CN105541210A - 一种氧化石墨烯混凝土 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氧化石墨烯混凝土，包括以下组分：水泥115～415份、粉煤灰30～50份、矿粉50～90份、石子940～1070份、砂720～1040份、水155～190份、石墨烯增强剂4.15～11.70份，其中，石墨烯增强剂包括10～14%减水组分、12～18%保坍组分、3.2～3.6%葡萄糖酸钠、8～12%氧化石墨烯、0.4～0.6%稳定剂聚乙烯吡咯烷酮、51～66%去离子水。本发明解决了现有技术中氧化石墨烯混凝土中分散性差，造成水泥基体缺陷引起强度损失的技术缺陷，可有效地调控水泥水化产物的微观结构，提高混凝土的强度、抗渗性和耐久性，使同配比混凝土强度提高30%～46%。

Description

一种氧化石墨烯混凝土
技术领域
本发明涉及一种混凝土，特别涉及一种氧化石墨烯混凝土。
背景技术
随着经济的快速发展，我国基础设施的建设如火如荼，在公路、桥梁、铁道、核电、水电、港口、海洋等重大工程项目正进行着大规模的建设，规模空前，混凝土结构以其良好的整体性能、便于施工以及相对低廉的成本一直广泛地应用于基础建设领域，我国每年有约20亿方混凝土用于建筑工程，建设用水泥产量占到了世界总产量的70%，但是混凝土的主要缺陷是脆性、裂缝和渗透，由此引起的容易裂缝等问题是造成其性能下降、使用寿命缩短的主要原因。
在水泥混凝土行业中，外加剂已广泛应用到水泥混凝土中，一方面节约资源保护环境为目的，另一方面用于改善水泥基材的化学组成、改善水泥石的孔结构，调控水泥水化过程，使水泥中的凝胶更加均匀和致密，降低针状钙矾石的生成，使得水泥石结构更加致密，从而有效提高混凝土的强度、抗渗性和耐久性。水泥的颗粒粒径大多在7～200μm，但是其大部分的水化产物C-S-H凝胶为纳米尺寸。通过在胶凝材料中掺加纳米材料，不光可以起到填充孔隙的作用，纳米材料的高能表面还能起到晶核作用。纳米材料的表面能与C-S-H凝胶形成键合，诱导钙矾石在纳米材料附件生长，最后形成以纳米材料为节点，C-S-H凝胶为网络的三维空间网络结构，从而大大地提高水泥硬化后浆体的物理力学性能和耐久性。ShenghuaLv等人利用改进的Hummers法氧化石墨并超声得到含氧量为29.75%的氧化石墨烯、并将其复合在水泥基材料中。试验结果表明0.03%质量掺量的氧化石墨烯能够显著提高水泥砂浆的抗压、抗弯和抗拉强度，分别提高38.9%、60.7%和78.6%。氧化石墨烯能有效地调控水泥水化产物的微观结构从而提高水泥基材料的强度和韧性。
但是氧化石墨烯比表面积很大，在碱性环境下容易发生絮凝,故氧化石墨烯直接掺入水泥中会产生絮凝，这对于氧化石墨烯在水泥基材料中的分散很不利，会直接影响氧化石墨烯产生的增强效果，甚至会由于团聚产生水泥基体缺陷引起强度损失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氧化石墨烯混凝土，以解决现有技术中氧化石墨烯在水泥、混凝土无机材料中分散性差的问题，造成水泥基体缺陷引起强度损失的技术缺陷。
本发明是这样实现的：
氧化石墨烯混凝土，包括以下组分，各组分按重量份计：
水泥115～415份；
粉煤灰30～50份；
矿粉50～90份；
石子940～1070份；
砂720～1040份；
水155～190份；
石墨烯增强剂4.15～11.70份；
其中，石墨烯增强剂的组分以重量百分比计包括：10～14%减水组分、12～18%保坍组分、3.2～3.6%葡萄糖酸钠、8～12%氧化石墨烯、0.4～0.6%稳定剂、51～66%去离子水；
其中，减水组分包括30～35%甲基烯基聚氧乙烯醚、3～4%丙烯酸、61～67%去离子，甲基烯基聚氧乙烯醚和丙烯酸为合成共聚物；
其中，保坍组分包括25～30%烯丙基聚氧乙烯基醚、10～15%马来酸酐、1%～3%丙烯酸、5～8%二丙烯酸乙二醇酯、44～59%去离子水；烯丙基聚氧乙烯基醚、马来酸酐、丙烯酸和二丙烯酸乙二醇酯为合成高分子共聚物；
其中，稳定剂为聚乙烯吡咯烷酮。
本发明提供的氧化石墨烯混凝土，其中，按重量份计，水泥优选315份、粉煤灰优选40份、矿粉优选65份、石子优选1055份、砂优选790份、水优选165份、石墨烯增强剂优选8.5份。
其中，石墨烯增强剂的组分以重量百分比计，减水组分优选12%、保坍组分优选16%、葡萄糖酸钠优选3.4%、氧化石墨烯优选10%、稳定剂优选0.5%、去离子水优选58.1%。
其中，减水组分以重量百分比计，甲基烯基聚氧乙烯醚优选33%、丙烯酸优选3.5%、去离子水优选63.5%，甲基烯基聚氧乙烯醚和丙烯酸为合成共聚物。
其中，保坍组分以重量百分比计，烯丙基聚氧乙烯基醚优选27%、马来酸酐优选12%、丙烯酸优选2%、二丙烯酸乙二醇酯优选6%、去离子水优选53%，烯丙基聚氧乙烯基醚、马来酸酐、丙烯酸和二丙烯酸乙二醇酯为合成高分子共聚物。
其中，水泥优选强度等级42.5的普通硅酸盐水泥；石的颗粒粒径优选5～31.5mm；砂的细度模数优选3.0～2.3。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的氧化石墨烯混凝土，能明显减少水泥石内部的孔洞，改善水泥石的孔结构，使水泥中的凝胶更加均匀和致密，能明显地降低针状钙矾石的生成，使得水泥石结构更加致密，能够使得水泥中CH晶体细化，从而有效地调控水泥水化产物的微观结构，提高混凝土的强度、抗渗性和耐久性。
2、本发明提供的氧化石墨烯混凝土，添加了石墨烯增强剂，该石墨烯增强剂是一种以羧酸聚合物和氧化石墨烯为主体的高效复合混凝土增强剂，为黑色不透明液体，无毒无害，无污染，无放射性，比重为1.15g/cm3，不含氯离子和碱等对混凝土有害的成分，该增强剂满足混凝土施工和质量要求。
3、本发明提供的氧化石墨烯混凝土中的石墨烯增强剂为脂肪族高效减水、保坍组分与氧化石墨烯的复配，脂肪族高效减水保坍组分以聚醚类、羰基化合物为主要原料，在适当的条件下通过枝链接枝反应合成脂肪族高分子链，形成适当比例的羧基和聚氧化乙烯基官能团，以及适量的侧链枝链密度和长侧链分子量，得到减水和保坍特性，该石墨烯增强剂利用氧化石墨烯中的极性基团与减水保坍组分的极性作用，使氧化石墨烯得以分散，脂肪族高效减水、保坍组分属阴离子高分子表面活性剂，其显著特点是减水率高、保坍性好、无氯、低碱，氧化石墨烯增强剂提高同配比混凝土强度30%～46%。
具体实施方式
实施例1：
氧化石墨烯混凝土的石墨烯增强剂：
（1）取10%减水组分、12%保坍组分、3.2%葡萄糖酸钠、8%氧化石墨烯、0.4%的稳定剂聚乙烯吡咯烷酮、66%去离子水；
其中，减水组分以重量百分比计包括：30%甲基烯基聚氧乙烯醚、3%丙烯酸、67%去离子水；
其中，保坍组分以重量百分比计包括：25%烯丙基聚氧乙烯基醚、10%马来酸酐、1%丙烯酸、5%二丙烯酸乙二醇酯、59%去离子水；
（2）将减水组分、保坍组分加入去离子水中，搅拌均匀后备用；
（3）加入葡萄糖酸钠，搅拌混合，再加入氢氧化钠调溶液调节PH值至7.0，然后加入经20KHz超声处理3小时的氧化石墨烯，搅拌混合，最后缓慢加入稳定剂聚乙烯吡咯烷酮，搅拌均匀后制得石墨烯增强剂。
实施例2：
氧化石墨烯混凝土的石墨烯增强剂：
（1）取14%减水组分、18%保坍组分、3.6%葡萄糖酸钠、12%氧化石墨烯、0.6%的稳定剂聚乙烯吡咯烷酮、51%去离子水；
其中，减水组分以重量百分比计包括：35%甲基烯基聚氧乙烯醚、4%丙烯酸、61%去离子水；
其中，保坍组分以重量百分比计包括：30%烯丙基聚氧乙烯基醚、15%马来酸酐、3%丙烯酸、8%二丙烯酸乙二醇酯、44%去离子水；
（2）将减水组分、保坍组分加入去离子水中，搅拌均匀后备用；
（3）加入葡萄糖酸钠，搅拌混合，再加入氢氧化钠调溶液调节PH值至7.0，然后加入经20KHz超声处理3小时的氧化石墨烯，搅拌混合，最后缓慢加入稳定剂聚乙烯吡咯烷酮，搅拌均匀后制得石墨烯增强剂。
实施例3：
氧化石墨烯混凝土的石墨烯增强剂：
（1）取12%减水组分、16%保坍组分、3.4%葡萄糖酸钠、10%氧化石墨烯、0.5%的稳定剂聚乙烯吡咯烷酮、58.1%去离子水；
其中，减水组分以重量百分比计包括：33%甲基烯基聚氧乙烯醚、3.5%丙烯酸、63.5%去离子水；
其中，保坍组分以重量百分比计包括：27%烯丙基聚氧乙烯基醚、12%马来酸酐、2%丙烯酸、6%二丙烯酸乙二醇酯、53%去离子水；
（2）将减水组分、保坍组分加入去离子水中，搅拌均匀后备用；
（3）加入葡萄糖酸钠，搅拌混合，再加入氢氧化钠调溶液调节PH值至7.0，然后加入经20KHz超声处理3小时的氧化石墨烯，搅拌混合，最后缓慢加入稳定剂聚乙烯吡咯烷酮，搅拌均匀后制得石墨烯增强剂。
实施例4
氧化石墨烯混凝土，包括以下组分，各组分按重量份计：
水泥115份、粉煤灰50份、矿粉90份、石子940份、砂995份、水190份、石墨烯增强剂4.15份；
其中，石墨烯增强剂组分含量和制备与实施例3提供的石墨烯增强剂组分含量和制备方法相同；
其中，水泥为强度等级42.5的普通硅酸盐水泥；石的颗粒粒径为5～31.5mm；砂的细度模数为3.0～2.3。
实施例5
氧化石墨烯混凝土，包括以下组分，各组分按重量份计：
水泥210份、粉煤灰30份、矿粉60份、石子870份、砂1040份、水190份、石墨烯增强剂5.9份；
其中，石墨烯增强剂组分含量和制备与实施例3提供的石墨烯增强剂组分含量和制备方法相同；
其中，水泥为强度等级42.5的普通硅酸盐水泥；石的颗粒粒径为5～31.5mm；砂的细度模数为3.0～2.3。
实施例6
氧化石墨烯混凝土，包括以下组分，各组分按重量份计：
水泥210份、粉煤灰30份、矿粉60份、石子1020份、砂905份、水175份、石墨烯增强剂6.05份；
其中，石墨烯增强剂组分含量和制备与实施例3提供的石墨烯增强剂组分含量和制备方法相同；
其中，水泥为强度等级42.5的普通硅酸盐水泥；石的颗粒粒径为5～31.5mm；砂的细度模数为3.0～2.3。
实施例7
氧化石墨烯混凝土，包括以下组分，各组分按重量份计：
水泥230份、粉煤灰30份、矿粉65份、石子1030份、砂880份、水170份、石墨烯增强剂6.5份；
其中，石墨烯增强剂组分含量和制备与实施例3提供的石墨烯增强剂组分含量和制备方法相同；
其中，水泥为强度等级42.5的普通硅酸盐水泥；石的颗粒粒径为5～31.5mm；砂的细度模数为3.0～2.3。
实施例8
氧化石墨烯混凝土，包括以下组分，各组分按重量份计：
水泥260份、粉煤灰40份、矿粉70份、石子1050份、砂835份、水170份、石墨烯增强剂7.7份；
其中，石墨烯增强剂组分含量和制备与实施例3提供的石墨烯增强剂组分含量和制备方法相同；
其中，水泥为强度等级42.5的普通硅酸盐水泥；石的颗粒粒径为5～31.5mm；砂的细度模数为3.0～2.3。
实施例9
氧化石墨烯混凝土，包括以下组分，各组分按重量份计：
水泥295份、粉煤灰40份、矿粉60份、石子1050份、砂820份、水165份、石墨烯增强剂8.25份；
其中，石墨烯增强剂组分含量和制备与实施例3提供的石墨烯增强剂组分含量和制备方法相同；
其中，水泥为强度等级42.5的普通硅酸盐水泥；石的颗粒粒径为5～31.5mm；砂的细度模数为3.0～2.3。
实施例10
氧化石墨烯混凝土，包括以下组分，各组分按重量份计：
水泥315份、粉煤灰40份、矿粉65份、石子1055份、砂790份、水165份、石墨烯增强剂8.5份；
其中，石墨烯增强剂组分含量和制备与实施例3提供的石墨烯增强剂组分含量和制备方法相同；
其中，水泥为强度等级42.5的普通硅酸盐水泥；石的颗粒粒径为5～31.5mm；砂的细度模数为3.0～2.3。
实施例11
氧化石墨烯混凝土，包括以下组分，各组分按重量份计：
水泥340份、粉煤灰45份、矿粉70份、石子1060份、砂760份、水165份、石墨烯增强剂10.05份；
其中，石墨烯增强剂组分含量和制备与实施例3提供的石墨烯增强剂组分含量和制备方法相同；
其中，水泥为强度等级42.5的普通硅酸盐水泥；石的颗粒粒径为5～31.5mm；砂的细度模数为3.0～2.3。
实施例12
氧化石墨烯混凝土，包括以下组分，各组分按重量份计：
水泥385份、粉煤灰45份、矿粉50份、石子1065份、砂755份、水160份、石墨烯增强剂10.8份；
其中，石墨烯增强剂组分含量和制备与实施例3提供的石墨烯增强剂组分含量和制备方法相同；
其中，水泥为强度等级42.5的普通硅酸盐水泥；石的颗粒粒径为5～31.5mm；砂的细度模数为3.0～2.3。
实施例13
氧化石墨烯混凝土，包括以下组分，各组分按重量份计：
水泥415份、粉煤灰40份、矿粉50份、石子1070份、砂720份、水155份、石墨烯增强剂11.7份；
其中，石墨烯增强剂组分含量和制备与实施例3提供的石墨烯增强剂组分含量和制备方法相同；
其中，水泥为强度等级42.5的普通硅酸盐水泥；石的颗粒粒径为5～31.5mm；砂的细度模数为3.0～2.3。
下面对实施例4至实施例13提供的氧化石墨烯混凝土进行性能测试，并与不加石墨烯增强剂的混凝土比例进行比较，结果见表1。
表1混凝土性能对比表

Claims (5)

1.一种氧化石墨烯混凝土，其特征在于包括以下组分，各组分按重量份计：
水泥115～415份
粉煤灰30～50份
矿粉50～90份
石子940～1070份
砂720～1040份
水155～190份
石墨烯增强剂4.15～11.70份
其中，所述石墨烯增强剂的组分以重量百分比计包括：10～14%减水组分、12～18%保坍组分、3.2～3.6%葡萄糖酸钠、8～12%氧化石墨烯、0.4～0.6%稳定剂、51～66%去离子水；
其中，所述减水组分以重量百分比计包括：30～35%甲基烯基聚氧乙烯醚、3～4%丙烯酸、61～67%去离子水；
其中，所述保坍组分以重量百分比计包括：25～30%烯丙基聚氧乙烯基醚、10～15%马来酸酐、1%～3%丙烯酸、5～8%二丙烯酸乙二醇酯、44～59%去离子水；
其中，所述稳定剂为聚乙烯吡咯烷酮。
2.根据权利要求1所述的氧化石墨烯混凝土，其特征在于：按重量份计，所述水泥为315份、所述粉煤灰为40份、所述矿粉为65份、所述石子为1055份、所述砂为790份、所述水为165份、所述石墨烯增强剂为8.5份。
3.根据权利要求1所述的氧化石墨烯混凝土，其特征在于所述石墨烯增强剂的组分以重量百分比计包括：12%减水组分、16%保坍组分、3.4%葡萄糖酸钠、10%氧化石墨烯、0.5%稳定剂、58.1%去离子水。
4.根据权利要求1所述的氧化石墨烯混凝土，其特征在于所述减水组分以重量百分比计包括：33%甲基烯基聚氧乙烯醚、3.5%丙烯酸、63.5%去离子水。
5.根据权利要求1所述的氧化石墨烯混凝土，其特征在于所述保坍组分以重量百分比计包括：27%烯丙基聚氧乙烯基醚、12%马来酸酐、2%丙烯酸、6%二丙烯酸乙二醇酯、53%去离子水。
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