CN107235679A - 一种石墨烯增强透水砖及其制备方法 - Google Patents

一种石墨烯增强透水砖及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯增强透水砖，包括底层和面层两个部分，其特征在于：所述底层部分中，按重量份计，至少包括：水泥16～18份、细砂18～22份、石渣50～60份、水5～6.5份；所述面层部分中，按重量份计，至少包括：石英砂65～80份、水泥15～20份、水5～6.5份；且所述底层部分和面层部分均掺有石墨烯碳材，所述石墨烯碳材为石墨烯和氧化石墨烯。本发明将石墨烯处理后作为一种新型添加剂引入透水砖，其能够随着水均匀地分散在胶凝材料体系，石墨烯片层具有极大的比表面积和较大的刚性，加上片层之间的范德华力、片层与水泥颗粒的相互作用，可以很好地稳定胶凝体系，减少开裂、脱落等现象，增强胶凝体系的胶凝效果，进而提高了透水砖整体的强度。

Description

一种石墨烯增强透水砖及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种透水砖及其制备方法，特别涉及了一种经石墨烯增强透水砖及其制备方法。
背景技术
透水砖起源于荷兰，随着城市人口的增多，地下水资源日渐稀少，部分地区下陷进而引发海水倒灌，为了使雨水能及时补充地下水，荷兰人制造了一种100mm×200mm×60mm的小型路面砖铺设在街道路面上，并使砖与砖之间预留了2mm的缝隙，这样下雨时雨水会从砖之间的缝隙中渗入地下，这就是有名的荷兰砖。时间进入21世纪，国内城市化进程加快，众多城市面临着地下水枯竭的风险。为了实现城镇化与自然资源环境的协调发展，保护城市水生态系统，减少雨水灾害，开发雨水资源，海绵城市建设(又称为低影响开发，LID)作为新的城市建设理念被提出来。海绵城市能够像一块海绵一样，将雨水吸收储存，对其循环利用，并降低初期大流量雨水径流的污染，面对自然灾害和环境变化时能够弹性适应。然而，透水砖透水性与强度之间的矛盾始终无法很好的解决，现有技术如采用高强度水泥，采用烧结砂、钢渣、粉煤灰和黏土、陶瓷废料、废玻璃等新骨料，采用聚合物纤维等增强，采用高分子胶黏剂、选用高强度等级水泥等强化胶凝效果，这些方法都起到了一定改善强度的作用，但也出现了烧结过程能耗高、成本增加、返修率高等问题。
石墨烯是一种新型二维纳米碳材料，具有超薄的厚度、超硬的强度、极大的比表面积、高的热导率和优异的电学性能，最近几年随着制备工艺的不断进步，石墨烯逐渐进入人们的生活，在复合材料、有机高分子、无机建筑建材等领域已获得广泛关注和研究。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供一种石墨烯添加量小、性能更加优越的石墨烯增强透水砖；
本发明的另一目的是提供上述透水砖的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：
一种石墨烯增强透水砖，包括底层和面层两个部分，所述底层部分中，按重量份计，至少包括：水泥16～18份、细砂18～22份、石渣50～60份、水5～6.5份；所述面层部分中，按重量份计，至少包括：石英砂65～80份、水泥15～20份、水5～6.5份；且所述底层部分和面层部分均掺有石墨烯碳材，所述石墨烯碳材为石墨烯和氧化石墨烯。
本发明的一个方面，按照相对于水泥的质量分数计，所述底层部分中还掺有石墨烯碳材0.05～0.2％，所述面层部分中还掺有石墨烯碳材0.01～0.2％。
作为优选方案，上述的石墨烯增强透水砖，所述底层部分中，按质量百分比计，至少包括：石渣57.7份、细砂20份、水泥17份、水5.3份；所述面层部分中，至少包括：石英砂77.7份、水泥17份、水5.3份；其中，按照相对于水泥的质量分数计，所述底层部分中掺有石墨烯碳材0.05％，所述面层部分中还掺有石墨烯碳材0.1％。
优选地，所述石墨烯碳材为石墨烯和氧化石墨烯按1：4质量比的混合。
进一步优选的，所述底层和面层的厚度为11：1。
本发明的一个方面，所述水泥均为42.5级普通硅酸盐水泥。
本发明的一个方面，所述细砂粒径为200～500目的河砂或黄砂。
本发明的一个方面，所述石渣粒径为3～20mm的石米。
本发明的一个方面，所述石英砂为5～220目普通石英砂。
本发明的一个方面，氧化石墨烯是石墨经过改进Hummers法制得，碳含量为47±5wt％，石墨烯是该氧化石墨烯通过高温还原得到，D50≤10μm。
上述的石墨烯增强透水砖的制备方法，包括，
配制石墨烯碳材分散液；
制备面层；
制备底层；
压制；
养护。
优选地，所述配制石墨烯碳材分散液的方法为：
将石墨烯碳材加入含有其质量0.2％分散剂的水中，搅拌后超声分散，稀释成所需的石墨烯碳材分散液。
进一步优选的，所述石墨烯碳材分散液搅拌速度为240r/min，搅拌时间为10min，超声功率为300W，超声时间为5min。
进一步优选的，所述分散剂为高分子型表面活性剂。
上述方法的一个方面，制备面层的方法为：
按配比量将石英砂和水泥加入到搅拌机内预混1～2min，加入石墨烯碳材分散液，搅拌2～4min后使用面层加工机制得面层；
优选地，将石英砂和水泥加入到搅拌机内120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入石墨烯碳材分散液，继续搅拌3min后使用面层加工机制得面层。
上述方法的一个方面，制备底层的方法为：按配比量将石渣、细砂、水泥加入到搅拌机内预混1～2min，加入石墨烯碳材分散液，搅拌2～4min后使用底层加工机制得底层。
优选的，将石渣、细砂、水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入石墨烯碳材分散液，继续搅拌3min后使用底层加工机制得底层。
上述方法的一个方面，所述养护的方法为：压制成型的透水砖自然风干1～3天，再洒水覆盖养护20～30天。
本发明所制备的透水砖是由底层和面层压制而成。底层结构以石渣为骨架，水泥、石墨烯碳材和砂形成的胶凝层包裹于石渣表面,并将相邻石块紧密联结起来，骨架结构之外是相互连通的大孔隙,从而保证其具有优异的透水性和透气性。面层结构以石英砂为骨架，水泥和石墨烯碳材组成的胶凝结果包覆在石英砂表面，使得面层具有很高的强度。与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)石墨烯碳材掺量少，采用自然骨料，原料成本低。
(2)该制备方法工艺简单，便于操作，适合大规模生产。
(3)所得透水砖在保证透水性的同时，引入石墨烯碳材强化了胶凝效果，抗压强度提高了一个等级，有望应用于城市人行道和公园路面。
本发明产品将石墨烯处理后作为一种新型添加剂引入透水砖，其能够随着水均匀地分散在胶凝材料体系，石墨烯片层具有极大的比表面积和较大的刚性，加上片层之间的范德华力、片层与水泥颗粒的相互作用，可以很好地稳定胶凝体系，减少开裂、脱落等现象，增强胶凝体系的胶凝效果，进而提高了透水砖整体的强度。
本发明方法操作简单，石墨烯原材料成本低廉，环保无毒，适合大规模工业化制备，在未来海绵城市的建设方面具有较好的前景。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例分别从面层和底层水泥、石墨烯的添加量来举例说明。其中，实施例2为最佳实施例。还提供了5个对比例。并且对透水砖性能检测进行了对比的试验。具体如下。
实施例1:
(1)将0.34g高分子表面活性剂加入1kg水中，加入34g石墨烯和136g氧化石墨烯，240r/min速度下搅拌10min后以300W的功率超声5min，240r/min搅拌状态下加入25.5kg水，继续搅拌5min形成石墨烯碳材分散液。
(2)将159.4kg石英砂和30kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入5.3kg石墨烯碳材分散液和5.3kg水，继续搅拌3min后使用面层加工机制得面层。
(3)将115.4kg石渣、40kg细砂和34kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入2.65kg石墨烯碳材分散液和7.95kg水，继续搅拌3min后使用底层加工机制得底层。
(4)将制得的底层放入模槽，将面层放在底层上，然后使用制砖机压制成型。
(5)将成型的透水砖取出风干1天，洒水覆盖养护30天即可。
实施例2:最佳实施例
(1)将0.34g高分子表面活性剂加入1kg水中，加入34g石墨烯和136g氧化石墨烯，240r/min速度下搅拌10min后以300W的功率超声5min，240r/min搅拌状态下加入25.5kg水，继续搅拌5min形成石墨烯碳材分散液。
(2)将155.4kg石英砂和34kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入5.3kg石墨烯碳材分散液和5.3kg水，继续搅拌3min后使用面层加工机制得面层。
(3)将115.4kg石渣、40kg细砂和34kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入2.65kg石墨烯碳材分散液和7.95kg水，继续搅拌3min后使用底层加工机制得底层。
(4)将制得的底层放入模槽，将面层放在底层上，然后使用制砖机压制成型。
(5)将成型的透水砖取出风干1天，洒水覆盖养护30天即可。
实施例3:
(1)将0.34g高分子表面活性剂加入1kg水中，加入34g石墨烯和136g氧化石墨烯，240r/min速度下搅拌10min后以300W的功率超声5min，240r/min搅拌状态下加入25.5kg水，继续搅拌5min形成石墨烯碳材分散液。
(2)将149.4kg石英砂和40kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入5.3kg石墨烯碳材分散液和5.3kg水，继续搅拌3min后使用面层加工机制得面层。
(3)将115.4kg石渣、40kg细砂和34kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入2.65kg石墨烯碳材分散液和7.95kg水，继续搅拌3min后使用底层加工机制得底层。
(4)将制得的底层放入模槽，将面层放在底层上，然后使用制砖机压制成型。
(5)将成型的透水砖取出风干1天，洒水覆盖养护30天即可。
实施例4:
(1)将0.34g高分子表面活性剂加入1kg水中，加入34g石墨烯和136g氧化石墨烯，240r/min速度下搅拌10min后以300W的功率超声5min，240r/min搅拌状态下加入25.5kg水，继续搅拌5min形成石墨烯碳材分散液。
(2)将155.4kg石英砂和34kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入5.3kg石墨烯碳材分散液和5.3kg水，继续搅拌3min后使用面层加工机制得面层。
(3)将116.4kg石渣、41kg细砂和32kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入2.65kg石墨烯碳材分散液和7.95kg水，继续搅拌3min后使用底层加工机制得底层。
(4)将制得的底层放入模槽，将面层放在底层上，然后使用制砖机压制成型。
(5)将成型的透水砖取出风干1天，洒水覆盖养护30天即可。
实施例5:
(1)将0.34g高分子表面活性剂加入1kg水中，加入34g石墨烯和136g氧化石墨烯，240r/min速度下搅拌10min后以300W的功率超声5min，240r/min搅拌状态下加入25.5kg水，继续搅拌5min形成石墨烯碳材分散液。
(2)将155.4kg石英砂和34kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入5.3kg石墨烯碳材分散液和5.3kg水，继续搅拌3min后使用面层加工机制得面层。
(3)将113.4kg石渣、38kg细砂和38kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入2.65kg石墨烯碳材分散液和7.95kg水，继续搅拌3min后使用底层加工机制得底层。
(4)将制得的底层放入模槽，将面层放在底层上，然后使用制砖机压制成型。
(5)将成型的透水砖取出风干1天，洒水覆盖养护30天即可。
实施例6:
(1)将0.34g高分子表面活性剂加入1kg水中，加入34g石墨烯和136g氧化石墨烯，240r/min速度下搅拌10min后以300W的功率超声5min，240r/min搅拌状态下加入25.5kg水，继续搅拌5min形成石墨烯碳材分散液。
(2)将155.4kg石英砂和34kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入1.06kg石墨烯碳材分散液和9.54kg水，继续搅拌3min后使用面层加工机制得面层。
(3)将115.4kg石渣、40kg细砂和34kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入2.65kg石墨烯碳材分散液和7.95kg水，继续搅拌3min后使用底层加工机制得底层。
(4)将制得的底层放入模槽，将面层放在底层上，然后使用制砖机压制成型。
(5)将成型的透水砖取出风干1天，洒水覆盖养护30天即可。
实施例7:
(1)将0.34g高分子表面活性剂加入1kg水中，加入34g石墨烯和136g氧化石墨烯，240r/min速度下搅拌10min后以300W的功率超声5min，240r/min搅拌状态下加入25.5kg水，继续搅拌5min形成石墨烯碳材分散液。
(2)将155.4kg石英砂和34kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入2.65kg石墨烯碳材分散液和7.95kg水，继续搅拌3min后使用面层加工机制得面层。
(3)将115.4kg石渣、40kg细砂和34kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入2.65kg石墨烯碳材分散液和7.95kg水，继续搅拌3min后使用底层加工机制得底层。
(4)将制得的底层放入模槽，将面层放在底层上，然后使用制砖机压制成型。
(5)将成型的透水砖取出风干1天，洒水覆盖养护30天即可。
实施例8:
(1)将0.34g高分子表面活性剂加入1kg水中，加入34g石墨烯和136g氧化石墨烯，240r/min速度下搅拌10min后以300W的功率超声5min，240r/min搅拌状态下加入25.5kg水，继续搅拌5min形成石墨烯碳材分散液。
(2)将155.4kg石英砂和34kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入10.6kg石墨烯碳材分散液，继续搅拌3min后使用面层加工机制得面层。
(3)将115.4kg石渣、40kg细砂和34kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入5.3kg石墨烯碳材分散液和5.3kg水，继续搅拌3min后使用底层加工机制得底层。
(4)将制得的底层放入模槽，将面层放在底层上，然后使用制砖机压制成型。
(5)将成型的透水砖取出风干1天，洒水覆盖养护30天即可。
实施例9:
(1)将0.34g高分子表面活性剂加入1kg水中，加入34g石墨烯和136g氧化石墨烯，240r/min速度下搅拌10min后以300W的功率超声5min，240r/min搅拌状态下加入25.5kg水，继续搅拌5min形成石墨烯碳材分散液。
(2)将155.4kg石英砂和34kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入5.3kg石墨烯碳材分散液和5.3kg水，继续搅拌3min后使用面层加工机制得面层。
(3)将115.4kg石渣、40kg细砂和34kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入5.3kg石墨烯碳材分散液和5.3kg水，继续搅拌3min后使用底层加工机制得底层。
(4)将制得的底层放入模槽，将面层放在底层上，然后使用制砖机压制成型。
(5)将成型的透水砖取出风干1天，洒水覆盖养护30天即可。
实施例10:
(1)将0.34g高分子表面活性剂加入1kg水中，加入34g石墨烯和136g氧化石墨烯，240r/min速度下搅拌10min后以300W的功率超声5min，240r/min搅拌状态下加入25.5kg水，继续搅拌5min形成石墨烯碳材分散液。
(2)将155.4kg石英砂和34kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入5.3kg石墨烯碳材分散液和5.3kg水，继续搅拌3min后使用面层加工机制得面层。
(3)将115.4kg石渣、40kg细砂和34kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入10.6kg石墨烯碳材分散液，继续搅拌3min后使用底层加工机制得底层。
(4)将制得的底层放入模槽，将面层放在底层上，然后使用制砖机压制成型。
(5)将成型的透水砖取出风干1天，洒水覆盖养护30天即可。
对比例1
(1)将159.4kg石英砂和30kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入10.6kg水，继续搅拌3min后使用面层加工机制得面层。
(2)将115.4kg石渣、40kg细砂和34kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入10.6kg水，继续搅拌3min后使用底层加工机制得底层。
(3)将制得的底层放入模槽，将面层放在底层上，然后使用制砖机压制成型。
(4)将成型的透水砖取出风干1天，洒水覆盖养护30天即可。
对比例2
(1)将155.4kg石英砂和34kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入10.6kg水，继续搅拌3min后使用面层加工机制得面层。
(2)将115.4kg石渣、40kg细砂和34kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入10.6kg水，继续搅拌3min后使用底层加工机制得底层。
(3)将制得的底层放入模槽，将面层放在底层上，然后使用制砖机压制成型。
(4)将成型的透水砖取出风干1天，洒水覆盖养护30天即可。
对比例3
(1)将149.4kg石英砂和40kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入10.6kg水，继续搅拌3min后使用面层加工机制得面层。
(2)将115.4kg石渣、40kg细砂和34kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入10.6kg水，继续搅拌3min后使用底层加工机制得底层。
(3)将制得的底层放入模槽，将面层放在底层上，然后使用制砖机压制成型。
(4)将成型的透水砖取出风干1天，洒水覆盖养护30天即可。
对比例4
(1)将155.4kg石英砂和34kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入10.6kg水，继续搅拌3min后使用面层加工机制得面层。
(2)将116.4kg石渣、41kg细砂和32kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入10.6kg水，继续搅拌3min后使用底层加工机制得底层。
(3)将制得的底层放入模槽，将面层放在底层上，然后使用制砖机压制成型。
(4)将成型的透水砖取出风干1天，洒水覆盖养护30天即可。
对比例5
(1)将155.4kg石英砂和34kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入10.6kg水，继续搅拌3min后使用面层加工机制得面层。
(2)将113.4kg石渣、38kg细砂和38kg水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入10.6kg水，继续搅拌3min后使用底层加工机制得底层。
(3)将制得的底层放入模槽，将面层放在底层上，然后使用制砖机压制成型。
(4)将成型的透水砖取出风干1天，洒水覆盖养护30天即可。
表1石墨烯增强透水砖强度测试结果

Claims (11)

1.一种石墨烯增强透水砖，包括底层和面层两个部分，其特征在于：所述底层部分中，按重量份计，至少包括：水泥16～18份、细砂18～22份、石渣50～60份、水5～6.5份；所述面层部分中，按重量份计，至少包括：石英砂65～80份、水泥15～20份、水5～6.5份；且所述底层部分和面层部分均掺有石墨烯碳材，所述石墨烯碳材为石墨烯和氧化石墨烯。
2.根据权利要求1所述的石墨烯增强透水砖，其特征在于：按照相对于水泥的质量分数计，所述底层部分中还掺有石墨烯碳材0.05～0.2％，所述面层部分中还掺有石墨烯碳材0.01～0.2％。
3.根据权利要求2所述的石墨烯增强透水砖，其特征在于：所述底层部分中，按质量百分比计，至少包括：石渣57.7份、细砂20份、水泥17份、水5.3份；所述面层部分中，至少包括：石英砂77.7份、水泥17份、水5.3份；其中，按照相对于水泥的质量分数计，所述底层部分中掺有石墨烯碳材0.05％，所述面层部分中还掺有石墨烯碳材0.1％；
优选地，所述石墨烯碳材为石墨烯和氧化石墨烯按1：4质量比的混合。
4.根据权利要求1所述的石墨烯增强透水砖，其特征在于：所述底层和面层的厚度为11：1。
5.根据权利要求1所述的石墨烯增强透水砖，其特征在于：所述水泥均为42.5级普通硅酸盐水泥；
和/或，所述细砂粒径为200～500目的河砂或黄砂；
和/或，所述石渣粒径为3～20mm的石米；
和/或，所述石英砂为5～220目普通石英砂。
6.根据权利要求2所述的石墨烯增强透水砖，其特征在于：氧化石墨烯是石墨经过改进Hummers法制得，碳含量47±5wt％，石墨烯是该氧化石墨烯通过高温还原得到，D50≤10μm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的石墨烯增强透水砖的制备方法，其特征在于：包括，
配制石墨烯碳材分散液；
制备面层；
制备底层；
压制；
养护。
8.根据权利要求7所述的石墨烯增强透水砖的制备方法，其特征在于：所述配制石墨烯碳材分散液的方法为：
将石墨烯碳材加入含有其质量0.2％分散剂的水中，搅拌后超声分散，稀释成所需的石墨烯碳材分散液；
优选的，所述石墨烯碳材分散液搅拌速度为240r/min，搅拌时间为10min，超声功率为300W，超声时间为5min；
优选的，所述分散剂为高分子型表面活性剂。
9.根据权利要求7所述的石墨烯增强透水砖的制备方法，其特征在于：制备面层的方法为：
按配比量将石英砂和水泥加入到搅拌机内预混1～2min，加入石墨烯碳材分散液，搅拌2～4min后使用面层加工机制得面层；
优选地，将石英砂和水泥加入到搅拌机内120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入石墨烯碳材分散液，继续搅拌3min后使用面层加工机制得面层。
10.根据权利要求7所述的石墨烯增强透水砖的制备方法，其特征在于：制备底层的方法为：按配比量将石渣、细砂、水泥加入到搅拌机内预混1～2min，加入石墨烯碳材分散液，搅拌2～4min后使用底层加工机制得底层；
优选的，将石渣、细砂、水泥加入到搅拌机内，120r/min速度下预混1min，搅拌状态下加入氧化石墨烯碳材分散液，继续搅拌3min后使用底层加工机制得底层。
11.根据权利要求7所述的石墨烯增强透水砖的制备方法，其特征在于：所述养护的方法为：压制成型的透水砖自然风干1～3天，再洒水覆盖养护20～30天。
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