一种用于预应力钢筒混凝土管保护层的复合材料及其制备方法

本发明涉及复合材料及其制法，具体为一种用于预应力钢筒混凝土管保护层的复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、预应力钢筒混凝土管是一种常用输水管道，具有承受内水压高、抗震能力强、经济效益高等优点，广泛用于城市输水工程。缠绕在管芯混凝土外的预应力钢丝作为预应力钢筒混凝土管的主要承压结构，常因保护层砂浆的劣化开裂导致断裂，进而导致管体可承受内水压极限值降低，最终导致爆管。保护预应力钢丝的保护层砂浆的耐久性格外重要。高延性地聚合物复合材料(hdgc)具有强度高、拉伸延性高、耐久性强、生产能耗低等优点，其单轴拉伸延性高于0.5％，平均裂缝宽度不超过100μm，已有研究成果表明其应变硬化多缝开裂特性可大幅提高混凝土构件耐久性，可用于替代预应力钢筒混凝土管传统保护层砂浆材料。

2、在工业生产中产生的赤泥、矿渣和粉煤灰等高钙、硅、铝含量固体废弃物可作为hdgc原料，在强碱性环境中，硅氧键和铝氧键被破坏，活性单体溶解并缩水聚合形成高聚合度水化硅铝酸钠凝胶，随着高钙组分含量的提高，体系ca/si也随之提高，无定型的水化硅铝酸钠凝胶可转变为结构相对有序的水化硅铝酸钙凝胶。hdgc基于掺杂纤维的桥联作用，纤维承担基体薄弱处开裂应力，并将应力传递至基体另一薄弱处继续形成裂缝，产生稳定的多缝开裂特征，平均裂缝宽度控制在100μm以下。已有大量研究表明低平均裂缝宽度可以有效增强混凝土结构耐久性，进而强化其对预应力钢筒混凝土管中预应力钢丝的保护。

3、现有技术中，采用减水剂、成膜剂、保水剂、减缩剂和消泡剂协同增效的预应力钢筒混凝土管保护层砂浆，通过在砂浆中形成防腐薄膜或复合保护层改善其耐久性，但外加剂在长生命周期下效果难以保证，同时无法阻止基体自收缩导致的开裂；生产工艺较为复杂，且在长生命周期下耐久性依然会产生下降。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种结构强度高、拉伸延性高、耐久性强的用于预应力钢筒混凝土管保护层的复合材料，本发明的另一目的是提供一种原料取用范围广泛、生产能耗低的用于预应力钢筒混凝土管保护层的复合材料的制备方法。

2、技术方案：本发明所述的一种用于预应力钢筒混凝土管保护层的复合材料，包括以下重量分数的物质：a物质50～70份，b物质0～40份，c物质10～40份，碱性激发剂20～30份，水0～10份，细河砂15～20份和聚乙烯醇纤维1.5～2.5份；a物质为赤泥或铜尾矿，b为物质为矿渣或煤矸石，c物质为粉煤灰或硅灰。

3、进一步地，a物质中，氧化铝含量为15％～30％，氧化硅含量为20％～45％。

4、进一步地，b物质中，氧化钙含量为40％～45％，氧化硅含量25％～40％。

5、进一步地，c物质中，氧化钙含量为10％～14％，氧化硅含量为40％～65％。

6、进一步地，碱性激发剂制备方法为：将2～4份氢氧化钠固体加入18～20份硅酸钠溶液中，缓慢加入3～5份水，搅拌均匀至体系不再产生余热，在18～22℃环境中静置24～36小时。碱性激发剂的模数为1.4～1.8，质量分数为35～40％。

7、进一步地，细河砂的粒径为0.075～0.6mm，细度模数为1.20～1.45。

8、进一步地，聚乙烯醇纤维长度为8～12mm，直径为35～40μm。

9、上述用于预应力钢筒混凝土管保护层的复合材料的制备方法，包括以下步骤：

10、步骤一，将a物质、b物质和c物质混合均匀，得到混合粉；

11、步骤二，加入细河砂，与混合粉干拌混合均匀；

12、步骤三，向步骤二所得物中加入碱性激发剂，搅拌至呈现流动状态；

13、步骤四，向步骤三所得物中加入聚乙烯醇纤维，搅拌至纤维均匀分散，得到新拌浆体；

14、步骤五，将新拌浆体装入模具，振动密实，覆膜，一次养护至硬化，拆模并将试件密封，进行二次养护。

15、进一步地，步骤五中，一次养护的温度为18～22℃，时间为36～48小时；二次养护的温度为18～22℃，时间为28～35天。

16、制备原理：本复合材料基于细观力学纤维桥联理论，初步建立起以a、b、c三种物质为前驱体的高延性碱激发胶凝复合材料。碱激发胶凝材料是根据“解聚-缩聚”模型通过碱性溶液中氢氧根离子溶解反应物a、b、c中的活性硅铝组分而后通过单体聚合形成具有机械强度的胶凝材料，同时b、c中富含钙质可有效提升反应速率以及结构无序程度，进一步增强基体内密实程度，提高力学性能的同时，实现速凝早强的理想效果；基于细观力学桥联理论即pva纤维承担复合材料基体开裂释放的应力，而后纤维通过纤维/基体界面再传递给裂缝周围的水泥基体，传递应力超过周围基体极限时，周围基体会继续开裂，随着应力传递的过程持续进行，达到裂纹稳态扩展的效果，满足强度准则与能量准则的要求。b物质富含形状不规则的玻璃体，可进一步增强基体与纤维的界面粘结强度和摩擦响应，同时b、c物质中钙元素含量较高，同pva纤维中羟基结合形成纤维/基体化学粘结力，得以有效控制纤维滑移后断裂的风险。在基体中，a物质具有一定碱性，在碱激发反应前期可用作碱源，加快反应速率，同时含有fe或cu相结晶矿物，为复合材料早期强度的发展提供保障；b物质富含玻璃体活性较高，可增加基体内凝胶含量，提升强度；c物质内含大量微珠，可发挥滚珠效应，增强高延性碱激发胶凝材料砂浆的流动性，满足施工要求。

17、有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

18、1、用固体废弃物作为原料可显著降低碳排放量和生产成本；

19、2、原料取用范围广泛，可适用于不同工业生产区位场景下的构件制备；

20、3、预应力钢筒混凝土管保护层用高延性地聚合物基复合材料单轴拉伸率高，耐久性好，生命周期长；

21、4、制备方法简单，制备效率高。

技术特征：

1.一种用于预应力钢筒混凝土管保护层的复合材料，其特征在于，包括以下重量分数的物质：a物质50～70份，b物质0～40份，c物质10～40份，碱性激发剂20～30份，水0～10份，细河砂15～20份和聚乙烯醇纤维1.5～2.5份；所述a物质为赤泥或铜尾矿，所述b为物质为矿渣或煤矸石，所述c物质为粉煤灰或硅灰。

2.根据权利要求1所述的一种用于预应力钢筒混凝土管保护层的复合材料，其特征在于：所述a物质中，氧化铝含量为15％～30％，氧化硅含量为20％～45％。

3.根据权利要求1所述的一种用于预应力钢筒混凝土管保护层的复合材料，其特征在于：所述b为物质中，氧化钙含量为40％～45％，氧化硅含量25％～40％。

4.根据权利要求1所述的一种用于预应力钢筒混凝土管保护层的复合材料，其特征在于：所述c为物质中，氧化钙含量为10％～14％，氧化硅含量为45％～65％。

5.根据权利要求1所述的一种用于预应力钢筒混凝土管保护层的复合材料，其特征在于：所述碱性激发剂制备方法为：将2～4份氢氧化钠固体加入18～20份硅酸钠溶液中，缓慢加入3～5份水，搅拌均匀至体系不再产生余热，在18～22℃环境中静置24～36小时。

6.根据权利要求5所述的一种用于预应力钢筒混凝土管保护层的复合材料，其特征在于：所述碱性激发剂的模数为1.4～1.8，质量分数为35～40％。

7.根据权利要求1所述的一种用于预应力钢筒混凝土管保护层的复合材料，其特征在于：所述细河砂的粒径为0.075～0.6mm，细度模数为1.20～1.45。

8.根据权利要求1所述的一种用于预应力钢筒混凝土管保护层的复合材料，其特征在于：所述聚乙烯醇纤维长度为8～12mm，直径为35～40μm。

9.根据权利要求1～8任一所述的一种用于预应力钢筒混凝土管保护层的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的一种用于预应力钢筒混凝土管保护层的复合材料的制备

技术总结本发明公开了一种用于预应力钢筒混凝土管保护层的复合材料及其制备方法，复合材料包括以下重量分数的物质：A物质50～70份，B物质0～40份，C物质10～40份，碱性激发剂20～30份，水0～10份，细河砂15～20份和聚乙烯醇纤维1.5～2.5份；A物质为赤泥或铜尾矿，B为物质为矿渣或煤矸石，C物质为粉煤灰或硅灰。制备方法包括以下步骤：将A物质、B物质和C物质混合均匀；加入细河砂干拌混合均匀；加入碱性激发剂，搅拌至流动状态；加入聚乙烯醇纤维，搅拌得到新拌浆体；装入模具，振动密实，覆膜，一次养护至硬化，拆模并将试件密封，进行二次养护。本发明用固体废弃物作为原料可显著降低碳排放量和生产成本。技术研发人员：郭丽萍,芮子庆,杜智荣,侯宇受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11