一種增強粉煤灰基堿激發材料及其制備方法
1.本發明涉及粉煤灰基堿激發材料技術領域，具體地，涉及一種利用熱裂解再生碳纖維加固的粉煤灰基堿激發材料及其制備方法。
背景技術：
2.普通硅酸鹽水泥具有強度高，易于操作生產等優點，是目前世界上已知應用最廣泛的材料之一。然而，它的生產或煅燒過程中的二氧化碳排放，約占全球二氧化碳排放總量的7％，加劇了全球的溫室效應。
3.粉煤灰是一種煤燃燒產物，主要來源于燃煤電廠燃燒過程中煙氣灰分中的固體顆粒物。為了減少建筑領域的能耗和二氧化碳排放，粉煤灰基堿激發材料是一種很有前途的建筑材料，具有許多優點，如強度高、微觀結構緊湊、化學穩定性高和耐熱性優異。然而，堿激發材料脆性較大，韌性低。為了克服這一缺點，碳纖維材料已被用作增強材料，并以分散短纖維、連續長復絲和織物的形式加固堿激發材料。
4.但是新碳纖維價格昂貴，其生產過程耗費大量能量。熱裂解再生碳纖維是一種高價值高強度的回收碳纖維產品，其來源于碳纖維復合材料廢棄物的回收利用。然而在實際應用中發現，再生碳纖維與堿激發材料的結合能力較差，使得再生碳纖維增強的對粉煤灰基堿激發材料性能不佳。
技術實現要素：
5.針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種增強粉煤灰基堿激發材料及其制備方法，以提高粉煤灰基堿激發材料的延性和韌性。
6.根據本發明的一個方面，提供一種增強粉煤灰基堿激發材料，該材料包括：再生碳纖維短切纖維和堿激發材料干料，其中，所述再生碳纖維短切纖維包括普通再生碳纖維短切纖維和改性再生碳纖維短切纖維中的至少一種；按質量份數計，所述再生碳纖維短切纖維的總干重與所述堿激發材料干料的干重比例為(0.32～0.65)：100。
7.進一步地，按質量份數計，所述增強粉煤灰基堿激發材料包括：低鈣粉煤灰45份、粒化高爐礦渣19份、硅酸鈉干粉11份、再生碳纖維短切纖維0.32～0.65份和水24～31份。
8.進一步地，所述改性再生碳纖維短切纖維的總干重與所述堿激發材料干料的干重的質量份之比為0.65：100。
9.進一步地，所述再生碳纖維短切纖維的制備方法包括：
10.將再生碳纖維作為陽極與直流電源的正極相連，并浸入氫氧化鈉溶液；
11.將石墨棒作為陰極與直流電源的負極相連，并浸入氫氧化鈉溶液；
12.打開電源進行再生碳纖維的陽極氧化處理，氧化過程結束后取出，用水淋洗后于室溫下懸掛干燥，得到表面改性再生碳纖維；
13.將所述表面改性再生碳纖維在室溫下切割，得到改性再生碳纖維短切纖維。
14.進一步地，所述氫氧化鈉溶液的質量分數為0.014～0.028％。
15.進一步地，所述用水淋洗后于室溫下懸掛干燥，包括：用水淋洗三-五次，之后于室溫下懸掛干燥6～24小時。
16.進一步地，將所述表面改性再生碳纖維在室溫下切割，包括：用旋轉式切割機將表面改性再生碳纖維在室溫下切割，切割結束后收集，得到改性再生碳纖維短切纖維。
17.進一步地，所述再生碳纖維短切纖維的長度為0.1～1.2毫米，平均長度為0.4～0.6毫米。
18.根據本發明的另一方面，提供一種上述的增強粉煤灰基堿激發材料的制備方法，該方法包括：
19.將低鈣粉煤灰、粒化高爐礦渣和硅酸鈉干粉與再生碳纖維短切纖維混合攪拌；
20.然后加入水繼續攪拌，得到增強粉煤灰基堿激發復合材料。
21.進一步地，所述加入水繼續攪拌，其中：攪拌時間為3～5分鐘。
22.與現有技術相比，本發明具有如下至少之一的有益效果：
23.1、本發明通過向粉煤灰基堿激發材料干料中加入再生碳纖維短切纖維作為增強材料，制得的增強粉煤灰基堿激發材料強度高，韌性好，同時，改性再生碳纖維短切纖維經對再生碳纖維表面改性后得到，使得增強粉煤灰基堿激發復合材料的抗彎力學性能可以進一步增加，從而能夠抵抗堿激發材料的裂縫生長，提高堿激發材料的韌性和延性。
24.2、本發明采用電化學改性的方法在再生碳纖維表面形成含氧官能團，并去除了表面的松動碳質雜質，使得再生碳纖維短切纖維和粉煤灰基堿激發材料的界面連接性能得到增強，有利于發揮碳纖維本身高強度的特性。
25.3、本發明的制備方法，流程簡單，可以降低粉煤灰、爐石礦渣、碳纖維復合材料廢棄物等工業廢棄物的處理壓力，利廢環保；同時再生碳纖維表面改性技術能耗低，可控性強，有進一步優化的潛力，可用于大規模工業化流水線操作。
附圖說明
26.通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯：
27.圖1為本發明對比例的未處理再生碳纖維表面的掃描電鏡表征結果圖；
28.圖2為本發明實施例的表面改性后的再生碳纖維表面的掃描電鏡表征結果圖；
29.圖3為本發明實施例的摻入表面改性再生碳纖維的28天齡期的堿激發材料的掃描電鏡表征結果圖。
具體實施方式
30.下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。
31.由于現有技術中的再生碳纖維與堿激發材料的結合能力較差，為了進一步提升粉煤灰基堿激發材料的韌性，高效利用再生碳纖維的高強度特性，需要對再生碳纖維的表面進行改性。為此，本發明實施例提供一種增強粉煤灰基堿激發材料，具體是一種改性再生碳
纖維短切纖維增強的粉煤灰基堿激發材料，該材料包括：再生碳纖維短切纖維和堿激發材料干料，其中，再生碳纖維短切纖維包括普通再生碳纖維短切纖維和改性再生碳纖維短切纖維中的至少一種；普通再生碳纖維短切纖維為再生碳纖維(未經處理)經切割后得到，改性再生碳纖維短切纖維經對再生碳纖維表面改性后并切割得到，按質量份數計，再生碳纖維短切纖維的總干重與堿激發材料干料的干重比例為(0.32～0.65)：100，該干重比例能夠提高堿激發材料的韌性和延性，再生碳纖維短切纖維干重比例大于或小于該值，均會造成復合材料強度和韌性下降。
32.在一些優選的實施方式中，改性再生碳纖維短切纖維的總干重與堿激發材料干料的干重的質量份之比為0.65：100。
33.原料中各組分含量的不同會造成ca、si、al的比例發生變化，ca、si、al之間不同的比例會形成不同化學結構的材料，從而影響復合材料的強度。在一些優選的實施方式中，按質量份數計，增強粉煤灰基堿激發材料包括：低鈣粉煤灰45份、粒化高爐礦渣19份、硅酸鈉干粉(或稱泡花堿)11份、再生碳纖維短切纖維0.32～0.65份和水24～31份，從而使增強粉煤灰基堿激發材料具有較高的強度以及良好的韌性和延性。
34.通過上述技術方案，優化了水和再生碳纖維短切纖維在堿激發復合材料的最佳重量比例。同時，由于改性再生碳纖維短切纖維為對再生碳纖維進行表面改性得到，能夠增強再生碳纖維與堿激發材料基體的結合強度，當堿激發復合材料受到壓力拉力等外力時，基體中的碳纖維可以起到裂縫橋接作用，控制堿激發復合材料的裂縫延伸和擴展，從而提高粉煤灰基堿激發復合材料的韌性和強度。
35.在一些實施方式中，改性再生碳纖維短切纖維的制備方法包括：
36.s1，將再生碳纖維作為陽極與直流電源的正極相連，并浸入氫氧化鈉溶液；優選地，氫氧化鈉溶液的質量分數為0.014～0.028％，該質量分數的氫氧化鈉溶液有利于提供氫氧根(oh-)離子，以去除再生碳纖維表面的焦炭，并在表面引入含氧官能團。
37.s2，將石墨棒作為陰極與直流電源的負極相連，并浸入氫氧化鈉溶液；
38.s3，打開電源進行再生碳纖維的陽極氧化處理，氧化過程結束后取出，用水淋洗后于室溫下懸掛干燥，得到表面改性再生碳纖維；
39.s4，將表面改性再生碳纖維在室溫下切割，得到改性再生碳纖維短切纖維。
40.在一個優選的實施方式中，電壓設置為1伏；在另一個優選實施方式中，電壓設置為3伏，時間設置為15分鐘，電壓高于3伏，或者時間大于15分鐘都會對纖維強度造成不利影響。
41.在一些實施方式中，用水淋洗后于室溫下懸掛干燥，包括：用水淋洗三～五次，以排除多余鈉(na)離子的影響，從而驗證纖維表面改性的效果；之后于室溫下懸掛干燥6～24小時，以滿足纖維摻入干料時所需的干燥狀態，防止纖維上的水分提前與干料發生反應。
42.在一些實施方式中，將表面改性再生碳纖維在室溫下切割，包括：用旋轉式切割機將表面改性再生碳纖維在室溫下切割，切割結束后收集，得到改性再生碳纖維短切纖維。旋轉式切割機操作簡單，易于獲取；同時旋轉式切割機切出的纖維長度分布情況比較穩定。
43.通過上述技術方案，陽極氧化處理使得再生碳纖維表面的松動碳質雜質被去除，同時表面的含氧活性基團增加，以供后續粉煤灰基堿激發復合材料與再生碳纖維緊密結合，從而使堿激發材料包覆于再生碳纖維表面，改善了再生碳纖維和堿激發材料基體的力
學傳遞，增強了粉煤灰基堿激發復合材料的力學性能。在一些實施方式中，再生碳纖維短切纖維的長度為0.1～1.2毫米，平均長度為0.4～0.6毫米。由于再生碳纖維短切纖維的長度較短，便于分散，可以省去傳統的碳纖維在水中的分散步驟，增加了混合效率縮短了制備時間。
44.本發明另一實施例提供一種上述的增強粉煤灰基堿激發材料的制備方法，該方法包括：將低鈣粉煤灰、粒化高爐礦渣和硅酸鈉干粉與再生碳纖維短切纖維混合攪拌；然后加入水繼續攪拌，為避免因攪拌時間過長造成的水分蒸發，優選地，攪拌時間為3～5分鐘，得到增強粉煤灰基堿激發復合材料。
45.通過采用上述技術方案，碳纖維與堿激發材料干粉同時加入，簡化操作步驟。由于所加碳纖維長度較短，便于分散，省去傳統的碳纖維在水中的分散步驟，增加了混合效率縮短了制備時間。該制備方法工藝流程簡單，可以降低粉煤灰、爐石礦渣、碳纖維復合材料廢棄物等工業廢棄物的處理壓力，具有節能利廢、低碳環保的優點；同時再生碳纖維表面改性技術能耗低，可控性強，有進一步優化的潛力，可用于大規模工業化流水線操作。
46.下面通過實施例和對比例對本發明進行進一步地描述。有必要在此指出的是，以下實施例只用于對本發明作進一步說明，不能理解為對本發明保護范圍的限制，本領域的技術人員根據上述本發明的內容做出的一些非本質的改進和調整，仍屬于本發明的保護范圍。
47.實施例1
48.實施例1提供的增強粉煤灰基堿激發材料為再生碳纖維增強的粉煤灰基堿激發材料，其制備方法包括以下步驟：
49.步驟1：制備再生碳纖維短切纖維(普通再生碳纖維短切纖維)。
50.將再生碳纖維用旋轉式切割機在室溫下切割60秒，切割結束后收集短纖維，得到再生碳纖維短切纖維。將得到的再生碳纖維短切纖維利用光學顯微鏡進行長度測量，得到的長度a概率分布結果如下表1所示：
51.表1再生碳纖維短切纖維的長度概率分布結果
52.0≤a＜0.20.2≤a＜0.40.4≤a＜0.60.6≤a＜0.80.8≤a＜11≤a(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)(mm)13.4％28.5％26.6％15.7％9.1％6.8％
53.通過表1的長度概率分布可見，再生碳纖維短切纖維的長度主要集中在0.2～0.6毫米范圍內，纖維的平均長度為0.4～0.6毫米。由于纖維的長度較短，在與堿激發材料干料混合時不易發生纏繞，能夠降低團聚的負面影響，有利于分散分布。同時由于再生碳纖維短切纖維的長度分布較寬，因此可以對不同尺寸的裂縫起到控制作用，在有外力作用時，可以限制堿激發復合材料從微觀到宏觀裂縫的發展和延伸，從而提升了基體的極限力學性能。
54.步驟2：制備再生碳纖維(普通再生碳纖維)增強堿激發復合材料。
55.步驟2.1：參照表2，將低鈣粉煤灰(粉煤灰)、粒化高爐礦渣(高爐礦渣)和硅酸鈉干粉(硅酸鈉)按質量份之比為49:21:12的比例混合，攪拌均勻，形成混合干料(堿激發復合材料干料)。
56.步驟2.2：向步驟2.1中制備的混合干料中加入步驟1中制備的再生碳纖維短切纖維。再生碳纖維短切纖維的總干重與步驟2.1中堿激發復合材料干料干重質量份之比為
0.32：100。混合攪拌均勻。
57.步驟2.3：按照水與堿激發材料干料之比為0.4：1，加水攪拌3分鐘，澆筑再生碳纖維增強堿激發復合材料的料漿至模具內定型，震蕩1分鐘去除氣泡，之后將模具用pva材質塑料袋密封，養護24小時后脫模，然后將取出的再生碳纖維增強堿激發復合材料試件再次放入pva材質塑料袋，在24℃恒溫條件下繼續密封養護，至28天齡期用以檢測強度。
58.表2各實施例與對比例中的組分
[0059][0060]
實施例2～實施例4
[0061]
實施例2至實施例4與實施例1的區別在于水與普通再生碳纖維短切纖維的用量的不同，具體用量如表2所示。
[0062]
實施例5
[0063]
本實施例與實施例4的區別在于，步驟1中，用改性再生碳纖維替代普通再生碳纖維，切割后得到改性再生碳纖維短切纖維，并在步驟2.2中，用等量的改性再生碳纖維短切纖維替代普通再生碳纖維短切纖維。
[0064]
上述改性再生碳纖維短切纖維采用以下方法制備，包括：
[0065]
s1，配置質量分數0.014％的氫氧化鈉溶液，室溫下將再生碳纖維織物浸沒于氫氧化鈉溶液中。將再生碳纖維織物作為陽極與直流電源的正極相連，將石墨棒作為陰極與直流電源的負極相連，并浸入氫氧化鈉溶液。打開電源使用3伏的電壓進行再生碳纖維的陽極氧化處理15分鐘，氧化過程結束后取出碳纖維，用水淋洗四次，之后懸掛在室溫24℃下干燥24小時，得到表面改性再生碳纖維織物。
[0066]
步驟1：制備改性再生碳纖維短切纖維。
[0067]
將表面改性再生碳纖維織物用旋轉式切割機在室溫下切割60秒，切割結束后收集短纖維，得到改性再生碳纖維短切纖維。
[0068]
步驟2：制備改性再生碳纖維增強堿激發復合材料。
[0069]
步驟2.1：將低鈣粉煤灰、粒化高爐礦渣和硅酸鈉按質量份之比為49:21:12的比例混合，攪拌均勻，形成混合干料(堿激發復合材料干料)。
[0070]
步驟2.2：向步驟2.1中制備的混合干料中加入步驟1中制備的改性再生碳纖維短
切纖維。改性再生碳纖維短切纖維的總干重與步驟2.1中堿激發復合材料干料干重質量份之比為0.65：100。混合攪拌均勻。
[0071]
步驟2.3：按照水與堿激發材料干料之比0.3：1，加水攪拌3分鐘，澆筑堿激發材料的料漿至模具內定型，震蕩1分鐘去除氣泡，之后將模具用pva材質塑料袋密封，養護24小時后脫模，然后將取出的改性再生碳纖維增強堿激發復合材料試件再次放入pva材質塑料袋，在24℃恒溫條件下繼續密封養護，至28天齡期用以檢測強度。
[0072]
對比例1
[0073]
與實施例1～2的區別在于，沒有加入普通再生碳纖維短切纖維，各組分的具體配比見表2。
[0074]
對比例2
[0075]
與實施例3～4的區別在于，沒有加入普通再生碳纖維短切纖維。對比例2與對比例1的區別在于水的用量不同，各組分的具體配比見表2。
[0076]
下面對實施例1-5得到的再生碳纖維增強的粉煤灰基堿激發材料和對比例1～2得到的復合材料進行抗折及抗壓強度試驗，混凝土養護時間為28天，測試結果如表3所示，其中斷裂能由三點彎曲實驗的力-位移曲線計算得出，用于表征材料的韌性和延性。
[0077]
表3抗折抗壓強度試驗結果
[0078] 抗折強度斷裂能抗壓強度 (mpa)(n/m)(mpa)實施例16.06175.5543.81實施例27.21427.6342.85實施例37.99188.1165.06實施例49.65534.5967.57實施例510.64560.6665.64對比例16.61116.4343.24對比例28.94167.9054.08
[0079]
下面對實施例1-5得到的增強粉煤灰基堿激發材料和對比例1～2得到的復合材料分別從力學性能及原理等方面進行對比分析。
[0080]
參照表3所示，根據力學強度測試結果，對比例1～2為不加入再生碳纖維的堿激發復合材料。與對比例1相比，對比例2的抗折強度和抗壓強度均更大，原因是減少了水的質量份數，使得孔隙度減少，堿激發復合材料的結構變得更加致密，從而當堿激發材料受外力時，有著更大的抗折和抗壓強度以及更高的斷裂能。
[0081]
與對比例1相比，實施例1和實施例2的抗壓強度基本相同，說明加入未處理的再生碳纖維對于對比例1的抗壓強度提高很小。而與對比例1相比，實施例1的抗折強度略有下降，說明實施例1中加入了少量再生碳纖維對于對比例1的抗折強度反而有降低的作用；然而，與對比例1相比，實施例1的斷裂能明顯上升，說明實施例1中加入了少量再生碳纖維對于對比例1的彎曲韌性有增加的作用。此外，隨著再生碳纖維加入含量的提升，與對比例1相比，實施例2的抗折強度和斷裂能上升，說明優化再生碳纖維的摻入含量，能夠有效提升對比例1的抗折強度，同時大幅度增加彎曲韌性。
[0082]
與對比例2相比，實施例3和實施例4的抗壓強度均更大，同時，與實施例3相比，實
施例4抗壓強度更大，說明加入未處理的再生碳纖維對于對比例2的抗壓強度提高很大，同時抗壓強度的提高幅度隨著再生碳纖維摻入含量的增加而增大。而與對比例2相比，實施例3的抗折強度略有下降，斷裂能上升，說明實施例3中加入了少量再生碳纖維對于對比例2的抗折強度有降低的作用，而對材料韌性有增加的作用。此外，隨著再生碳纖維加入含量的提升，與對比例2相比，實施例4的抗折強度和斷裂能上升，說明優化再生碳纖維的摻入含量，能夠有效提升對比例2抗折強度和韌性。
[0083]
與實施例1～2相比，實施例3～4抗壓強度增加的幅度更大，說明加入未處理的再生碳纖維對于低水膠比堿激發材料的抗壓強度能夠更有效的提升。此外，與實施例1～2相比，實施例3～4的基體結構更加致密，從而提高了再生碳纖維和堿激發材料基體的連接強度，優化了兩者之間的力學傳遞。當堿激發復合材料受到外力時，再生碳纖維能夠更有效的控制裂縫的發展，提升抗壓強度。
[0084]
與實施例4相比，實施例5的抗壓強度基本相同，說明再生碳纖維表面改性處理技術對于抗壓強度的提升有限，實施例5的抗折強度和斷裂能更大，說明再生碳纖維的表面改性處理能夠有效提升堿激發材料的抗折強度以及彎曲斷裂時的能量耗散。表面改性處理技術清除了再生碳纖維表面松動的碳質雜質，如圖1～2所示，并在再生碳纖維表面引入了含氧官能團，增加了纖維表面的濕潤性，使得n-a-s-h凝膠結構在再生碳纖維表面生成，優化了再生碳纖維和堿激發材料的界面區域，如圖3所示，說明再生碳纖維的表面改性處理提高了兩者之間的力學傳遞效率。
[0085]
以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。上述各優選特征在互不沖突的情況下，可以任意組合使用。
技術特征：
1.一種增強粉煤灰基堿激發材料，其特征在于，包括：再生碳纖維短切纖維和堿激發材料干料，其中，所述再生碳纖維短切纖維包括普通再生碳纖維短切纖維和改性再生碳纖維短切纖維中的至少一種；按質量份數計，所述再生碳纖維短切纖維的總干重與所述堿激發材料干料的干重比例為(0.32～0.65)：100。2.根據權利要求1所述的增強粉煤灰基堿激發材料，其特征在于，按質量份數計，所述增強粉煤灰基堿激發材料包括：低鈣粉煤灰45份、粒化高爐礦渣19份、硅酸鈉干粉11份、再生碳纖維短切纖維0.32～0.65份和水24～31份。3.根據權利要求1所述的增強粉煤灰基堿激發材料，其特征在于，所述改性再生碳纖維短切纖維的總干重與所述堿激發材料干料的干重的質量份之比為0.65：100。4.根據權利要求1所述的增強粉煤灰基堿激發材料，其特征在于，所述改性再生碳纖維短切纖維的制備方法包括：將再生碳纖維作為陽極與直流電源的正極相連，并浸入氫氧化鈉溶液；將石墨棒作為陰極與直流電源的負極相連，并浸入氫氧化鈉溶液；打開電源進行再生碳纖維的陽極氧化處理，氧化過程結束后取出，用水淋洗后于室溫下懸掛干燥，得到表面改性再生碳纖維；將所述表面改性再生碳纖維在室溫下切割，得到改性再生碳纖維短切纖維。5.根據權利要求4所述的增強粉煤灰基堿激發材料，其特征在于，所述氫氧化鈉溶液的質量分數為0.014～0.028％。6.根據權利要求4所述的增強粉煤灰基堿激發材料，其特征在于，所述用水淋洗后于室溫下懸掛干燥，包括：用水淋洗三～五次，之后于室溫下懸掛干燥6～24小時。7.根據權利要求4所述的增強粉煤灰基堿激發材料，其特征在于，將所述表面改性再生碳纖維在室溫下切割，包括：用旋轉式切割機將表面改性再生碳纖維在室溫下切割，切割結束后收集，得到改性再生碳纖維短切纖維。8.根據權利要求1所述的增強粉煤灰基堿激發材料，其特征在于，所述再生碳纖維短切纖維的長度為0.1～1.2毫米，平均長度為0.4～0.6毫米。9.一種權利要求1-8任一項所述的增強粉煤灰基堿激發材料的制備方法，其特征在于，包括：將低鈣粉煤灰、粒化高爐礦渣和硅酸鈉干粉與再生碳纖維短切纖維混合攪拌；然后加入水繼續攪拌，得到增強粉煤灰基堿激發復合材料。10.根據權利要求9所述的增強粉煤灰基堿激發材料的制備方法，其特征在于，所述加入水繼續攪拌，其中：攪拌時間為3～5分鐘。
技術總結
本發明提供一種增強粉煤灰基堿激發材料及其制備方法，所述增強粉煤灰基堿激發材料包括：再生碳纖維短切纖維和堿激發材料干料，其中，所述再生碳纖維短切纖維包括普通再生碳纖維短切纖維和改性再生碳纖維短切纖維中的至少一種；按質量份數計，所述再生碳纖維短切纖維的總干重與所述堿激發材料干料的干重比例為(0.32～0.65)：100。本發明能夠提高粉煤灰基堿激發材料的延性和韌性。堿激發材料的延性和韌性。堿激發材料的延性和韌性。
