CN106278001B - 一种电磁吸波混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明共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，各原料所占体积百分数为：吸波功能陶粒30～70％，吸波水泥浆30～70％。本发明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。本发明制备的电磁吸波混凝土可有效克服现有吸波混凝土存在的有效作用频段较窄、吸波效能较低和力学性能不佳等缺点，其在8～18GHz频段最大反射率为‑11.1～‑14.5dB，8～18GHz反射率＜‑10dB的频段宽度为5.9～6.7dB；同时具有良好的力学性能，28d抗压强度可达60MPa，具备作为结构承重材料的功能。

Description

一种电磁吸波混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料科学与电磁科学的交叉技术领域，具体涉及一种电磁吸波混凝土及其制备方法。

背景技术

传统电磁吸波混凝土是一种将吸波剂掺入水泥浆体中，具备一定电磁吸波功能的混凝土。主要依靠在混凝土中掺入的吸波功能组分(吸波剂)，利用其介电损耗、磁损耗等作用损耗电磁波能量而使入射的电磁波被吸收。常用于吸波混凝土的吸波剂主要有碳系导电材料、铁氧体、纳米材料、手性体等。然而，采用此方法制备得到的电磁吸波混凝土仍存在一些不足：首先，吸波剂只是填充在水泥浆体中，而水泥浆体仅占混凝土体积的30％左右，不具吸波性能的集料占据混凝土绝大部分体积，使得吸波组分在混凝土中掺量有限，吸波剂的空间分布不均匀，不能充分地调整吸波混凝土的电磁参数，影响混凝土的吸波性能；其次，石墨、铁氧体、EPS等吸波材料通常尚未达到满足吸波性能要求的阈值掺量时，吸波混凝土的力学和结构性能已明显降低，难以兼顾混凝土的电磁吸波性能与结构性能；上述问题使吸波混凝土用于实际工程时性能受到影响，有效作用频段较窄、吸波效能较低、力学性能不佳。

发明内容

本发明的目的是提供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可有效克服现有吸波混凝土存在的有效作用频段较窄、吸波效能较低和力学性能不佳等缺点，且涉及的制备方法简单，适合推广应用。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电磁吸波混凝土，以吸波功能陶粒和吸波水泥浆为原料，各原料所占体积百分数为：吸波功能陶粒30～70％，吸波水泥浆30～70％。

上述方案中，所述吸波功能陶粒以粘土、二氧化钛、碳酸镁和硫酸钠为原料，各原料所占质量百分比为：粘土58～89％，二氧化钛8～32％，碳酸镁2～5％，硫酸钠1～5％；具体制备步骤如下：将各原料按所占质量百分比进行称量、混合、造粒得球状胚体，然后将球状胚体在置于高温炉中，以5～20℃/min的速率升温至1100～1300℃，恒温煅烧10～50min，冷却得所述吸波功能陶粒。

上述方案中，制得的吸波功能陶粒的粒径为2～15mm。

上述方案中，所述吸波水泥浆由吸波剂和水泥浆混合而成，其中吸波剂占吸波水泥浆体积的3～15％；水泥浆由水和水泥以0.3～0.45的水灰比混合而成。

上述方案中，所述吸波剂为纳米二氧化钛、锰锌铁氧体、镍锌铁氧体、高结构炭黑、碳纳米管中的一种或几种按任意比例混合。

上述方案中，所述的水泥为市售普通硅酸盐水泥。

上述方案中，所述电磁吸波混凝土采用吸波功能陶粒为集料，吸波功能陶粒与吸波水泥浆共同发挥电磁吸波功能，使混凝土具有良好的电磁吸波效能，其在8～18GHz频段的最大反射率为-11.1～-14.5dB，8～18GHz反射率＜-10dB的频段宽度5.9～6.7dB；同时，混凝土具有良好的力学性能，其28d抗压强度可在30MPa～60MPa范围内进行设计和调节，具备作为结构承重材料的功能。

上述一种电磁吸波混凝土的制备方法，它包括如下步骤：

1)吸波功能陶粒预处理：按以下体积百分比确定吸波功能陶粒和吸波水泥浆的体积掺量：吸波功能陶粒30～70％，吸波水泥浆30～70％，然后根据吸波功能陶粒的体积掺量和吸波功能陶粒的表观密度计算所述吸波功能陶粒的质量并称量，将称量好的吸波功能陶粒置于水中浸泡12～24h，取出后晾干至饱和面干状态备用；

2)吸波水泥浆的配制：根据吸波水泥浆的体积掺量确定吸波剂和水泥浆的体积掺量，其中吸波剂占吸波水泥浆体积的3～15％；将水和水泥以0.3～0.45的水灰比进行混合，得水泥浆；将水泥浆置于搅拌机中搅拌2～5min，然后加入吸波剂继续搅拌5～10min，得吸波水泥浆；

3)向吸波水泥浆中加入步骤1)中经预处理的吸波功能陶粒，搅拌1～3min，得所述的电磁吸波混凝土；将电磁吸波混凝土倒入模具中振动成型，进行标准养护，得电磁吸波混凝土试件。

上述方案中，所述的标准养护步骤为：首先在养护室中养护24h脱模，然后在温度为20±2℃、湿度为90％的条件下养护28d。

本发明的有益效果是：

1)在混凝土中同时加入吸波功能陶粒和吸波水泥浆形成复相吸波组分，改变了传统电磁吸波混凝土中仅仅将吸波剂掺加在占混凝土体积30％左右的水泥浆体中，且分布不均匀的状况，并增加了混凝土对电磁波的空间作用区域。

2)吸波剂在混凝土中的允许掺量和种类增加(除水泥浆体中掺入部分外，大量固溶于吸波功能陶粒集料中)，使混凝土对电磁波的敏感性和作用频段可调性增强。

3)强度性能优良，制得的电磁吸波混凝土其抗压强度可达60MPa，具备结构承载能力，改变传统电磁吸波混凝土强度低、通常用于建筑物面层，难以独立发挥结构承载作用的弊端。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅 局限于下面的实施例。

以下实施例中，如无具体说明，采用的试剂均为市售化学试剂。

所述的粘土为取自土壤的粘土烘干至水分含量≤4％(质量)，破碎后粉磨至粒径≤0.15mm的粘土粉体。

所述的水泥为42.5#普通硅酸盐水泥；锰锌铁氧体粒径约为74μm；纳米二氧化钛为锐钛矿型，平均粒径为10nm。

以下实施例中，根据GJB 2038A-2011《雷达吸波材料反射率测试方法》测试所得电磁吸波混凝土试件的反射率，根据GB/T 50081-2011《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试所得电磁吸波混凝土试件的抗压强度。根据GBT 17431-2010《轻集料及其试验方法》对吸波功能陶粒的筒压强度进行测试。

实施例1

一种电磁吸波混凝土，吸波功能陶粒(集料)和吸波水泥浆所占体积百分比分别为40％和60％；其中锰锌铁氧体粉(吸波剂)占吸波水泥浆体积的百分数为15％，其制备方法包括以下步骤：

1)吸波功能陶粒的制备：将粘土、二氧化钛、碳酸镁和硫酸钠分别以60％、30％、5％和5％的质量百分比进行称量，并依次进行混合、造粒、烧制(以20℃/min的速率升温至1280℃，恒温煅烧10min，随炉冷却至室温)，得吸波功能陶粒，其筒压强度为7.3MPa，粒径为2～5mm，表观密度为1.45g/cm³。

2)吸波功能陶粒的预处理：根据吸波功能陶粒的体积掺量和吸波功能陶粒的表观密度计算所述吸波功能陶粒的质量并称量，然后置于水中浸泡12h，取出后晾干至饱和面干状态，备用；

3)吸波水泥浆的配制：根据吸波水泥浆的体积掺量确定吸波剂和水泥浆的体积掺量，其中吸波剂占吸波水泥浆体积的15％，将水泥和水在砂浆搅拌机中搅拌2min，控制水灰比为0.3，得水泥浆，然后将锰锌铁氧体粉加入水泥浆中继续搅拌10min，得吸波水泥浆；

4)向吸波水泥浆中加入准步骤2)中经预处理的吸波功能陶粒，搅拌2min，得电磁吸波混凝土；然后倒入截面为180mm×180mm×30mm的模具振动成型；

5)养护：将步骤4)所得成型试块进行标准养护，具体步骤为：首先在养护室中养护24h脱模，然后在温度为20±2℃、湿度为90％的条件下养护28d，得电磁吸波混凝土试件。

将本实施例制得的电磁吸波混凝土试件反射率和力学性能测试，结果见表1。

表1实施例1制得电磁吸波混凝土试件的主要性能指标

表1说明本实施例制得的电磁吸波混凝土吸波效能高、有效吸收频段宽，力学性能好。

实施例2

一种电磁吸波混凝土，吸波功能陶粒(集料)和吸波水泥浆所占体积百分比分别为70％和30％；其中纳米二氧化钛(吸波剂)占吸波水泥浆体积的百分数为3％，其制备方法包括以下步骤：

1)吸波功能陶粒的制备：将粘土、二氧化钛、碳酸镁和硫酸钠分别以85％、10％、3％和2％的质量百分比进行称量，并依次进行混合、造粒、烧制(以5℃/min的速率升温至1120℃，恒温煅烧45min，随炉冷却至室温)，得吸波功能陶粒，其筒压强度为9.8MPa，粒径5～10mm，表观密度为1.37g/cm³。

2)吸波功能陶粒的预处理：根据吸波功能陶粒的体积掺量和吸波功能陶粒的表观密度计算所述吸波功能陶粒的质量并称量，然后置于水中浸泡18h，取出后晾干至饱和面干状态，备用；

3)吸波水泥浆的配制：根据吸波水泥浆的体积掺量确定吸波剂和水泥浆的体积掺量，其中吸波剂占吸波水泥浆体积的3％，将水泥和水在砂浆搅拌机中搅拌2min，控制水灰比为0.45，得水泥浆，然后纳米二氧化钛加入水泥浆中继续搅拌8min，得吸波水泥浆；

4)向吸波水泥浆中加入准步骤2)中经预处理的吸波功能陶粒，搅拌3min，得电磁吸波混凝土；然后倒入截面为180mm×180mm×30mm的模具振动成型；

5)养护：将步骤4)所得成型试块进行标准养护，具体步骤为：首先在养护室中养护24h脱模，然后在温度为20±2℃、湿度为90％的条件下养护28d，得电磁吸波混凝土试件。

将本实施例制得的电磁吸波混凝土试件反射率和力学性能测试，结果见表2。

表2实施例2制得电磁吸波混凝土试件的主要性能指标

表2说明本实施例制得的电磁吸波混凝土吸波效能高、有效吸收频段宽，力学性能好。

实施例3

一种电磁吸波混凝土，吸波功能陶粒(集料)和吸波水泥浆所占体积百分比分别为50％和50％；其中高结构碳黑(吸波剂)占吸波水泥浆体积的百分数为8％，其制备方法包括以下步骤：

1)吸波功能陶粒的制备：将粘土、二氧化钛、碳酸镁和硫酸钠分别以77％、20％、2％和1％的质量百分比进行称量，并依次进行混合、造粒、烧制(以10℃/min的速率升温至1200℃，恒温煅烧30min，随炉冷却至室温)，得吸波功能陶粒，其筒压强度为9.9MPa，粒径8～12mm，表观密度为1.42g/cm³。

2)吸波功能陶粒的预处理：根据吸波功能陶粒的体积掺量和吸波功能陶粒的表观密度计算所 述吸波功能陶粒的质量并称量，然后置于水中浸泡24h，取出后晾干至饱和面干状态，备用；

3)吸波水泥浆的配制：根据吸波水泥浆的体积掺量确定吸波剂和水泥浆的体积掺量，其中吸波剂占吸波水泥浆体积的8％，将水泥和水在砂浆搅拌机中搅拌3min，控制水灰比为0.4，得水泥浆，然后将高结构碳黑加入水泥浆中继续搅拌5min，得吸波水泥浆；

4)向吸波水泥浆中加入准步骤2)中经预处理的吸波功能陶粒，搅拌2min，得电磁吸波混凝土；然后倒入截面为180mm×180mm×30mm的模具振动成型；

5)养护：将步骤4)所得成型试块进行标准养护，具体步骤为：首先在养护室中养护24h脱模，然后在温度为20±2℃、湿度为90％的条件下养护28d，得电磁吸波混凝土试件。

将本实施例制得的电磁吸波混凝土试件反射率和力学性能测试，结果见表3。

表3实施例3制得电磁吸波混凝土试件的主要性能指标

表3说明本实施例制得的电磁吸波混凝土吸波效能高、有效吸收频段宽，力学性能好。

上述结果表明：本发明创新性地将吸波功能陶粒引入混凝土中作为功能集料，将吸波功能组分(吸波剂和吸波功能陶粒中的吸波组分)分布区域由仅占混凝土体积1/3左右的水泥浆体拓宽到混凝土全体积，使制备的电磁吸波混凝土的吸波效能明显、作用频段宽，同时力学强度高，可实现吸波功能和结构功能一体化。

本发明所列举的各原料都能实现本发明，以及各原料的上下限取值、区间值都能实现本发明，本发明的工艺参数(如搅拌时间、养护温度等)的上下限取值以及区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

Claims (5)

1.一种电磁吸波混凝土，其特征在于，以吸波功能陶粒和吸波水泥浆为原料，各原料所占体积百分数为：吸波功能陶粒30～70％，吸波水泥浆30～70％；

所述吸波功能陶粒以粘土、二氧化钛、碳酸镁和硫酸钠为原料，各原料所占质量百分比为：粘土58～89％，二氧化钛8～32％，碳酸镁2～5％，硫酸钠1～5％；具体制备步骤如下：将各原料按所占质量百分比进行称量、混合、造粒得球状胚体，然后将球状胚体置于高温炉中，以5～20℃/min的速率升温至1100～1300℃，恒温煅烧10～50min，冷却得所述吸波功能陶粒。

2.根据权利要求1所述的电磁吸波混凝土，其特征在于，所述吸波水泥浆由吸波剂和水泥浆混合而成，其中吸波剂占吸波水泥浆体积的3～15％；水泥浆由水和水泥以0.3～0.45的水灰比混合而成。

3.根据权利要求2所述的电磁吸波混凝土，其特征在于，所述吸波剂为纳米二氧化钛、锰锌铁氧体、镍锌铁氧体、高结构炭黑、碳纳米管中的一种或几种按任意比例混合。

4.根据权利要求1～3任一项所述的电磁吸波混凝土，其特征在于，所述电磁吸波混凝土在8～18GHz频段的最大反射率为-11.1～-14.5dB，8～18GHz反射率＜-10dB的频段宽度为5.9～6.7dB；28d抗压强度达30～60MPa。

5.权利要求1～3任一项所述的电磁吸波混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)吸波功能陶粒预处理：按以下体积百分比确定吸波功能陶粒和吸波水泥浆的体积掺量：吸波功能陶粒30～70％，吸波水泥浆30～70％，然后根据吸波功能陶粒的体积掺量和吸波功能陶粒的表观密度计算所述吸波功能陶粒的质量并称量，将称量好的吸波功能陶粒置于水中浸泡12～24h，取出后晾干至饱和面干状态备用；

2)吸波水泥浆的配制：根据吸波水泥浆的体积掺量确定吸波剂和水泥浆的体积掺量，其中吸波剂占吸波水泥浆体积的3～15％；将水和水泥以0.3～0.45的水灰比进行混合，得水泥浆；将水泥浆置于搅拌机中搅拌2～5min，然后加入吸波剂继续搅拌5～10min，得吸波水泥浆；

3)向吸波水泥浆中加入步骤1)中经预处理的吸波功能陶粒，搅拌1～3min，得所述的电磁吸波混凝土；将电磁吸波混凝土倒入模具中振动成型，进行标准养护，得电磁吸波混凝土试件。