CN106186905B - 一种掺包硅纳米二氧化钛的水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种掺包硅纳米二氧化钛的水泥基复合材料，含有水泥、包硅纳米二氧化钛、硅灰、粉煤灰、砂、减水剂和水。本发明还公开了一种制备水泥基复合材料的方法。实验结果表明，掺包硅纳米二氧化钛的水泥基复合材料结合纳米二氧化钛、二氧化硅两者的优点，充分利用纳米二氧化钛、二氧化硅两者具有的增韧效应、填充效应、成核效应和火山灰效应，以及高强度，高韧性的特点，无论在抗折强度、抗压强度还是耐久性方面掺包硅纳米二氧化钛的水泥基复合材料都强于仅掺纳米二氧化钛的水泥基复合材料。此外，掺包硅纳米二氧化钛的水泥基复合材料还具有电学特性，符合未来结构材料多功能和智能性的要求。

Description

一种掺包硅纳米二氧化钛的水泥基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，特别涉及一种掺包硅纳米二氧化钛的水泥基复合材料及其制备方法。

背景技术

作为当今最主要的建筑材料之一的水泥基材料，具有抗压强度较高、使用方便、价格低廉、制作方法简单等优点，使其在土木、水利工程中得到广泛的应用。但随着现代社会的高速发展，水泥材料的自重大、低韧性、角色单一等问题已不能满足某些特殊环境对材料性能的要求，目前迫切需要一种结构自重小，高强度，高韧性，并且具有多功能性的水泥基材料。

纳米二氧化钛已经被证实可以提高水泥基材料的强度、韧性等力学性能以及电学性能，但对水泥基材料的强度改善效果有限。这主要是由于纳米二氧化钛虽然具有模版成核作用及填充作用，可以在某种程度上促进水泥的水化反应，但水泥基体存在孔隙率大，内部松散等自身缺陷，导致水泥基体的结合界面还具有一定的问题。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种一种掺包硅纳米二氧化钛的水泥基复合材料及其制备方法。本发明采用的技术手段如下：

一种掺包硅纳米二氧化钛的水泥基复合材料，含有水泥、包硅纳米二氧化钛、硅灰、粉煤灰、砂、减水剂和水。

含有以下重量份的物质：

水泥1份、

包硅纳米二氧化钛0.002-0.1份、

硅灰0.2-0.4份、

粉煤灰0.1-0.2份、

砂1-2份、

减水剂0.003-0.01份、

水0.3-0.38份。

所述包硅纳米二氧化钛为表面包硅的金红石相二氧化钛，其粒径为10nm-100nm。

所述包硅纳米二氧化钛中二氧化钛的含量大于96％。

所述硅灰的粒径为100-200nm。

所述粉煤灰的粒径为0.12-0.83mm。

所述砂包括石英砂Ⅰ、石英砂Ⅱ和石英砂Ⅲ，所述石英砂Ⅰ的粒径范围为0.125-0.18mm、所述石英砂Ⅱ的粒径范围为0.18-0.425mm、所述石英砂Ⅲ的粒径范围为0.425-0.85mm，所述石英砂Ⅰ、所述石英砂Ⅱ和所述石英砂Ⅲ之间的质量比为1:1:1。

所述减水剂为聚羧酸减水剂。

所述水泥为普通硅酸盐水泥。

本发明还公开了一种制备水泥基复合材料的方法，具有如下步骤：

S1、称取所述重量份的物质，将水、减水剂、包硅纳米二氧化钛倒入搅拌锅，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌20s，然后将硅灰倒入搅拌锅中，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌60s，之后再将水泥和粉煤灰依次加入到搅拌锅中，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌2min后，再将搅拌转速换为285±10r/min，搅拌2min，最后将砂倒入搅拌锅中，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌1min后，再搅拌转速换为285±10r/min，搅拌4min；

S2、把步骤S1中得到的拌合物浇注到模具中，再将模具置于振动台上，振动至表面有气泡冒出；

S3、将模具放入养护箱中，在温度为20±1℃，湿度大于95％的条件下养护24小时后拆模，得所述的水泥基复合材料试件。

为了检测所述的水泥基复合材料的性能，可在步骤S3之前，根据模具内拌合物的尺寸，插入用于连接外部电路的两个电极，再次振动，确保电极和拌合物接触良好。所述电极为导电的网状电极片，其材质优选为不锈钢。

本发明结合纳米二氧化钛、二氧化硅两者的优点，利用纳米二氧化钛、二氧化硅自身的增强机理以及相互协同的促进增强作用，最终制备了自重小，高强度，高韧性，并且兼具电学特性的掺包硅纳米二氧化钛的水泥基复合材料。

1、纳米二氧化钛，具有高的比表面积和反应活性，其可以通过填充效应和晶核效应等来增加水化产物，使水泥基体更加密实，减少结构内部的有害孔及裂缝数量(比较图1、图2可知)，从而提高水泥基体的强度。

2、二氧化硅可以和氢氧化钙发生火山灰反应，减少氢氧化钙对强度的不利影响，促进水泥早期水化反应速度及反应程度，形成更多水化硅酸钙凝胶，使凝胶更加密实，减少氢氧化钙晶体尺寸大小和改变氢氧化钙晶体的取向性(比较图3、图4及图5可知)，进而从根本上优化水泥基体的结合界面，增加水泥基复合材料的强度。

3、纳米二氧化钛本身为半导体，有一定的导电性，由于其同时具有小尺寸效应，能够在水泥基材料内部形成导电网络，提高导电性，从而使水泥基复合材料电阻率减小，赋予其电学特性。

4、掺包硅纳米二氧化钛的水泥基复合材料具有优越力学性能，抗折强度大大提高，其中，3天抗折强度与空白件相比增加55.91％-83.3％。

5、掺包硅纳米二氧化钛的水泥基复合材料具有电学特性，电阻率会随着掺量的增加而先减少后增加，电阻率始终小于空白水泥基材料的电阻率。

基于上述理由本发明可在建筑材料等技术领域广泛推广。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为试件1的微观扫描电镜照片；

图2为试件4的微观扫描电镜照片；

图3为试件1中氢氧化钙的微观扫描电镜照片；

图4为试件2中氢氧化钙的微观扫描电镜照片；

图5为试件4中氢氧化钙的微观扫描电镜照片；

图6为试件尺寸及电极布置示意图；

图7为3天、28天龄期试件抗折强度随二氧化钛掺量变化的曲线；

图8为3天、28天和60天龄期试件抗压强度随二氧化钛掺量变化的曲线；

图9为掺包硅纳米二氧化钛的水泥基复合材料电阻率随二氧化钛掺量变化的曲线。

具体实施方式

一种掺包硅纳米二氧化钛的水泥基复合材料，含有水泥、包硅纳米二氧化钛、硅灰、粉煤灰、砂、减水剂和水。

含有以下重量份的物质：

水泥1份、

包硅纳米二氧化钛0.002-0.1份、

硅灰0.2-0.4份、

粉煤灰0.1-0.2份、

砂1-2份、

减水剂0.003-0.01份、

水0.3-0.38份。

所述包硅纳米二氧化钛为表面包硅的金红石相二氧化钛，其粒径为10nm-500nm。

所述包硅纳米二氧化钛中二氧化钛的含量大于96％。

所述硅灰的粒径为100-200nm。

所述粉煤灰的粒径为0.12-0.83mm。

所述砂包括石英砂Ⅰ、石英砂Ⅱ和石英砂Ⅲ，所述石英砂Ⅰ的粒径范围为0.125-0.18mm、所述石英砂Ⅱ的粒径范围为0.18-0.425mm、所述石英砂Ⅲ的粒径范围为0.425-0.85mm，所述石英砂Ⅰ、所述石英砂Ⅱ和所述石英砂Ⅲ之间的质量比为1:1:1石英砂Ⅲ。

所述减水剂为聚羧酸减水剂。

一种制备所述的水泥基复合材料的方法，具有如下步骤：

S1、称取所述重量份的物质，将水、减水剂、包硅纳米二氧化钛倒入搅拌锅，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌20s，然后将硅灰倒入搅拌锅中，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌60s，之后再将水泥和粉煤灰依次加入到搅拌锅中，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌2min后，再将搅拌转速换为285±10r/min，搅拌2min，最后将砂倒入搅拌锅中，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌1min后，再将搅拌转速换为285±10r/min，搅拌4min；

S2、把步骤S1中得到的拌合物浇注到模具中，再将模具置于振动台上，振动至表面有气泡冒出；

S3、将模具放入养护箱中，在温度为20±1℃，湿度大于95％的条件下养护24小时后拆模，得所述的水泥基复合材料试件。

实施例

一种掺包硅纳米二氧化钛的水泥基复合材料

表1原材料重量比配比

注：包硅纳米二氧化钛掺量计算采用内掺法。

S1、称取表1所述物质，将水、减水剂、包硅纳米二氧化钛(试件1不加)倒入搅拌锅，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌20s，然后将硅灰倒入搅拌锅中，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌60s，之后再将水泥和粉煤灰依次加入到搅拌锅中，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌2min后，再将搅拌转速换为285±10r/min，搅拌2min，最后将砂倒入搅拌锅中，搅拌转速为设140±5r/min，搅拌1min后，再将搅拌转速换为285±10r/min，搅拌4min；

S2、把步骤S1中得到的拌合物浇注到模具1(40mm×40mm×160mm)中，再将模具1置于振动台上，振动至表面有气泡冒出；

S3、根据模具1内拌合物的尺寸，插入用于连接外部电路的两个电极2，再次振动，确保电极2和拌合物接触良好。之后，将模具1放入养护箱中，在温度为20±1℃，湿度大于95％的条件下养护24小时后拆模，得试件1、2、3、4。

所述电极2为导电的网状电极片，其材质优选为不锈钢。所述两个电极2与模具1端部平行设置，分别距离模具1端部10mm，如图6所述。

拆模后养护：拆模以后将试件立即放入到20±1℃的水中养护至所需的不同龄期，其中60天龄期的试件在标准养护室养护至28天，然后，从水中取出静放到60天进行试验。

抗折强度：用胶砂抗折仪进行抗折强度测试。

抗压强度：用万能试验机对试件的抗压强度进行测量，位移控制方式，加载速率为1.2mm/min。

电阻：用万用表进行测试，测试方法为，交流，两电极。

电阻率通过公式ρ＝RS/l计算得到。

由图7、图8可知，掺1％包硅纳米二氧化钛的水泥基复合材料比空白水泥基材料的3天和28天抗折强度分别提高55.91％和43.43％，比掺1％纳米二氧化钛的水泥基复合材料的3天和28天的抗折强度分别提高36.22％和2.41％。掺3％包硅纳米二氧化钛的水泥基复合材料比空白水泥基材料3天和28天抗折强度分别提高了83.3％和74.9％，比掺3％纳米二氧化钛的水泥基复合材料的3天和28天抗折强度分别提高了28.89％和13.79％。掺3％包硅纳米二氧化钛的水泥基复合材料的3天、28天和60天抗压强度对比空白水泥基材料分别提高了18％、12.26％和34.35％，比掺3％纳米二氧化钛的水泥基复合材料3天、28天和60天抗压强度分别提高了15.91％、2.43％和2.72％。掺5％包硅纳米二氧化钛的水泥基复合材料比空白水泥基材料3天和28天抗折强度分别提高了73.73％和87％，而3天、28天和60天抗压强度分别提高了4.09％、10.32％和38.27％。掺5％包硅纳米二氧化钛水泥基复合材料比掺5％纳米二氧化钛的水泥基复合材料3天和28天抗折强度分别提高了34.4％和21.97％，而3天、28天和60天抗压强度分别提高了13.41％、1.42％和4.7％。实验结果表明，掺包硅纳米二氧化钛的水泥基复合材料不仅提高了水泥基材料的抗压强度，而且大幅度的提高了其抗折强度，早期抗折强度提高程度高达83.3％，28天龄期抗折强度提高程度高达87％。另外，掺包硅纳米二氧化钛的水泥基复合材料60天抗压强度均有大幅提升，最高提高程度高达38.27％。

由图9可知，包硅纳米二氧化钛的掺加可以提高水泥基材料的导电性。其中掺加1％的包硅纳米二氧化钛可以使水泥基材料的28天电阻率降低6.98％。掺加3％的包硅纳米二氧化钛可以使水泥基材料的28天电阻率降低17.84％。掺加5％的包硅纳米二氧化钛可以使水泥基材料的28天电阻率降低11.75％。这说明包硅纳米二氧化钛可以赋予水泥基材料电学特性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种掺包硅纳米二氧化钛的水泥基复合材料，

含有以下重量份的物质：

水泥1份、

包硅纳米二氧化钛0.002-0.1份、

硅灰0.2-0.4份、

粉煤灰0.1-0.2份、

砂1-2份、

减水剂0.003-0.01份、

水0.3-0.38份。

2.根据权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于，所述包硅纳米二氧化钛为表面包硅的金红石相二氧化钛，其粒径为10nm-100nm。

3.根据权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于，所述包硅纳米二氧化钛中二氧化钛的含量大于96％。

4.根据权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于，所述硅灰的粒径为100-200nm。

5.根据权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于，所述粉煤灰的粒径为0.12-0.83mm。

6.根据权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于，所述砂包括石英砂Ⅰ、石英砂Ⅱ和石英砂Ⅲ，所述石英砂Ⅰ的粒径范围为0.125-0.18mm、所述石英砂Ⅱ的粒径范围为0.18-0.425mm、所述石英砂Ⅲ的粒径范围为0.425-0.85mm，所述石英砂Ⅰ、所述石英砂Ⅱ和所述石英砂Ⅲ之间的质量比为1:1:1。

7.根据权利要求1所述的水泥基复合材料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂。

8.一种制备权利要求1所述的水泥基复合材料的方法，其特征在于具有如下步骤：

S1、称取所述重量份的物质，将水、减水剂、包硅纳米二氧化钛倒入搅拌锅，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌20s，然后将硅灰倒入搅拌锅中，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌60s，之后再将水泥和粉煤灰依次加入到搅拌锅中，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌2min后，再将搅拌转速换为285±10r/min，搅拌2min，最后将砂倒入搅拌锅中，搅拌转速设为140±5r/min，搅拌1min后，再将搅拌转速换为285±10r/min，搅拌4min；

S2、把步骤S1中得到的拌合物浇注到模具中，再将模具置于振动台上，振动至表面有气泡冒出；

S3、将模具放入养护箱中，在温度为20±1℃，湿度大于95％的条件下养护24小时后拆模，得所述的水泥基复合材料试件。