs含量减少，降低了材料整体活性，阻碍了凝胶产物的生成，从而提高了工作性能。

7、本发明的技术方案之二：

8、一种基于赤泥与黄河粉砂地聚合物的多孔混凝土，以上述的地聚合物胶凝材料为胶凝材料，原料还包括碱激发剂、骨料和水。

9、进一步地，所述多孔混凝土的水胶比为0.36-0.4。

10、进一步地，所述碱激发剂的加入量为所述胶凝材料质量的17％。

11、进一步地，所述碱激发剂为na2sio3和naoh，模数为2.1。

12、进一步地，所述骨料为平均粒径为5mm的砾石，冲洗表面灰尘后晒干备用。

13、进一步地，所述胶凝材料的加入量为所述骨料质量的20％。

14、本发明的技术方案之三：

15、一种上述的基于赤泥与黄河粉砂地聚合物的多孔混凝土的制备方法，包括以下步骤：

16、将碱激发剂与水混合，之后加入混合均匀的黄河粉砂、赤泥和高炉矿渣，继续搅拌后加入骨料，搅拌均匀后装模、压平并进行养护，得到所述基于赤泥与黄河粉砂地聚合物的多孔混凝土。

17、进一步地，所述养护为在90℃水浴养护3d后，在湿度为95％，温度为(20±2)℃条件下养护24h，即采用90℃水浴养护+标准养护的形式。

18、高温高湿环境更有利于凝胶的转化。温度的提升可以使一些能量较低的分子转为活化分子，并且增加分子间的有效碰撞次数，水浴环境为此反应过程提供了持续不断的oh-的供给。这两种因素加快了反应速率，增加了凝胶的产量，从而提高了样品的抗压强度。

19、地聚合物胶凝材料的强度主要来源于c-a-s-h凝胶，当含有si、al等元素的原材料(rm、ggbs和yrs)遇碱激发溶液中的oh-后，h+将含si、al的氧化物解聚分离成自由的硅氧四面体和铝氧四面体，后重新组合成三维结构的c-a-s-h凝胶，与传统硅酸盐体系中的c-s-h凝胶相比，这种密集的三维c-a-s-h凝胶结构具有更出色的力学性能。

20、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

21、本发明制备了具有良好工作性能且较高抗压强度的地聚合物胶凝材料，并在此基础上制备出了具有环境友好型的多孔混凝土：

22、(1)yrs的加入可以改善地聚合物胶凝材料的工作性能。yrs的增加可以显著延缓地聚合物胶凝材料的凝结时间，当yrs掺量为40％时，地聚合物胶凝材料浆体的初凝和终凝时间分别提升至25min和45min，其相比于未添加yrs提升率高达150％。制备的地聚合物胶凝材料浆体的流动度基本维持在244-248mm，变化率小于2％。

23、(2)随着yrs掺量的增加，地聚合物胶凝材料和多孔混凝土的抗压强度均呈先增加后降低的趋势。90℃水浴的养护方式可以加速地聚合物胶凝材料的早期抗压强度，3d最高抗压强度可达86.7mpa，多孔地聚合物混凝土的28d抗压强度最高可达28.1mpa。

24、(3)90℃水浴养护方式对多孔地聚合物混凝土的孔隙率和透水系数影响较小。随着yrs掺量的增加，多孔地聚合物混凝土的总孔隙率和有效孔隙率均呈逐渐升高的趋势，其平均总孔隙率和平均有效孔隙率分别为19.02％和17.34％，总孔隙率均高于15％的目标孔隙率，符合最优透水率要求。

25、(4)地聚合物胶凝材料中凝胶产物主要为c-a-s-h凝胶，yrs参与了地聚物反应，且90℃的高温水浴环境会促进yrs参与地聚物反应生成c-a-s-h凝胶，产生了大量方解石。90℃水浴养护方式与yrs的加入不会影响地聚合物胶凝材料化学基团的改变。

26、(5)地聚合物胶凝材料具有良好的重金属吸附效果，其重金属吸附率与凝胶产物的量和材料微观形貌有关。地聚合物胶凝材料中的碱性物质被水长期浸泡后可以被稀释，使得地聚合物胶凝材料中的碱对环境的破坏可以得到缓解。