CN102199021A - 一种纳米材料复合超高性能混凝土 - Google Patents

一种纳米材料复合超高性能混凝土 Download PDF

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Abstract

本发明属于土木工程混凝土技术领域，涉及一种超高性能混凝土配制技术，其特征是1m3混凝土中含有水泥380-420kg，细骨料680-740kg，粗骨料1120-1190kg，水130-160kg，粉煤灰50-75kg，硅灰25-64kg，高性能减水剂6.1-10.4kg，多壁碳纳米管0.05-0.25kg，纳米二氧化硅15-25kg。制备工艺是机械搅拌，搅拌时间180-240秒。其中碳纳米管以分散液形式加入，分散剂是十六烷基三甲基溴化铵(C16TAB)(分散液配制比例MWNTs∶C16TAB∶水＝0.48g∶4.10g∶40ml)。本发明提高了高性能混凝土的力学及耐久性能，大幅度增加高性能混凝土的使用年限，可用于大型跨海大桥、超高层建筑等对混凝土材料性能要求较高的工程中，实用价值高。

Description

一种纳米材料复合超高性能混凝土
技术领域
本发明属于土木工程混凝土技术领域，涉及一种超高性能混凝土配制技术，特别涉及到以纳米二氧化硅和碳纳米管复合来配制高性能混凝土。
背景技术
自1824年波特兰水泥发明以来，水泥混凝土材料至今已有100余年的历史。水泥混凝土已经成为土木工程、水利工程、交通运输等现代工程结构的重要结构材料。水泥混凝土作为土木工程中最为大宗的人造建筑材料，其用量巨大。据统计，目前我国每年混凝土的用量约为109立方，并且随着我国近年来工业化与城市化进程的加快，其用量将持续快速增长。
人类进入21世纪以后，随着科学和工程技术的快速发展，新型的水泥混凝土不断涌现，如智能混凝土、钢纤维混凝土、自密实免振捣混凝土、再生骨料混凝土、活性粉末混凝土以及透光混凝土等相继出现。混凝土能否长期地作为最主要的建筑结构材料，除其本身必须具有高强度、高工作性、高耐久性、高稳定性等优良性能外，另外还在于其能否发展为绿色建筑材料。
绿色高性能混凝土的出现是现代混凝土技术发展的必然结果，是混凝土的主要发展方向，现代混凝土在生产和使用过程中需满足可持续发展的原则
绿色高性能与可持续发展、超复合化、高强高性能化、高功能、智能化等是水泥混凝土发展的主要方向。而高性能水泥混凝土存在的主要问题之一是长期耐久性问题，随着资源、能源问题的日益突出，高性能水泥混凝土的生命过程与资源环境的相互关系也值得深入研究；因此，研究提高高性能水泥混凝土的耐久性能的方法和途径、研究高性能水泥混凝土与环境的相互作用具有重大的现实意义。
纳米技术的出现标志着人类改造自然的能力已延伸到原子、分子水平，标志着人类科学技术已进入一个新的时代-纳米科技时代。目前纳米技术已渗入到力学、药物学、生物学、物理学、化学、材料学、机械学等诸多领域，在国防、电子、化工、轻工、航天航空、生物和医学等领域中开拓了广阔的应用前景，被认为是21世纪的最有前途的材料。
纳米SiO2是一种无定形物质，其粒径仅为20nm左右，已经广泛用于改性涂料、抗紫外剂、塑料添加剂、橡胶制品、颜料、陶瓷、等领域。
1990年7月在美国召开了国际上第一届纳米科学技术学术会议，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世，从此，纳米材料引起了世界各国材料界和物理界的极大兴趣和广泛重视。目前，关于混凝土的高效活性矿物掺料已有较多的研究成果，并已经应用于工程实际中。活性矿物掺料中含有大量活性二氧化硅及活性氧化铝，在水泥水化中生成强度高、稳定性强的低碱性水化硅酸钙，改善了水化胶凝物质。超细矿物掺料能填充于水泥颗粒之间，使水泥石致密，并能改善界面结构和性能。
人工合成的纳米级SiO2(Nano-SiO2，简称NS)的粒径非常小，其火山灰活性均比硅灰、粉煤灰的要高很多。在水泥浆体中，Ca(OH)2会更多地在纳米SiO2表面形成键合，并生成C-S-H凝胶，起到了降低Ca(OH)2含量和细化Ca(OH)2晶体尺寸的作用，同时CSH凝胶以纳米SiO2为核心形成簇状结构，纳米SiO2起到CSH凝胶网络结点的作用。
纳米SiO2的上述作用在理论上可以提高混凝土的强度、密实度、抗渗性等性能。目前对于混凝土中掺入纳米SiO2的研究比较少，仅限于在界面改性、宏观物理力学性能等层面上。
碳纳米管(carbon nanotubes，简称CNTs)，是一种具有石墨结晶的管状纳米碳材料。根据结构不同可分为单壁碳纳米管(SWNTs)和多壁碳纳米管(MWNTs)两种，SWNTs价格昂贵，一般用于场发射平板显示器和传感器等领域，而MWNTs造价相对较低，一般用于增强复合材料的研究，研究较多的基体材料有聚合物基、金属基及陶瓷基，有关增强混凝土等水泥基复合材料的研究很少，目前正处于起步和摸索阶段。
现有高性能混凝土的技术基本采用高效减水剂、各种矿物掺合料、优质骨料进行配制，缺点是仍然达不到超高性能的要求。
超高性能水泥混凝土是21世纪混凝土材料发展的主导方向，目前也是混凝土材料领域的研究热点。将碳纳米管与纳米材料复合应用于混凝土材料中，将大幅度提升混凝土的力学性能和耐久性，具有显著创新意义和重大工程应用价值。
发明内容
本发明提供一种超高性能混凝土的新配制技术，目的是进一步提高高性能混凝土的耐久性能。
本发明的技术方案如下：
本发明的纳米材料高性能混凝土的组分和含量如下：1m3混凝土中含有水泥380-420kg，细骨料680-740kg，粗骨料1120-1190kg，水130-160kg，粉煤灰50-75kg，硅灰25-64kg，高性能减水剂6.1-10.4kg，多壁碳纳米管0.05-0.25kg，纳米二氧化硅15-25kg。
纳米材料高性能混凝土的主要原材料由水泥、砂、碎石、水、高性能减水剂、纳米二氧化硅、碳纳米管、粉煤灰、硅灰组成。
水泥：选用42.5级硅酸盐水泥。
细骨料：河砂，II区中砂；含泥量小于2％。
粗骨料：高密度石灰石或者花岗岩，粒径为5-20mm，压碎指标小于5％。粗骨料中针片状颗粒含量应小于8％，且不得混入风化颗粒。
粉煤灰：选用优质I级粉煤灰。
硅灰：要求SiO2含量大于92％。
高性能减水剂：减水率大于30％。
纳米二氧化硅：平均粒径10-15纳米，杂质含量小于0.1％，SiO2含量大于99％。
碳纳米管：选用多壁碳纳米管，管径20-40纳米，长度10-20微米。
十六烷基三甲基溴化铵(C16TAB)：工业用即可。
混凝土的配合比设计依据体积法计算。砂率38-42％，水胶比0.25-0.35。
按上述的质量比例称取原材料，机械搅拌，搅拌时间180秒-240秒。其中碳纳米管以分散液形式加入，分散剂是十六烷基三甲基溴化铵(C16TAB)，分散液配制比例MWNTs∶C16TAB∶水＝0.48g∶4.10g∶40ml。
本发明的效果和益处主要体现在经济技术效益。超高性能水泥混凝土是21世纪混凝土材料发展的主导方向，目前也是混凝土材料领域的研究热点。本发明技术将碳纳米管和纳米二氧化硅与其他材料复合应用于高性能混凝土材料中，将大幅度提升混凝土的力学性能和耐久性，可用于大型跨海大桥、超高层建筑等对混凝土材料要求较高的工程中，具有重大的工程实用价值和显著的技术经济意义。
具体实施方式
以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施方式。以配制C100、C90、C80自密实抗冻融混凝土为例说明。
实施例1
某跨海大桥工程用C100高性能混凝土，所用原材料及性能如下：
水泥：P·I 42.5硅酸盐水泥，某水泥厂生产，28天抗压强度51.7MPa，28天抗折强度9.1MPa。
细骨料：河砂，细度模数为2.74，系II区中砂；表观密度为2.62g/cm3，松堆密度为1520kg/m3，紧堆密度为1670kg/m3。使用前将其用实验室自来水冲洗并烘干，其含泥量与含水率可以忽略。
粗骨料：高密度石灰石，公称粒径为5-20mm，表观密度为2.85g/cm3，松堆密度为1460kg/m3，振实密度为1580kg/m3，压碎指标为3.45％。使用前将其用实验室自来水冲洗并烘干，其含泥量与含水率可以忽略。
水：自来水。
粉煤灰：I级粉煤灰
减水剂：SIKA聚羧酸减水剂，减水率35％。
硅灰：SiO2含量94％，比表面积20000m2/kg。
纳米SiO2：SiO2含量大于99.9％，粒径12纳米。
碳纳米管：沈阳金纳新材料有限公。直径20-40纳米，长度10-20微米。
十六烷基三甲基溴化铵(C16TAB)。
混凝土配合比及性能如下：
Figure BDA0000052267830000051
实施例2
某采油平台工程用C90自密实抗冻融混凝土，要求抗冻等级F300。
所用原材料及性能同实施例1。
混凝土配合比及性能如下：
实施例3
某海港工程用C80自密实抗冻融混凝土，要求抗冻等级F300。
所用原材料及性能同实施例1。
混凝土配合比及性能如下：
Figure BDA0000052267830000062

Claims (1)

1.一种纳米材料复合超高性能混凝土，其特征在于，该纳米材料复合超高性能混凝土的组分和含量如下：1m3混凝土中含有水泥380-420kg，细骨料680-740kg，粗骨料1120-1190kg，水130-160kg，粉煤灰50-75kg，硅灰25-64kg，高性能减水剂6.1-10.4kg，碳纳米管0.05-0.25kg，纳米二氧化硅15-25kg；
水泥：选用42.5级硅酸盐水泥；
细骨料：河砂，II区中砂；含泥量小于2％；
粗骨料：高密度石灰石或者花岗岩，粒径为5-20mm，压碎指标小于5％；粗骨料中针片状颗粒含量小于8％，且不得混入风化颗粒；
粉煤灰：选用优质I级粉煤灰；
硅灰：要求SiO2含量大于92％；
高性能减水剂：减水率大于30％；
碳纳米管：选用多壁碳纳米管，管径20-40纳米，长度10-20微米；
纳米二氧化硅：平均粒径10-15纳米，杂质含量小于0.1％，SiO2含量大于99％；
混凝土的配合比设计依据体积法计算；砂率38-42％，水胶比0.25-0.35。2、如权利要求1所述的一种纳米材料复合超高性能混凝土，其特征在于以下步骤：
(1)按权利要求1所述的质量比例称取原材料；按上述的质量比例称取原材料，机械搅拌，搅拌时间180秒-240秒；其中碳纳米管以分散液形式加入，分散剂是十六烷基三甲基溴化铵(C16TAB)，分散液配制比例MWNTs∶C16TAB∶水＝0.48g∶4.10g∶40ml。
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