CN112142410A - 一种高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及混凝土技术领域，尤其涉及一种高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土及其制备方法。本发明采用大片径和多层的氧化石墨烯，使得其在混凝土内部中起到桥接作用，能够填补内部孔隙、连接微裂缝，并加速水泥水化晶体的形成，改善了混凝土内部的微观结构。本发明的多层氧化石墨烯混凝土经试验测试，其力学性能和抗渗性能有较大提高，28天与普通混凝土相比，抗压和抗折强度分别提高了17％和32％，抗渗性能提高了44.8％，显著的提高了性能，改善了传统混凝土的局限性。而且本发明所用的多层氧化石墨烯为多层、大片径的，制作相对其他纳米材料更加简单经济，大大提升了其经济实用性，降低了成本。

Description

一种高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，尤其涉及一种高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土及其制备方法。
背景技术
水泥作为当今使用最广泛的建筑材料之一，广泛应用于房建和桥梁等工程中。但是由于水泥基材料的抗弯强度低、抗裂性能差等缺点限制了其发展。为了克服其缺点，一些学者在其中掺入聚丙烯纤维和钢纤维等材料，但是掺入钢纤维等材料没有改善水泥基材料的微观结构，也未能抑制水泥中微裂纹的发展。近年来出现的如碳纳米管、碳纤维和石墨烯等纳米材料因其超高的强度和可拉伸性备受关注，被广泛研究应用于改善复合材料的各项性能。因此，众多学者开始研究通过掺和纳米材料来改善水泥基材料微观尺度上的几何结构，来提高其机械性能、耐久性和抗渗性等特性。
氧化石墨烯是当前一种新型的二维碳纳米材料，具有极强的力学性能，多层氧化石墨烯抗拉强度可达130MPa，可以改善水泥基材料的强度。但现有水泥基材料采用的氧化石墨烯的厚度较薄、片径较小，导致水泥材料的成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土及其制备方法，制备的混凝土不但具有高强度和高抗渗性能，而且成本低廉。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土，包括以下重量份的制备原料：基准水泥350～400份、级配砂650～700份、石子1000～1400份、水180～220份、多层氧化石墨烯0.01～0.4份；所述多层氧化石墨烯的纯度≥95％，片径为10～50μm，厚度为3.4～7.0nm，层数为5～10层。
优选的，所述制备原料包括：基准水泥387份、级配砂685份、石子1115份、水205份、多层氧化石墨烯0.193份。
优选的，所述基准水泥为强度为42.5的基准水泥。
优选的，所述级配砂的细度模数为2.6～2.9，含泥质量小于5％。
优选的，所述石子为二级级配的石子，粒径为5mm～10mm的石子占石子总体积的40％，粒径为10mm～20mm的石子占石子总体积的60％。
本发明提供了上述方案所述高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将多层氧化石墨烯分散到第一部分水中，得到多层氧化石墨烯分散液；
将基准水泥、级配砂、石子和第二部分水进行预拌，得到预拌混合料；
将所述多层氧化石墨烯分散液和剩余的水加入到预拌混合料中进行搅拌，得到浆料；
将所述浆料装入试模中，振实后，将试模上表面浆体抹去，使试件上表面平整，在试件成型后拆模，进行标准养护，得到高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土。
优选的，所述第一部分水占水总量的10％，第二部分水占水总量的40％。
优选的，所述标准养护在标准养护室中进行，所述标准养护的温度为18～22℃，湿度≥95％，时间为28天。
优选的，所述试件成型的条件包括：放置在温度20℃，湿度20％的恒温室内养护24小时。
优选的，所述分散依次在搅拌和超声条件下进行。
本发明提供了一种高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土，包括以下重量份的制备原料：基准水泥350～400份、级配砂650～700份、石子1000～1400份、水180～220份、多层氧化石墨烯0.01～0.4份；所述多层氧化石墨烯的纯度≥95％，片径为10～50μm，厚度为3.4～7.0nm，层数为5～10层。
本发明采用大片径和多层的氧化石墨烯，使得其在混凝土内部中起到桥接作用，能够填补内部孔隙、连接微裂缝，并加速水泥水化晶体的形成，改善了混凝土内部的微观结构。本发明的多层氧化石墨烯混凝土经试验测试，其力学性能和抗渗性能有较大提高，28天与普通混凝土相比，抗压和抗折强度分别提高了17％和32％，抗渗性能提高了44.8％，显著的提高了性能，改善了传统混凝土的局限性。
而且本发明所用的多层氧化石墨烯为多层、大片径的，制作相对其他纳米材料更加简单经济，大大提升了其经济实用性，降低了成本。
附图说明
图1是本发明所用多层氧化石墨烯的TEM电镜图；
图2是混凝土性能随多层氧化石墨烯掺量增加的变化三维图；
图3是本发明对比例与实施例塌落度变化曲线图；
图4是本发明对比例与实施例28天混凝土试件的抗渗性能变化曲线图；
图5是本发明对比例与实施例28天混凝土试件的抗压强度变化曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土，包括以下重量份的制备原料：基准水泥350～400份、级配砂650～700份、石子1000～1400份、水180～220份、多层氧化石墨烯0.01～0.4份；所述多层氧化石墨烯的纯度≥95％，片径为10～50μm，厚度为3.4～7.0nm，层数为5～10层。
在本发明中，未经特殊说明，所用原料均为本领域熟知的市售商品。
以重量份数计，本发明提供的高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土的制备原料包括基准水泥350～400份，优选为360～390份，更优选为387份。在本发明中，所述基准水泥优选为强度为42.5的基准水泥。
以所述基准水泥的重量份数为基准，本发明提供的高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土的制备原料包括级配砂650～700份，优选为660～690份，更优选为685份。在本发明中，所述级配砂的细度模数优选为2.6～2.9，更优选为2.7～2.8，含泥质量优选小于5％。本发明采用级配砂可以降低混凝土的孔隙率。
以所述基准水泥的重量份数为基准，本发明提供的高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土的制备原料包括石子1000～1400份，优选为1100～1300份，更优选为1115份。在本发明中，所述石子优选为二级级配的石子，粒径为5mm～10mm的石子占石子总体积的40％，粒径为10mm～20mm的石子占石子总体积的60％。在本发明中，所述二级级配优选为连续级配。本发明采用上述级配的石子可以降低混凝土的孔隙率。
以所述基准水泥的重量份数为基准，本发明提供的高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土的制备原料包括水180～220份，优选为190～210份，更优选为205份。
以所述基准水泥的重量份数为基准，本发明提供的高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土的制备原料包括多层氧化石墨烯0.01～0.4份，优选为0.1～0.3份，更优选为0.193份。在本发明中，所述多层氧化石墨烯的纯度≥95％，片径为10～50μm，优选为20～40μm，更优选为25～35μm；厚度为3.4～7.0nm，优选为4.0～6.0nm，更优选为4.5～5.5nm；层数为5～10层，优选为6～9层。
本发明采用大片径和多层的氧化石墨烯，使得其在混凝土内部中起到桥接作用，能够填补内部孔隙、连接微裂缝，并加速水泥水化晶体的形成，改善了混凝土内部的微观结构，进而使得混凝土具有良好的力学性能和高抗渗性能。
本发明提供了上述方案所述高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将多层氧化石墨烯分散到第一部分水中，得到多层氧化石墨烯分散液；
将基准水泥、级配砂、石子和第二部分水进行预拌，得到预拌混合料；
将所述多层氧化石墨烯分散液和剩余的水加入到预拌混合料中进行搅拌，得到浆料；
将所述浆料装入试模中，振实后，将试模上表面浆体抹去，使试件上表面平整，在试件成型后拆模，进行标准养护，得到高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土。
本发明将多层氧化石墨烯分散到第一部分水中，得到多层氧化石墨烯分散液。
在本发明中，所述分散包括依次进行的搅拌和超声。本发明对所述搅拌的条件没有特殊要求，能够搅拌至水面没有悬浮的多层氧化石墨烯即可。在本发明中，所述超声的时间为20～30min，本发明对所述超声的功率没有特殊要求，采用本领域熟知的超声功率即可。在本发明中，所述第一部分水优选占水总量的10％。
本发明将基准水泥、级配砂、石子和第二部分水进行预拌，得到预拌混合料。
在本发明中，所述预拌的转速优选为35r/min，时间优选为60～80s。在本发明中，所述预拌优选在混凝土搅拌机中进行。
在本发明中，所述第二部分水优选占水总量的40％。
得到多层氧化石墨烯分散液和预拌混合料后，本发明将所述多层氧化石墨烯分散液和剩余的水加入到预拌混合料中进行搅拌，得到浆料。
在本发明中，所述搅拌的转速优选为35r/min，时间优选为100～120s。
本发明先将多层氧化石墨烯分散于水中，再将均匀分布、良好结合的多层氧化石墨烯分散液作为添加剂加入到混凝土中，以此获得分散均匀的多层氧化石墨烯混凝土。
得到浆料后，本发明将所述浆料装入试模中，振实后，将试模上表面浆体抹去，使试件上表面平整，在试件成型后拆模，进行标准养护，得到高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土。
在本发明中，所述试模优选为涂油的试模，以方便拆模。在本发明中，所述振实优选在振动台上进行。
在本发明中，所述试件成型的条件优选包括：放置在温度20℃，湿度20％的恒温室内养护24小时。
本发明对所述拆模的过程没有特殊要求，采用本领域熟知的拆模过程即可。
在本发明中，所述标准养护优选在标准养护室中进行，所述标准氧化的温度优选为18～22℃，更优选为20℃；湿度优选≥95％；时间优选为28天。
下面结合实施例对本发明提供的高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
多层氧化石墨烯的纯度≥95％，片径为10～50μm，厚度为3.4～7.0nm，层数为5～10层；图1是多层氧化石墨烯的TEM电镜图，从图1中可以看出它是多层、大片径的；基准水泥为强度为42.5的基准水泥，级配砂的细度模数为2.7；石子为二级级配的石子，粒径为5mm～10mm的石子占石子总体积的40％，粒径为10mm～20mm的石子占石子总体积的60％；
取0.038份多层氧化石墨烯缓慢加入到20.5份水中混合，并磁力搅拌至水面没有悬浮的多层氧化石墨烯，再将初步搅拌好的分散体溶液放在超声波仪器中，进行30min超声波分散，制得多层氧化石墨烯分散液待用；然后依次将387份基准水泥、685份级配砂、1115份的石子和82份水放入混凝土搅拌机进行预拌，均匀搅拌80s，得到预拌混合料；再加入上述制得的多层氧化石墨烯分散液和102.5份水，转速不变，均匀搅拌120s，出料，即得到浆料；将所述浆料浇筑到涂油试模中，放在振动台上振动40s，然后放置在温度20℃，湿度20％的恒温室内养护24小时完成成型，拆模后放置在温度为20±2℃，湿度≥95％的标准养护室内进行标准养护28天。
实施例2
多层氧化石墨烯的纯度≥95％，片径为10～50μm，厚度为3.4～7.0nm，层数为5～10层；基准水泥为强度为42.5的基准水泥，级配砂的细度模数为2.7；石子为二级级配的石子，粒径为5mm～10mm的石子占石子总体积的40％，粒径为10mm～20mm的石子占石子总体积的60％；
取0.193份多层氧化石墨烯缓慢加入到20.5份水中混合，并磁力搅拌至水面没有悬浮的多层氧化石墨烯，再将初步搅拌好的分散体溶液放在超声波仪器中，进行30min超声波分散，制得多层氧化石墨烯分散液待用；然后依次将387份基准水泥、685份级配砂、1115份的石子和82份水放入混凝土搅拌机进行预拌，均匀搅拌80s，得到预拌混合料；再加入上述制得的多层氧化石墨烯分散液和102.5份水，转速不变，均匀搅拌120s，出料，即得到浆料；将所述浆料浇筑到涂油试模中，放在振动台上振动40s，然后放置在温度20℃，湿度20％的恒温室内养护24小时完成成型，拆模后放置在温度为20±2℃，湿度≥95％的标准养护室内进行标准养护28天。
实施例3
多层氧化石墨烯的纯度≥95％，片径为10～50μm，厚度为3.4～7.0nm，层数为5～10层；基准水泥为强度为42.5的基准水泥，级配砂的细度模数为2.7；石子为二级级配的石子，粒径为5mm～10mm的石子占石子总体积的40％，粒径为10mm～20mm的石子占石子总体积的60％；
取0.387份多层氧化石墨烯缓慢加入到20.5份水中混合，并磁力搅拌至水面没有悬浮的多层氧化石墨烯，再将初步搅拌好的分散体溶液放在超声波仪器中，进行30min超声波分散，制得多层氧化石墨烯分散液待用；然后依次将387份基准水泥、685份级配砂、1115份的石子和82份水放入混凝土搅拌机进行预拌，均匀搅拌80s，得到预拌混合料；再加入上述制得的多层氧化石墨烯分散液和102.5份水，转速不变，均匀搅拌120s，出料，即得到浆料；将所述浆料浇筑到涂油试模中，放在振动台上振动40s，然后放置在温度20℃，湿度20％的恒温室内养护24小时完成成型，拆模后放置在温度为20±2℃，湿度≥95％的标准养护室内进行标准养护28天。
对比例1
未添加多层氧化石墨烯，具体步骤如下：
依次将387份基准水泥、685份级配砂、1115份的石子和100份水放入搅拌机，均匀搅拌80s，得到预拌混合料；然后加入105份水，转速不变，均匀搅拌120s，出料，即得到普通混凝土浆料；将所述普通混凝土浆料浇筑到模具中，放在振动台上振动40s，然后放置在温度20℃，湿度20％的恒温室内养护24小时完成成型，拆模后放置在温度为20±2℃，湿度≥95％的标准养护室内进行标准养护28天。
对实施例1～3及对比例1制备的混凝土进行性能测试，其中，抗压、抗折强度的测试方法参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081-2019的相关规定；抗渗性能的测试方法如下：1.将干燥的抗渗试件装备在混凝土抗渗仪上；2.抗渗仪的水压力按每8小时升0.1Mpa的规律，从0.1MPa逐渐升至0.6MPa；48小时后将试件取出并凿开，记录混凝土的渗水高度，作为混凝土抗渗性的评定标准。具体的测试结果见图2～5以及表1。
表1实施例及对比例混凝土的性能
塌落度(mm) 渗水高度(mm) 抗压强度(MPa) 抗折强度(MPa)
对比例1 108.1 108.1 40.7 5.1
实施例1 78.9 78.9 44.5 5.3
实施例2 68.5 68.5 49 7.5
实施例3 59.6 59.6 46 6
从表1可以看出，本发明制备的多层氧化石墨烯混凝土的力学性能明显优于普通水泥砂浆，其平均抗压强度比普通水泥砂浆增强了17％，平均抗折强度增强了32％，抗渗性能提升了44.8％。由图2～5可以看出，多层氧化石墨烯0.193份的掺量是基准水泥387份、级配砂685份、石子1115份和水205份情况下的最优选择。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土，其特征在于，包括以下重量份的制备原料：基准水泥350～400份、级配砂650～700份、石子1000～1400份、水180～220份、多层氧化石墨烯0.01～0.4份；所述多层氧化石墨烯的纯度≥95％，片径为10～50μm，厚度为3.4～7.0nm，层数为5～10层。
2.根据权利要求1所述的高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土，其特征在于，所述制备原料包括：基准水泥387份、级配砂685份、石子1115份、水205份、多层氧化石墨烯0.193份。
3.根据权利要求1或2所述的高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土，其特征在于，所述基准水泥为强度为42.5的基准水泥。
4.根据权利要求1或2所述的高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土，其特征在于，所述级配砂的细度模数为2.6～2.9，含泥质量小于5％。
5.根据权利要求1所述的高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土，其特征在于，所述石子为二级级配的石子，粒径为5mm～10mm的石子占石子总体积的40％，粒径为10mm～20mm的石子占石子总体积的60％。
6.权利要求1～5任一项所述高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将多层氧化石墨烯分散到第一部分水中，得到多层氧化石墨烯分散液；
将基准水泥、级配砂、石子和第二部分水进行预拌，得到预拌混合料；
将所述多层氧化石墨烯分散液和剩余的水加入到预拌混合料中进行搅拌，得到浆料；
将所述浆料装入试模中，振实后，将试模上表面浆体抹去，使试件上表面平整，在试件成型后拆模，进行标准养护，得到高强高抗渗多层氧化石墨烯混凝土。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一部分水占水总量的10％，第二部分水占水总量的40％。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述标准养护在标准养护室中进行，所述标准养护的温度为18～22℃，湿度≥95％，时间为28天。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述试件成型的条件包括：放置在温度20℃，湿度20％的恒温室内养护24小时。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述分散依次在搅拌和超声条件下进行。
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