CN114907076A - 一种用纳米颗粒协同提高混凝土动力特性、吸波性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用纳米颗粒协同提高混凝土动力特性、吸波性能的方法，涉及混凝土加工技术领域，包括如下步骤：(1)制备纳米颗粒分散液；(2)制备混合灰；(3)制备灰浆；(4)制备纳米混凝土；(5)成型。本发明充分利用纳米颗粒物理、化学、磁学等各方面优异性能，实现混凝土静态、动态力学性能和吸波性能的协同改进，推动了混凝土材料向高性能和多功能方向发展。采用多元复合优化的方式，将优势互补的两种或多种纳米颗粒适量共同掺入混凝土中，可使纳米颗粒获得宽频带强吸波特性，在全频段范围(2GHz～18GHz)的雷达反射率均可低于‑8dB。
Description
技术领域
本发明属于混凝土加工技术领域，具体涉及一种用纳米颗粒协同提高混凝土动力特性、吸波性能的方法。
背景技术
混凝土是建筑材料中最重要的基础原材料，对国民经济和社会发展有着重要的战略保障作用，广泛应用于民用建筑和军事工程领域。在未来相当长的时期内，混凝土仍将是人类社会不可替代的主要建筑材料。
在民用建筑中，一方面，水泥基材料在其使用过程中既要承受正常的设计荷载，又要承受不同种类快速变化的冲击和碰撞等动荷载。如高层建筑、桥梁结构偶尔承受风荷载，机场跑道承受飞机起飞、降落时的冲击荷载，核电厂安全壳可能承受撞击作用以及***影响，几乎所有建筑结构将有可能遭遇地震荷载。因此，为满足民用建筑抗飓风、抗强震和抗***性能要求，需对混凝土材料的动力特性进一步提升。另一方面，随着现代高新技术的发展，电脑、手机、通信电缆和基站等带来的电磁辐射已经成为一种新的社会公害。电磁辐射造成的“电磁污染”被列为继大气污染、水源污染、噪声污染之后的第四大环境污染，电磁波的安全防护与有效吸收问题也越来越受到人们的广泛关注和极大重视。采用电磁屏蔽混凝土材料是解决民用建筑电磁辐射危害的有效途径之一。在军事工程中，首先，军事工程在敌方雷达探测中极易被发现。其次，军事工程在敌方高精度、大当量杀伤武器打击作用下极易被摧毁。建筑材料是影响工程设施抵抗冲击荷载和电磁辐射的关键因素，混凝土材料需要进行不断的改进，以适应日益苛刻的民用和军事需求，因此对混凝土材料的动力特性和吸波性能进行提高是非常有必要的。
CN202010937305.0公开了一种应用多尺度纤维结构体提升混凝土动力特性的方法，将纳米层次的碳纳米管接枝到微观层次碳纤维表面后，形成了一种多层次多尺度的纤维增强体，在混凝土基体中能够较好地与混凝土粘结，从而减少混凝土裂缝的发展，提高混凝土强度，制得的混凝土动力强度得到明显提升。然而采用多尺度纤维结构体仅能够提高混凝土的动力特性。
CN201510291886.4公开了一种电磁吸波混凝土及其制备方法，所述的电磁吸波混凝土以吸波功能陶粒和吸波水泥浆为原料，采用吸波功能陶粒为集料，并在吸波水泥浆中掺加吸波剂，两者共同发挥电磁吸波功能，具有良好的电磁吸波效能。但其吸波有效作用频段为8～18GHz，在2～8GHz频段上的吸波性能不佳。
另外，随着纳米科技的不断发展成熟，纳米材料迅猛发展，现在广泛应用于化工、材料、航空航天、医药等领域，取得很大成就。纳米材料拥有宏观物质所不具有的特殊效应：小尺寸效应、表面和界面效应、量子效应、宏观量子隧道效应，还拥有一系列的如电磁、光化学等方面的独特性能，进而呈现出很多令人惊奇的性质。因此，将诸多优异特性的纳米材料作为分散增强相复合到混凝土中制备纳米混凝土，从而协同提高混凝土材料的动力特性和吸波性能，促使混凝土材料向高性能和多功能方向发展，这是现今很具有发展前景的一个方向。
发明内容
本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种用纳米颗粒协同提高混凝土动力特性、吸波性能的方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用纳米颗粒协同提高混凝土动力特性、吸波性能的方法，包括如下步骤：
(1)制备纳米颗粒分散液：
将减水剂和3/4水搅拌成溶液，然后在溶液中加入纳米颗粒，高速搅拌3min后进行超声波分散15min，制成纳米颗粒分散液备用；
(2)制备混合灰：
将粉煤灰和1/2的水泥一起搅拌成均匀混合灰；
(3)制备灰浆：
向混合灰中添加纳米颗粒分散液搅拌30s制成灰浆；
(4)制备纳米混凝土：
将砂、碎石依次加入灰浆中搅拌30s，将剩余1/4的水和1/2的水泥加入搅拌120s，拌成均匀的拌合物，即新拌混凝土；
(5)成型：
成型、振捣、养护即得纳米混凝土。
进一步地，步骤(1)中所述的减水剂为陕西中易化工公司生产的40％含固量的聚羧酸高性能减水剂母液，作为混凝土减水剂和纳米颗粒分散剂使用，主要性能指标为：减水率≥25％，泌水率比≤60％，含气量≤6.0％，凝结时间之差为-210min，7d的抗压强度比≥150，28d的抗压强度比≥140，收缩率比≤110％，外观为褐色透明液体。
进一步地，步骤(1)中所述的纳米颗粒为杭州万景公司生产的纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米氧化铁中的一种。
进一步地，所述的纳米氧化铁的主要性能为：型号VK-E01，砖红色粉末，含量≥99.8％，比表面积80～90m2/g，直径50nm，α晶型，含水量≤0.1％；纳米氧化铝的主要性能为：型号VK-L20Y，白色粉末，含量≥99.99％，比表面积150～200m2/g，直径10～20nm，γ晶型，含水量≤0.01％；纳米二氧化硅的主要性能为：型号VK-SP15，白色絮状粉末，含量≥99.8％，比表面积250±30m2/g，直径10～20nm，α晶型，含水量≤0.1％；
进一步地，步骤(2)中所述的粉煤灰为Ⅰ级(F类)低钙粉煤灰，产自陕西韩城电厂。
进一步地，步骤(2)中所述的水泥为陕西秦岭牌PC32.5R水泥，主要性能为：比表面积为486m2/kg，标准稠度为26.2％，初凝时间为129min，终凝时间为209min，安定性为合格，3d的抗折强度为4.3MPa，抗压强度为19MPa。
进一步地，步骤(4)中所述的碎石容重为2750kg/m3的石灰岩碎石，粒径5～10mm占15％，粒径10～20mm占85％。
进一步地，步骤(4)中所述的砂容重为2730kg/m3、细度模数为2.68、堆积密度为1450kg/m3、含泥量1.0％的灞河中砂。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、本发明所述混凝土同时具备良好的动力特性和吸波性能，动态抗压强度可提高41.52％，冲击韧性可增大54.38％，在全频段范围(2GHz～18GHz)的雷达反射率均可低于-8dB。
2、本发明充分利用纳米颗粒物理、化学、磁学等各方面优异性能，实现混凝土静态、动态力学性能和吸波性能的协同改进，推动了混凝土材料向高性能和多功能方向发展。
(1)纳米颗粒的物理填充作用，减少了混凝土中的初始缺陷和有害孔。
(2)纳米颗粒的物理尺寸效应，为水泥水化产物结晶提供晶核，使结晶体更加均匀致密。
(3)纳米颗粒的化学活性，可与水泥水泥产物发生反应生成高强度产物，从而减少并细化有害晶体的生成。
(4)纳米颗粒的优异磁学性质，可提高混凝土的介电常数和磁导率，增强混凝土对电磁波的介电损耗和磁损耗。
通过纳米颗粒的优点(1)、(2)、(3)，可以增强混凝土的静态力学性能和动力特性。通过纳米颗粒的优点(4)，可以增强混凝土的吸波性能。
3、本发明采用多元复合优化的方式，将优势互补的两种或多种纳米颗粒适量共同掺入混凝土中，可使纳米颗粒获得宽频带强吸波特性，在全频段范围(2GHz～18GHz)的雷达反射率均可低于-8dB。
附图说明
图1为本申请纳米混凝土的制备流程图；
图2为本申请纳米混凝土的动态抗压强度对比图；
图3为本申请不同纳米混凝土的吸波性能对比图；
图4为本申请不同纳米颗粒掺量的纳米混凝土的吸波性能对比图。
具体实施方式
实施例1：
一种用纳米颗粒协同提高混凝土动力特性、吸波性能的方法，包括如下步骤：
(1)制备纳米颗粒分散液：
将减水剂和3/4水搅拌成溶液，然后在溶液中加入纳米颗粒，高速搅拌3min后进行超声波分散15min，制成纳米颗粒分散液备用；
(2)制备混合灰：
将粉煤灰和1/2的水泥一起搅拌成均匀混合灰；
(3)制备灰浆：
向混合灰中添加纳米颗粒分散液搅拌30s制成灰浆；
(4)制备纳米混凝土：
将砂、碎石依次加入灰浆中搅拌30s，将剩余1/4的水和1/2的水泥加入搅拌120s，拌成均匀的拌合物，即新拌混凝土；
(5)成型：
成型、振捣、养护即得纳米混凝土。
各原材料的参数如下：
水泥：陕西秦岭牌PC32.5R水泥，主要性能见下表1。
表1水泥的性能参数
粉煤灰：Ⅰ级(F类)低钙粉煤灰，产自陕西韩城电厂。
碎石：容重为2750kg/m3的石灰岩碎石(粒径5～10mm占15％；粒径10～20mm占85％)。
砂：容重为2730kg/m3、细度模数为2.68、堆积密度为1450kg/m3、含泥量1.0％的灞河中砂。
减水剂：陕西中易化工公司生产的40％含固量的聚羧酸高性能减水剂母液，作为混凝土减水剂和纳米颗粒分散剂使用，主要性能指标见下表2。
表2减水剂的性能参数表
水：自来水。
纳米颗粒：掺加2.0wt％纳米SiO2(纳米SiO2的质量占水泥和粉煤灰总质量的2.0％)的混凝土，是无机纳米材料改性混凝土。
实施例2：
不掺加纳米颗粒的普通混凝土。
其制备方法以及原料参数均与实施例1相同。
实施例3：
掺加2.0wt％纳米Al2O3的混凝土，是纳米金属氧化物改性混凝土。
其制备方法以及原料参数均与实施例1相同。
实施例4：
2.0wt％纳米Fe2O3的混凝土，是纳米金属氧化物改性混凝土。
其制备方法以及原料参数均与实施例1相同。
实施例5：
掺加2.0wt％纳米SiO2和2.0wt％纳米Fe2O3的混凝土，是无机纳米材料和纳米金属氧化物复合改性混凝土。
其制备方法以及原料参数均与实施例1相同。
上述实施例中的纳米颗粒为：杭州万景公司生产的纳米SiO2、纳米Al2O3、纳米Fe2O3中的一种，主要性能指标见下表3。
其中纳米Al2O3、纳米Fe2O3为纳米金属氧化物，纳米SiO2为无机纳米材料。
表3纳米颗粒的种类及对应的参数
上述各实施例的原料配合比如下表4所示：
表4纳米混凝土配合比(单位：kg/m3)
注：PC表示不掺加纳米颗粒的普通混凝土；
NS表示掺加2.0wt％纳米SiO2(纳米SiO2的质量占水泥和粉煤灰总质量的2.0％；下同)的混凝土，是无机纳米材料改性混凝土。
NA表示掺加2.0wt％纳米Al2O3的混凝土，是纳米金属氧化物改性混凝土。
NF表示掺加2.0wt％纳米Fe2O3的混凝土，是纳米金属氧化物改性混凝土。
NSF表示掺加2.0wt％纳米SiO2和2.0wt％纳米Fe2O3的混凝土，是无机纳米材料和纳米金属氧化物复合改性混凝土。
为了对比本申请技术效果，分别用上述实施例1～5的方法对应制备混凝土，然后进行性能测试。
(1)静态力学性能
纳米混凝土的静态力学性能如下表5：
表5纳米混凝土的静态力学性能
从上表5中可以看出，(1)掺加纳米颗粒后，可以提高混凝土的静态力学性能。(2)掺加纳米Al2O3后，混凝土的抗压强度达到49.4MPa，抗折强度达到4.9MPa，分别较普通混凝土提高了46.15％、36.11％。(3)掺加纳米Fe2O3后，混凝土的抗压强度达到42.4MPa，抗折强度达到5.2MPa，分别较普通混凝土提高了25.44％、44.44％。
纳米颗粒改善普通混凝土静态力学性能主要有一下三个方面的原因：(1)稳定纳米颗粒的填充作用，减少了基体与骨料界面间的初始缺陷和有害孔。
(2)纳米颗粒均匀分散在基体中，极小的尺寸使它容易作为水泥水化产物结晶核，使结晶体更加均匀致密，同时阻止了诸如Ca(OH)2等物质在水泥基体中产生有害结晶体。(3)另外具有活性的一部分颗粒参与结晶反应，不同产物对混凝土强度的提高具有不同的作用。
纳米颗粒对混凝土静态力学性能的提高效果不同主要有一下三方面的原因：(1)纳米颗粒具有不同反应活性，在混凝土中存在不同水平的最佳掺量。(2)纳米颗粒粒径不同，对有害缺陷的填充作用不同，表面能的差异也使纳米颗粒对晶体成核的效果产生影响。(3)在反应产物方面，纳米颗粒显然也有各自特点。
(2)动力特性
A、动态抗压强度
动态抗压强度可以认为是混凝土冲击荷载下发生破坏时的极限强度，是表示混凝土抗冲击承载能力的重要参数。
纳米混凝土的动态抗压强度如图2所示：
从图2中可以看出，相同应变率水平下，掺加纳米颗粒后，混凝土的动态抗压强度均有所增大，其中纳米Al2O3对混凝土动态抗压强度的提高效果最为明显。
选取应变率在110～116s-1之间时，各组纳米混凝土的动态抗压强度如下表所示6：
表6应变率在110～116s-1之间时各组纳米混凝土的动态抗压强度
| 试件编号 | 应变率/s<sup>-1</sup> | 动态抗压强度/MPa |
| PC | 115.40 | 44.63 |
| NS | 110.79 | 46.87 |
| NA | 114.26 | 63.16 |
| NF | 110.69 | 52.95 |
| NSF | 112.97 | 54.98 |
从表6中可以看出，普通混凝土在此应变率范围内，其动态抗压强度为44.63MPa，而掺加纳米颗粒后，混凝土的动态抗压强度均增大。掺加纳米Al2O3后，混凝土的动态抗压强度增大了41.52％。掺加纳米Fe2O3后，混凝土的动态抗压强度增大了18.64％。同时掺加纳米SiO2和纳米Fe2O3后，混凝土的动态抗压强度增大了23.19％。
B、冲击韧性
冲击韧性是混凝土受到冲击载荷吸收能量的能力，是表征混凝土抗冲击能力的重要指标。冲击韧性评价指标可用比能量吸收来衡量，比能量吸收表示单位体积混凝土试样受到冲击载荷过程吸收的能量。
选取应变率在110～116s-1之间时，各组纳米混凝土的动态抗压强度如下表7所示：
表7取应变率在110～116s-1之间时各组纳米混凝土的动态抗压强度
从表7中可以看出，普通混凝土在此应变率范围内，其冲击韧性为252.1KJ，而掺加纳米颗粒后，混凝土的冲击韧性均增大。掺加纳米Al2O3后，混凝土的冲击韧性增大了54.38％，增幅最大。
由动态抗压强度指标和冲击韧性指标可知，掺加纳米颗粒可以提高混凝土的动力特性。
(6)吸波性能
A、不同纳米混凝土的吸波性能
纳米混凝土厚度为50mm时，其反射率如图3：
从图3中可以看出，(1)同时掺加纳米SiO2和纳米Fe2O3后，混凝土在全频段范围(2GHz～18GHz)雷达反射率均低于-8dB。(2)掺加纳米Fe2O3后，混凝土在低频率范围内反射率较小，在较高频率时，反射率较大。在2.56GHz频率附件出现最小值-13.56dB。(3)单独掺加纳米SiO2、纳米Al2O3后，混凝土在低频率范围内反射率稍大，在较高频率时，反射率较小。在全频段范围(2GHz～18GHz)雷达反射率均低于-5dB。
综上可知，无机纳米材料和纳米金属氧化物复合改性混凝土的吸波性能最佳。
单一纳米颗粒掺入混凝土中难以达到阻抗匹配和强吸收双重要求，采用多元材料复合，多种吸波材料互补的方式，将无机纳米材料和纳米金属氧化物复合掺入混凝土中，可以提高混凝土的电磁损耗能力，使混凝土在更宽频率范围达到较低反射率的目的。
B、不同纳米颗粒掺量的纳米混凝土的吸波性能
NF-2表示掺加2.0wt％纳米Fe2O3的混凝土；NF-5表示掺加5.0wt％纳米Fe2O3的混凝土。纳米混凝土厚度为50mm时，其反射率如图4：
从图4中可以看出，(1)不同纳米颗粒掺量下的纳米混凝土，雷达反射率曲线全频率范围内整体趋势保持一致。(2)在频率为2.56GHz时，纳米混凝土雷达反射率均达到最小值，纳米颗粒掺量为2.0％和5.0％时，纳米混凝土的雷达反射率分别为-13.6dB、-16.7dB。(3)在全频段范围(2GHz～18GHz)内，NF-5的雷达反射率均低于-6dB。在2GHz～14GHz频率范围内，NF-5的雷达反射率均低于-10dB。(4)通过适当增大纳米颗粒掺量，可以提高纳米混凝土的雷达反射率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种用纳米颗粒协同提高混凝土动力特性、吸波性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备纳米颗粒分散液：
将减水剂和3/4水搅拌成溶液，然后在溶液中加入纳米颗粒，高速搅拌3min后进行超声波分散15min，制成纳米颗粒分散液备用；
(2)制备混合灰：
将粉煤灰和1/2的水泥一起搅拌成均匀混合灰；
(3)制备灰浆：
向混合灰中添加纳米颗粒分散液搅拌30s制成灰浆；
(4)制备纳米混凝土：
将砂、碎石依次加入灰浆中搅拌30s，将剩余1/4的水和1/2的水泥加入搅拌120s，拌成均匀的拌合物，即新拌混凝土；
(5)成型：
成型、振捣、养护即得纳米混凝土。
2.根据权利要求1所述一种用纳米颗粒协同提高混凝土动力特性、吸波性能的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的减水剂为陕西中易化工公司生产的40％含固量的聚羧酸高性能减水剂母液，作为混凝土减水剂和纳米颗粒分散剂使用，主要性能指标为：减水率≥25％，泌水率比≤60％，含气量≤6.0％，凝结时间之差为-210min，7d的抗压强度比≥150，28d的抗压强度比≥140，收缩率比≤110％，外观为褐色透明液体。
3.根据权利要求1所述一种用纳米颗粒协同提高混凝土动力特性、吸波性能的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的纳米颗粒为杭州万景公司生产的纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米氧化铁中的一种。
4.根据权利要求3所述一种用纳米颗粒协同提高混凝土动力特性、吸波性能的方法，其特征在于，所述的纳米氧化铁的主要性能为：型号VK-E01，砖红色粉末，含量≥99.8％，比表面积80～90m2/g，直径50nm，α晶型，含水量≤0.1％；纳米氧化铝的主要性能为：型号VK-L20Y，白色粉末，含量≥99.99％，比表面积150～200m2/g，直径10～20nm，γ晶型，含水量≤0.01％；纳米二氧化硅的主要性能为：型号VK-SP15，白色絮状粉末，含量≥99.8％，比表面积250±30m2/g，直径10～20nm，α晶型，含水量≤0.1％。
5.根据权利要求1所述一种用纳米颗粒协同提高混凝土动力特性、吸波性能的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的粉煤灰为Ⅰ级低钙粉煤灰，产自陕西韩城电厂。
6.根据权利要求1所述一种用纳米颗粒协同提高混凝土动力特性、吸波性能的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的水泥为陕西秦岭牌PC32.5R水泥，主要性能为：比表面积为486m2/kg，标准稠度为26.2％，初凝时间为129min，终凝时间为209min，安定性为合格，3d的抗折强度为4.3MPa，抗压强度为19MPa。
7.根据权利要求1所述一种用纳米颗粒协同提高混凝土动力特性、吸波性能的方法，其特征在于，步骤(4)中所述的碎石容重为2750kg/m3的石灰岩碎石，粒径5～10mm占15％，粒径10～20mm占85％。
8.根据权利要求1所述一种用纳米颗粒协同提高混凝土动力特性、吸波性能的方法，其特征在于，步骤(4)中所述的砂容重为2730kg/m3、细度模数为2.68堆积密度为1450kg/m3、含泥量1.0％的灞河中砂。
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