一种壳聚糖改性地聚合物胶凝材料技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种改性地聚合物胶凝材料。
背景技术
混凝土是目前世界上用量最多的一类建筑材料，而其常用的胶凝材料为水泥。传
统水泥工业是高资源消耗、高能源消耗、高环境负荷的产业。据统计，每吨水泥需要消耗1吨
石灰石，200千克粘土，235千克标准煤，排放650千克二氧化碳，且生产水泥每年向大气排放
的烟尘粉尘和烟尘量近1000万吨。因此，亟需一种新型绿色胶凝材料作为硅酸盐水泥的替
代品。
地聚合物作为一种新近研发的胶凝材料，它的原料价格低廉，储量丰富，可利用矿
渣废物、建筑生产垃圾等为原料生产，且生产能耗低，相较于水泥，其环保效应尤为明显，可
以被大量生产并运用于工程实际。与此同时，地聚合物还具有普通水泥所不具有的优良性
质，如早期强度形成快，良好的抗压强度，耐火、耐高温及耐化学腐蚀性能好等。但是，与地
聚合物优异的抗压强度相比，其抗折性能与韧性较差，脆性大，严重制约了它在对弯曲韧性
要求较高的混凝土构件中的应用。
当前对于地聚合物的增韧主要为纤维增韧，然而纤维增韧的产品耐碱腐蚀不是很
高，工序复杂，对设计研究和实际应用带来困难。壳聚糖作为一种天然高分子，其中含有大
量高分子链，能够增加地聚合物的韧性。且采用壳聚糖对地质聚合物进行增韧的工艺流程
简便，能够在不会对原有优良性能产生太大影响基础上进行增韧。同时，壳聚糖的制备母体
几丁质资源丰富，价格低廉，因此用壳聚糖对地聚合物增韧有着良好的应用前景。
发明内容
本发明目的在于提供一种壳聚糖改性地聚合物胶凝材料，使其具有良好的力学性
能，显著降低压折比并提高弯曲韧性，让地聚合物作为一类胶凝材料，能在对弯曲韧性要求
较高的混凝土构件中得以应用。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
一种壳聚糖改性地聚合物胶凝材料，采用以下方式制备而来：
将壳聚糖加入到碱性激发剂中充分搅拌溶解得到混合溶液；再将混合溶液逐步加
入到硅铝质固体材料中搅拌混匀；注入模具中进行反应，脱模后进行养护，得到壳聚糖改性
地聚合物胶凝材料。
按上述方案，所述硅铝质固体材料包含粉煤灰、偏高岭土、高炉矿渣的任意一种或
者任意混合。
按上述方案，所述碱性激发剂为氢氧化钠与硅酸钠混合溶液、氢氧化钠与硅酸钾
混合溶液、氢氧化钾与硅酸钠混合溶液、氢氧化钾与硅酸钾混合溶液的任意一种或者混合。
按上述方案，所述壳聚糖为羧甲基壳聚糖、羟丙基壳聚糖、盐酸丁卡因壳聚糖、N-
三甲基壳聚糖、N-马来酰化壳聚糖中任意一种或者任意混合。
按上述方案，所述壳聚糖的掺量为硅铝质固体材料质量的0.05wt％～0.5wt％。
优选地，壳聚糖的掺量为高炉矿渣质量的0.08wt％～0.3wt％。
按上述方案，壳聚糖加入到碱性激发剂中在30-60℃下搅拌0.25-1h溶解得到混合
溶液。
按上述方案，碱性激发剂的模数M(SiO2)/n(Na2O)在0.5-2之间，碱性激发剂质量占
硅铝质固体材料质量的百分比的5wt％-20wt％。
优选地，所述碱性激发剂为氢氧化钾与硅酸钠混合溶液，模数M(SiO2)/n(Na2O)在
0.8-1.5之间，碱性激发剂质量占高炉矿渣质量的百分比在8％-15％之间。
按上述方案，模具中反应条件为在10-30℃反应12～48h。
本发明以硅铝质固体材料为主要原料，用碱性激发剂进行激发，以壳聚糖为主要
增韧剂,确定了各原料种类、掺量与掺用方式，以及使用壳聚糖增韧改性时碱性激发剂的模
数及碱当量，并在常温养护环境中使该体系具有良好的力学性能，显著降低材料的压折比
及提高材料弯曲韧性，使得地聚合物作为一类胶凝材料，能在对弯曲韧性要求较高的混凝
土构件中得以应用。
壳聚糖掺入地聚合的主要影响与壳聚糖中生物大分子中大量氢键有关。壳聚糖中
生物大分子中有机官能团如羧基、羟基、氨基的氢键与地聚合物胶凝物质通过范德华力和
配位键相连接。地聚合过程水解的硅烷羟基和低分子聚合物与壳聚糖中羟基组分缩聚形成
共价键。正是这些有机-无机柔性键覆盖和连接地聚合过程的结构单元，使地聚合物形成的
三维网络结构不易转动导致脆性大的缺点得到缓解，最终达到了增韧的目的。
壳聚糖由于它稳定的晶体结构，在碱性环境中难以溶解，而地聚合物需要碱性激
发剂进行激发，因此，要适当控制体系中的碱环境，取适当的碱基发剂掺量。
壳聚糖的掺加方式是要在稍微高于室温条件下先加入碱基发剂溶液中，充分混合
搅拌一定时间，得到均一溶液后来使用，既能确保壳聚糖的充分溶解又能确保壳聚糖在地
聚合反应过程进行的同时起到作用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明能明显改善地质聚合物的韧性，使其能在对弯曲韧性要求较高的混凝土构
件中得以应用。
本发明易于操作，工作流程简洁，能在实际生产中得到较好的应用。
本发明能够合理利用工业废弃物，节能环保。
具体实施方式
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
实施例1
将1g羧甲基壳聚糖加入到100g模数为1的氢氧化钾与硅酸钠混合溶液中，在30℃
下充分搅拌1h得到均一混合溶液。将高炉矿渣取1000g，向其中逐步加入之前均一混合溶
液，并在20℃下充分搅拌20分钟，然后注入模具并震荡以排除反应物中的空气。在室温中
(20℃左右)反应24h后脱模，再将样品用密封袋密封放入恒温箱中以室温(20℃左右)养护
28天，最终得到地聚合物样品。此时测得其抗压强度为58.31MPa，抗折强度为9.55MPa，压折
比为6.11，弯曲韧性系数为5.98KN·mm。
实施例2
将1g羟丙基壳聚糖加入到100g模数为1的氢氧化钾与硅酸钠混合溶液中，在50℃
下充分搅拌1h得到均一混合溶液。将高炉矿渣取1000g，向其中逐步加入之前均一混合溶
液，并在20℃下充分搅拌20分钟，然后注入模具并震荡以排除反应物中的空气。在室温中
(20℃左右)反应24h后脱模，再将样品用密封袋密封放入恒温箱中以室温(20℃左右)养护
28天，最终得到地聚合物样品。此时测得其抗压强度为60.22MPa，抗折强度为10.2MPa，压折
比为5.90，弯曲韧性系数为6.84KN·mm。
实施例3
将1.5gN-三甲基壳聚糖加入到100g模数为1的氢氧化钾与硅酸钠混合溶液中，在
50℃下充分搅拌1h得到均一混合溶液。将高炉矿渣取1000g，向其中逐步加入之前均一混合
溶液，并在20℃下充分搅拌20分钟，然后注入模具并震荡以排除反应物中的空气。在室温中
(20℃左右)反应24h后脱模，再将样品用密封袋密封放入恒温箱中以室温(20℃左右)养护
28天，最终得到地聚合物样品。此时测得其抗压强度为55.34MPa，抗折强度为8.46MPa，压折
比为6.54，弯曲韧性系数为6.29KN·mm。
将以上实施例1～3与各自空白样28d力学性能绘制如下的表1(空白样除不掺加壳
聚糖外其他所有条件与实施例相同)
表1
从表1可以看出实施例1和空白样相比压折比降低了20.79％，弯曲韧性提高了
152％；实施例2和空白样相比压折比降低了26.27％，弯曲韧性提高了143％；实施例3实施
例2和空白样相比压折比降低了12.08％，弯曲韧性提高了139％。因此，可以知道每个实施
例中的压折比均低于空白样，弯曲韧性均优于空白样，充分证明壳聚糖增韧型地聚合物具
有很好的韧性。
实施例4
将10g羧甲基壳聚糖加入到1kg模数为1的氢氧化钾与硅酸钠混合溶液中，在30℃
下充分搅拌1h得到均一混合溶液。取高炉矿渣8kg，砂8kg，石子15kg后进行搅拌混合，向其
中逐步加入之前均一混合溶液，并在20℃下充分搅拌20分钟，然后注入模具并震荡以排除
反应物中的空气。在室温中(20℃左右)反应24h后脱模，再将样品用保鲜膜密封放入恒温箱
中以室温(20℃左右)养护28天，最终得到地聚合物样品。此时测得其抗压强度为52.81MPa，
抗折强度为7.82MPa，压折比为6.11，弯曲韧性系数为4.77KN·mm。
实施例5
将15gN-三甲基壳聚糖加入到1kg模数为1的氢氧化钾与硅酸钠混合溶液中，在50
℃下充分搅拌1h得到均一混合溶液。取高炉矿渣8kg，砂8kg，石子15kg后进行搅拌混合，向
其中逐步加入之前均一混合溶液，并在20℃下充分搅拌20分钟，然后注入模具并震荡以排
除反应物中的空气。在室温中(20℃左右)反应24h后脱模，再将样品用保鲜膜密封放入恒温
箱中(20℃左右)以室温养护28天，最终得到地聚合物样品。此时测得其抗压强度为
50.16MPa，抗折强度为7.05MPa，压折比为6.54，弯曲韧性系数为4.53KN·mm。
将以上实施例4～5与各自空白样28d力学性能绘制如下的表2(空白样除不掺加壳
聚糖外其他所有条件与实施例相同)
表2
从表2可以看出实施例4和空白样相比压折比降低了26.67％，弯曲韧性提高了
130％；实施例5和空白样相比压折比降低了29.96％，弯曲韧性提高了113％。因此，可以知
道每个实施例中的压折比均低于空白样，弯曲韧性均优于空白样，充分证明壳聚糖增韧型
地聚合物混凝土与普通地聚合物混凝土相比，有很好的韧性，使其能在对弯曲韧性要求较
高的混凝土构件中更好的应用。