CN104478348B - 一种具有电磁屏蔽功能的轻质混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有电磁屏蔽功能的轻质混凝土，其原料包括硅酸盐水泥、碳纤维、废聚丙烯颗粒、铁粉、河砂、水和外加剂。本发明提供的轻质混凝土具有较高的电磁屏蔽效能，对500MHz的电磁信号屏蔽效能高达50dB；此外本发明的混凝土还表现出优秀的机械性能、抗腐蚀性能和抗霉变性能，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种混凝土及其制备方法，具体涉及一种具有电磁屏蔽功能的轻质混凝土及其制备方法。
背景技术
随着科技的飞速发展， 电子设备大量进入家庭，电磁辐射问题也日益受到关注。混凝土是工程中用量最多的建筑材料，也是主要的结构材料。建筑材料中人们往往为了降低成本并未过多的关注其电磁屏蔽作用。普通混凝土主要靠反射和吸收作用对高频电磁波具有一定的屏蔽功能，但屏蔽效果不佳，只有给其添加电磁损耗物质后才具有较高的屏蔽功能。现有技术的做法是向混凝土中加入金属粉末，金属粉末硬度高，具有良好的塑性，是一种良好的吸波材料。但为了获得足够的电磁屏蔽效果，混凝土中金属粉末含量通常要达到15wt%以上。添加过量的金属粉末，不但会增加混凝土的自重，还会明显地降低混凝土的抗冲击强度，使混凝土容易因冲击、应力而折断。也有研究人员研究发现普通混凝土对500Hz的电磁屏蔽效应在掺入3vol%碳纤维后可以从1db上升至15dB。同时碳纤维是一种具有很高强度和模量的耐高温纤维，它的比重不到钢的1/4，在混凝土中还能起到增强和减轻重量的作用。但15dB的的屏蔽效能仍不能满足市场的需求，继续增加碳纤维的用量，并不能明显地提高混凝土的屏蔽效能，还有可能导致混凝土的抗压、硬度等性能下降。掺入纤维后，大量的纤维无序均匀分布在混凝土中，犹如在混凝土中铺满了微细筋，形成了密集的三维乱向支撑体系，起到了牵制束缚作用，缓解和抑制了混凝土早期塑性收缩裂缝的产生和发展，可起到减少及细化裂缝的作用。
发明内容
有鉴于此，本发明公开一种电磁屏蔽效能高、机械性能优秀的轻质混凝土。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种具有电磁屏蔽功能的轻质混凝土，其原料按重量计包括：
硅酸盐水泥 40~60份；
碳纤维 5~10份；
废聚丙烯颗粒 2~8份；
铁粉 3~5份；
河砂 10~20份；
水 15~30份；
外加剂 1~3份；
所述外加剂中包括按重量计50~70份的聚羧酸减水剂、1~10份的二丁酯、10~15份的草酰乙酸以及5~15份的过硫酸钠。
根据Schekunoff电磁屏蔽理论，材料的电磁屏蔽性能主要与其反射和吸收电磁波能力、导电填料的电导率和磁导率等因素有关。因此，本发明在采用碳纤维填充混凝土的同时，向混凝土中加入导电性和导磁率良好的微米铁粉。少量的铁粉并不明显增加混凝土的重量，却能明显提高碳纤维对混凝土屏蔽效能的促进作用。经测试，本发明提供的轻质混凝土对500HZ的电磁屏蔽效能最高可达到50dB(根据Schelkunoff电磁屏蔽理论和成型厚度为3.6mm 的试件，然后采用Aglient HP 4291B 阻抗分析仪对样品在100MHz ～ 1GHz 范围内的电磁屏蔽传输系数曲线进行扫描)。所述废聚丙烯颗粒可选用任一种回收而来的废旧聚丙烯颗粒，如回收的电器外壳粉碎而成。聚丙烯耐质轻、冲击性好、机械性质强韧和抗多种有机溶剂和酸碱腐蚀等特性。废聚丙烯氧化程度高，机械性能差，但本发明的外加剂和碳纤维存在时，添加废聚丙烯能够明显提高混凝土的抗冲击强度。所述聚羧酸减水剂可选用任一种现有技术实现。所述二丁酯、草酰乙酸、和过硫酸钠可选用任一种市售产品实现。设计人发现，二丁酯、草酰乙酸、和过硫酸钠同时存在时，可以明显提高混凝土的机械强度。此外，二丁酯、草酰乙酸、和过硫酸钠还能使混凝土的抗酸碱腐蚀性能、抗霉变性能。这一效果尚未有文献报道。所述河砂可选用现有技术实现，特别优选的该河砂可以是粗砂和细砂质量比为4:1的混合砂。所述粗砂为（细度模数为3.7—3.1mm），所述细砂为（细度模数为2.2-1.6mm）。所述硅酸盐水泥可选用任一种现有技术实现。
进一步的，所述碳纤维长度为3mm~5mm；所述废聚丙烯颗粒粒径为1~15mm；所述铁粉粒径为10~15μm。
上述碳纤维为短切碳纤维，是由碳纤维长丝经纤维切断机短切而成，具有力学性能良好，分散均匀等优点
本发明还提供一种制备所述轻质混凝土的方法，包括如下步骤：
a.碳纤维活化：将所述碳纤维浸泡于浓酸中，加热至80℃后保温10min；采用去离子水冲洗至pH为5.6~7.5，过滤后干燥；
b. 废聚丙烯颗粒改性：将废聚丙烯颗粒浸泡在质量为其2倍的、含有2wt%EDTA二钠以及3wt%硬脂酸镁的溶液中，将溶液加热至50℃，同时以频率为120~300KHz的超声波处理20min，过滤并烘干；再将所述废聚丙烯浸没在浓度为14wt%的硫酸铜溶液中，加热至60℃并保持60min，过滤并烘干；
c.将改性的废聚丙烯熔化，加入所述铁粉，并通入氢气保持温度10min，待其冷却至70℃后，将其浸没于温度为1~4摄氏度的冷水中2min，烘干后粉碎为粒径1~2mm的废聚丙烯-铁粉颗粒；
d.将所述硅酸盐水泥、碳纤维、废聚丙烯-铁粉颗粒、河砂、水、减水剂混合，加热至40℃后加入所述二丁酯、过硫酸钠，冷却至30℃后加入所述草酰乙酸，制得所述轻质混凝土。
所述浓酸为95~99wt%的硫酸；所述碳纤维的活化还包括在干燥后，将碳纤维加入质量为其10~20倍的无水乙醇中，以频率为210KHz的超声波分散40min后，加入质量与碳纤维相等的FeCl2，加热至220~250℃，保持温度60min，过滤并干燥。
短切碳纤维具有较高的比表面能，在正常状态下容易粘结成团。本发明特别设计碳纤维的活化步骤，浓酸可以氧化碳纤维，使之具有更高的分散性。而经乙醇处理的碳纤维在氯化亚铁的作用下，其相互间的范德华力可以使碳纤维处于均匀而无序的分散状态，进而明显地提高混凝土的机械强度。此外，由于碳纤维在混凝土中分散均匀、其电磁屏蔽效能可达到最高。经处理的碳纤维还能明显增强混凝土的耐候性、耐腐蚀性。废旧聚丙烯氧化程度高，机械性能明显下降。本发明选用硬脂酸镁作为表面活性剂，除去废聚丙烯表面的污渍，提高其与混凝土其他组分的结合强度。而与EDTA二钠供热可以进一步改善废聚丙烯的机械性能。最后，本发明将废聚丙烯与硫酸铜共热，由于废聚丙烯表面通常存在细小的缝隙，硫酸铜容易附着在聚丙烯上。硫酸铜的存在可以有效增强聚丙烯与混凝土的结合强度，并使之具有较好的耐腐蚀性能。
本发明选用将铁粉与废聚丙烯共混，使铁粉与聚丙烯结合后，再将废聚丙烯-铁粉颗粒加入混凝土。铁粉的密度较大，直接加入混凝土中容易下沉，难以充分与混凝土其他组分形成稳定的胶体体系。而与废聚丙烯混合后，二者形成的废聚丙烯-铁粉颗粒密度适中，与混凝土的其他组分有较强的结合效果。而铁粉均匀地分散在混凝土中，也有利于提高混凝土的电磁屏蔽效果。本发明在废聚丙烯混合物70℃时，以低温的冷水使之迅速冷却。剧烈的收缩会使该混合物内部产生大量细微的裂痕，提高最终废聚丙烯-铁粉颗粒的比表面积，提高其与混凝土的接触面积。同时还可以增加碳纤维与其中铁粉的接触面积，更进一步的提高所制成的轻质混凝土的电磁屏蔽效能。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详细描述：
实施例1
本实施例提供一种具有电磁屏蔽功能的轻质混凝土，其原料按重量计包括：
硅酸盐水泥 51份；
碳纤维 7份；
废聚丙烯颗粒 4份；
铁粉 6份；
河砂 15份；
水 25份；
外加剂 2份；
所述外加剂中包括按重量计55份的聚羧酸减水剂、4份的二丁酯、12份的草酰乙酸以及7份的过硫酸钠。
所述碳纤维长度为4mm；所述废聚丙烯颗粒粒径为5mm；所述铁粉粒径为10μm。所述河砂为细度模数为3.1mm的粗砂和细度模数为2.2mm细砂为以4:1的质量比混合制成。
本实施例还提供一种制备上述轻质混凝土的方法，包括如下步骤：
a.碳纤维活化：将所述碳纤维浸泡于浓酸中，加热至80℃后保温10min；采用去离子水冲洗至pH为7.1，过滤后干燥；
b. 废聚丙烯颗粒改性：将废聚丙烯颗粒浸泡在质量为其2倍的、含有2wt%EDTA二钠以及3wt%硬脂酸镁的水溶液中，将溶液加热至50℃，同时以频率为200KHz的超声波处理20min，过滤并烘干；再将所述废聚丙烯浸没在浓度为14wt%的硫酸铜溶液中，加热至60℃并保持60min，过滤并烘干；
c.将改性的废聚丙烯熔化，加入所述铁粉，并通入氢气保持温度10min，待其冷却至70℃后，将其浸没于温度为1摄氏度的冷水中2min，烘干后粉碎为粒径1mm的废聚丙烯-铁粉颗粒；
d.将所述硅酸盐水泥、碳纤维、废聚丙烯-铁粉颗粒、河砂、水、减水剂混合，加热至40℃后加入所述二丁酯、过硫酸钠，冷却至30℃后加入所述草酰乙酸，制得所述轻质混凝土。
所述浓酸为99wt%的硫酸；所述碳纤维的活化还包括在干燥后，将碳纤维加入质量为其15倍的无水乙醇中，以频率为210KHz的超声波分散40min后，加入质量与碳纤维相等的FeCl2，加热至230℃，保持温度60min，过滤并干燥。
实施例2
本实施例提供一种具有电磁屏蔽功能的轻质混凝土，其原料按重量计包括：
硅酸盐水泥 40份；
碳纤维 10份；
废聚丙烯颗粒 3份；
铁粉 8份；
河砂 10份；
水 30份；
外加剂 1份；
所述外加剂包括按重量计70份的聚羧酸减水剂、1份的二丁酯、15份的草酰乙酸以及5份的过硫酸钠。所述聚羧酸减水剂优选SUNBO公司的 PC-1026
所述硅酸盐水泥优选带号P.I强度等级为42.5R的市售硅酸盐水泥。
所述碳纤维长度为5mm；所述废聚丙烯颗粒粒径为1mm；所述铁粉粒径为15μm。所述河砂为细度模数为3.7mm的粗砂和细度模数为1.6mm细砂为以4:1的质量比混合制成。
本实施例的轻质混凝土采用实施例1提供的方法制成。
实施例3
本实施例提供一种具有电磁屏蔽功能的轻质混凝土，其原料按重量计包括：
硅酸盐水泥 60份；
碳纤维 5份；
废聚丙烯颗粒 5份；
铁粉 4份；
河砂 20份；
水 15份；
外加剂 3份；
所述外加剂包括按重量计50份的聚羧酸减水剂、10份的二丁酯、15份的草酰乙酸以及5份的过硫酸钠。
所述碳纤维长度为3mm；所述废聚丙烯颗粒粒径为15mm；所述铁粉粒径为10μm。所述河砂为细度模数为3.1mm的粗砂和细度模数为2.2mm细砂为以4:1的质量比混合制成。
本实施例的轻质混凝土采用实施例1提供的方法制成。
实施例4
本实施例提供一种具有电磁屏蔽功能的轻质混凝土，其原料按重量计包括：
硅酸盐水泥 45份；
碳纤维 9份；
废聚丙烯颗粒 5份；
铁粉 7份；
河砂 25份；
水 30份；
外加剂 2份；
所述外加剂包括按重量计60份的聚羧酸减水剂、9份的二丁酯、12份的草酰乙酸以及10的过硫酸钠。
所述碳纤维长度为4；所述废聚丙烯颗粒粒径为10mm；所述铁粉粒径为13μm。所述河砂为细度模数为3.1mm的粗砂和细度模数为2mm细砂为以4:1的质量比混合制成。
本实施例的轻质混凝土采用实施例1提供的方法制成。
对比例1
本对比例提供一种具有电磁屏蔽功能的轻质混凝土，其原料组分与实施例1一致。
本实施例还提供一种制备上述轻质混凝土的方法，包括如下步骤：
a.碳纤维活化：将所述碳纤维浸泡于浓酸中，加热至80℃后保温10min；采用去离子水冲洗至pH为7.0，过滤后干燥；
b. 将所述硅酸盐水泥、废聚丙烯、铁粉、碳纤维、河砂、水、减水剂混合，加热至40℃后加入所述二丁酯、过硫酸钠，冷却至30℃后加入所述草酰乙酸，制得所述轻质混凝土。
所述浓酸为99wt%的硫酸。
对比例2
本对比例提供一种具有电磁屏蔽功能的轻质混凝土，其原料组分与实施例1一致。
本实施例还提供一种制备上述轻质混凝土的方法，包括如下步骤：
a.碳纤维活化：将所述碳纤维浸泡于浓酸中，加热至80℃后保温10min；采用去离子水冲洗至pH为7.2，过滤后干燥；
b.将所述硅酸盐水泥、碳纤维、废聚丙烯、铁粉、河砂、水、减水剂混合，加热至40℃后加入所述二丁酯、过硫酸钠，冷却至30℃后加入所述草酰乙酸，制得所述轻质混凝土。
所述浓酸为95wt%的硫酸；所述碳纤维的活化还包括在干燥后，将碳纤维加入质量为其15倍的无水乙醇中，以频率为210KHz的超声波分散40min后，加入质量与碳纤维相等的FeCl2，加热至220℃，保持温度60min，过滤并干燥。
对比例3
本对比例提供一种具有电磁屏蔽功能的轻质混凝土，其原料按重量计包括：
硅酸盐水泥 51份；
碳纤维 7份；
废聚丙烯颗粒 4份；
铁粉 6份；
河砂 15份；
水 25份；
外加剂 2份；
所述外加剂中包括按重量计55份的聚羧酸减水剂。
所述碳纤维长度为4mm；所述废聚丙烯颗粒粒径为5mm；所述铁粉粒径为10μm。所述河砂为细度模数为3.1mm的粗砂和细度模数为2.2mm细砂为以4:1的质量比混合制成。
本实施例的轻质混凝土采用实施例1提供的方法制成。
对比例4
本对比例提供一种具有电磁屏蔽功能的轻质混凝土，其原料按重量计包括：
硅酸盐水泥 51份；
碳纤维 7份；
废聚丙烯颗粒 4份；
铁粉 6份；
河砂 15份；
水 25份；
外加剂 2份；
所述外加剂中包括按重量计55份的聚羧酸减水剂、4份的二丁酯及7份的过硫酸钠。
所述碳纤维长度为4mm；所述废聚丙烯颗粒粒径为5mm；所述铁粉粒径为10μm。所述河砂为细度模数为3.1mm的粗砂和细度模数为2.2mm细砂为以4:1的质量比混合制成。
本实施例的轻质混凝土采用实施例1提供的方法制成。
电磁屏蔽效能测试
根据上述实施例1-4、对比例1—4，成型厚度为3.6mm 的试件，然后采用AglientHP 4291B 阻抗分析仪对样品在100MHz ～ 1GHz 范围内的电磁屏蔽传输系数曲线进行扫描，所得实验数据如下，见表1 ：
表1混凝土的电磁屏蔽性能测试
机械性能测试
根据上述实施例1-4、对比例1—4，尺寸为120mm×50mm×15mm 的试件，依照GB/T15231-2008《玻璃纤维增强水泥性能试验方法》测试其抗冲击强度，依照JC/T951-2005《水泥砂浆抗裂性能试验方法》测试其抗开裂性能。其结果如表2所示。
表2 混凝土的机械性能
耐腐蚀性测试
根据根据GB50046 -2008 《工业建筑防腐设计规范》测试实施例1—4、对比例1—4的腐蚀系数K。其结果如表3所示。
表3 混凝土的腐蚀系数。
混凝土抗霉变性能测试
将实施例1—4、对比例1—4的混凝土制备的1×1m的混凝土板，置于 温度为30℃的遮光处。每10日向其表面喷洒腐殖土与水重量比1:50配制成的悬液，每板喷洒50ml。此后每日喷洒无菌水50ml/板。每100日记录混凝土板上菌落数量。其结果如表4所示。
表4 菌落数量
以上为本发明的其中具体实现方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种具有电磁屏蔽功能的轻质混凝土，其原料按重量计包括：
硅酸盐水泥 40~60份；
碳纤维 5~10份；
废聚丙烯颗粒 3~5份；
铁粉 4~8份；
河砂 10~20份；
水 15~30份；
外加剂 1~3份；
所述外加剂中包括按重量计50~70份的聚羧酸减水剂、1~10份的二丁酯、10~15份的草酰乙酸以及5~15份的过硫酸钠。
2.根据权利要求1所述的轻质混凝土，其特征在于：所述碳纤维长度为3mm~5mm；所述废聚丙烯颗粒粒径为1~15mm；所述铁粉粒径为10~15μm。
3.一种制备权利要求2所述轻质混凝土的方法，包括如下步骤：
a.碳纤维活化：将所述碳纤维浸泡于浓酸中，加热至80℃后保温10min；采用去离子水冲洗至pH为5.6~7.5，过滤后干燥；
b. 废聚丙烯颗粒改性：将废聚丙烯颗粒浸泡在质量为其2倍的、含有2wt%EDTA二钠以及3wt%硬脂酸镁的溶液中，将溶液加热至50℃，同时以频率为120~300KHz的超声波处理20min，过滤并烘干；再将所述废聚丙烯颗粒浸没在浓度为14wt%的硫酸铜溶液中，加热至60℃并保持60min，过滤并烘干；
c.将改性的废聚丙烯颗粒熔化，加入所述铁粉，并通入氢气保持温度10min，待其冷却至70℃后，将其浸没于温度为1~4摄氏度的冷水中2min，烘干后粉碎为粒径1~2mm的废聚丙烯-铁粉颗粒；
d.将所述硅酸盐水泥、碳纤维、废聚丙烯-铁粉颗粒、河砂、水、减水剂混合，加热至40℃后加入所述二丁酯、过硫酸钠，冷却至30℃后加入所述草酰乙酸，制得所述轻质混凝土。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述浓酸为95~99wt%的硫酸；所述碳纤维的活化还包括在干燥后，将碳纤维加入质量为其10~20倍的无水乙醇中，以频率为210KHz的超声波分散40min后，加入质量与碳纤维相等的FeCl2，加热至220~250℃，保持温度60min，过滤并干燥。
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