CN108046677A - 一种改性碳纳米管混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改性碳纳米管混凝土及其制备方法。结合碳纳米管混凝土材料的国际前沿研究理念,提出对碳纳米管进行等离子体表面处理,在不损伤碳纳米管表面结构的基础上提高其表面亲水性,同时改善其在水泥基材料中的分散性,并且研究不同掺量的等离子体改性碳纳米管(P‑CNT)对混凝土的力学性能影响,从而得出一种性能优异的改性碳纳米管混凝土及其制备方法。

Description

一种改性碳纳米管混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土领域,具体涉及一种改性碳纳米管混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土一般是由胶凝材料、粗、细骨料、水及其他材料,按适当比例配制并硬化而成的具有所需的形体、强度和耐久性的人造石材。混凝土是当今世界上用量最大的人造材料,但是混凝土存在自重大、比强度小、抗拉强度低,变形能力差和易开裂等缺点。并且,选用混凝土材料的不确定性、设计混凝土结构的多样性以及混凝土施工及现场养护的复杂性等,较易引起混凝土裂缝的产生,从而影响整个建筑结构的强度。为此,进入21世纪以来,混凝土的技术性能也在快速地发展,众多研究学者考虑在混凝土中掺入纤维材料来改善混凝土的性能。其中,纳米纤维材料具备众多优越性能,越来越被研究人员所关注。
1991年日本电镜专家Iijima报道发现碳纳米管(CNT)纤维这一开创性的成果,激起了材料学界、物理化学界甚至军界商界的强烈兴趣。试验表明:碳纳米管的抗拉强度超过50GPa,超过钢的100倍,而密度只有钢的1/6,具备优越的物理性能,并且碳纳米管的延伸率可达到20%,长径比可达到500~1000,可作为复合材料理想的增强体。碳纳米管的发现无疑是为人们在改善混凝土材料性能上提供了一种更有效的方法,其优良性能对研究碳纳米管材料在混凝土复合材料中的应用给予强有力的理论技术支持.
但是碳纳米管表面结构呈现惰性,其自身具有较高的化学稳定性,与其他溶剂的相互作用较弱,表面缺陷少,缺乏活性基团,所以难溶于水及各种溶剂,同时颗粒之间有较强的范德华力,使其极易形成团聚或缠绕,很容易产生集聚。碳纳米管在基体中的分散性差或与基体的粘结力较差,导致复合材料的性能与预期相去甚远。要发挥碳纳米管优异性能使其广泛应用,如何均匀稳定地分散碳纳米管是亟需解决的关键性问题。
发明内容
基于上述现有技术的缺陷,本发明结合碳纳米管混凝土材料的国际前沿研究理念,提出对碳纳米管进行等离子体表面处理,在不损伤碳纳米管表面结构的基础上提高其表面亲水性,同时改善其在水泥基材料中的分散性,并且研究不同掺量的等离子体改性碳纳米管(P-CNT)对混凝土的力学性能影响,从而得出一种性能优异的改性碳纳米管混凝土及其制备方法。本发明采用如下的技术方案:
一种改性碳纳米管混凝土,其特征在于,包含水泥、黄沙、石子、水、改性碳纳米管,所述黄沙细度模数为2,粒径级别在2mm左右;所述混凝土的水灰比为0.35~0.45,所述混凝土的沙率为0.3~0.4;所述混凝土还包括0.1%~0.5%的改性碳纳米管,所述碳纳米管的管径为50-90纳米,所述碳纳米管的长度为5-10微米。
进一步地,所述改性碳纳米管为等离子体处理的碳纳米管。
进一步地,所述改性碳纳米管经过等离子体处理后,在其表面嫁接了亲水基团。
进一步地,所述改性碳纳米管的制备过程如下:取管径为50-90纳米、长度为5-10微米的碳纳米管,在低温下,经过氧等离子体对上述碳纳米管进行表面处理,得到可迅速分散于水中的改性碳纳米管。
进一步地,所述等离子体处理的碳纳米管的含量为0.1%~0.5%,优选为0.2%~0.4%。
一种改性碳纳米管混凝土的制备方法,包含如下制备步骤:
1)先将一定比例的砂石和水泥倒入拌合桶中,搅拌混合均匀;
2)加入所需加水量的一半,并按比例加入改性碳纳米管,搅拌混合均匀;
3)加入所需加水量的余下一半,再次搅拌,再次混合均匀,即得拌合好的改性碳纳米管混凝土;
4)选择内表面光滑平整、脱模孔洞完好的试模,以防后期浇筑拌合物漏浆、试件表面凹凸不平等现象,将试模清洗干净后在试模内涂上矿物油脂便于脱模,并在模具底部放一张白纸;
5)将拌合好的混凝土倒入试模中,放置在混凝土振动台上,振动一定时间,待振动完成后将试件表面用抹刀抹平,迅速盖上塑料薄膜防止水分蒸发;
6)24h后脱模取样,得到改性碳纳米管混凝土试件。
本发明所获得的有益技术效果如下:
(1)碳纳米管经过等离子体处理后,在其表面嫁接了亲水基团,对比未处理碳纳米管,等离子体碳纳米管在水中具备良好的分散性。
(2)等离子体碳纳米管(P-CNT)的掺入能够显著地改善混凝土的抗压强度和抗裂强度。
(3)经多次反复搅拌混凝土,总结得到了既能兼顾效率,又能保证混凝土拌合品质的工艺流程。
综上所述,本发明的等离子体碳纳米管复合混凝土,显著地改善混凝土的抗压强度和抗裂强度,达到了良好的抗压和抗裂的技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1素混凝土试块抗压破坏实验结果图
图2 P-CNT混凝土试块抗压破坏实验结果图
图3素混凝土试块抗裂破坏实验结果图
图4 P-CNT混凝土试块抗裂破坏实验结果图
图5碳纳米管掺量对抗压强度的影响数据走势图
图6碳纳米管掺量对抗压强度的影响数据走势图
图7碳纳米管掺量对抗裂强度的影响数据走势图
图8碳纳米管掺量对抗裂强度的影响数据走势图
具体实施方式
以下将参照附图1、2,通过实施例方式详细地描述本发明提供的系统及其工作方法。在此需要说明的是,对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明,但并不构成对本发明的限定。
一种改性碳纳米管混凝土,其特征在于,包含水泥、黄沙、石子、水、改性碳纳米管,所述黄沙细度模数为2,粒径级别在2mm左右;所述混凝土的水灰比为0.35~0.45,所述混凝土的沙率为0.3~0.4;所述混凝土还包括0.1%~0.5%的改性碳纳米管,所述碳纳米管的管径为50-90纳米,所述碳纳米管的长度为5-10微米。
进一步地,所述改性碳纳米管为等离子体处理的碳纳米管。
进一步地,所述改性碳纳米管经过等离子体处理后,在其表面嫁接了亲水基团。
进一步地,所述改性碳纳米管的制备过程如下:取管径为50-90纳米、长度为5-10微米的碳纳米管,在低温下,经过氧等离子体对上述碳纳米管进行表面处理,得到可迅速分散于水中的改性碳纳米管。
进一步地,所述等离子体处理的碳纳米管的含量为0.1%~0.5%,优选为0.2%~0.4%。
在一个实施例中,碳纳米管的主要参数如表1所示:
表1碳纳米管主要物理参数
纤维名称 管径/nm 长度/μm 碳相对含量/% 体电阻率/mΩcm
碳纳米管(CNT) 50-90 5-10 ≥96% 30.72
在一个实施例中,混凝土的配比如表2所示:
表2混凝土配合比设计(Kg/m3)
水泥 砂子 石子 砂率 水灰比
485 619 1091 205 36% 42%
在一个实施例中,等离子体改性碳纳米管混凝土的制备方法,包含如下制备步骤:
1)先将一定比例的砂石和水泥倒入拌合桶中,搅拌混合均匀,搅拌1-3分钟;
2)加入所需加水量的一半,并按比例加入改性碳纳米管,搅拌混合均匀,搅拌1-3分钟;
3)加入所需加水量的余下一半,再次搅拌,再次混合均匀,搅拌1-3分钟,即得拌合好的改性碳纳米管混凝土;
4)试件制备前,检查试模的质量,选择内表面光滑平整、脱模孔洞完好的试模,以防后期浇筑拌合物漏浆、试件表面凹凸不平等现象。将试模清洗干净后在试模内涂上矿物油脂便于脱模,并在模具底部放一张白纸;
5)试件制作过程中注意将拌好的集料一次装模,将拌合好的混凝土倒入试模中,放置在混凝土振动台上,振动30秒以上,待振动完成后将试件表面用抹刀抹平,迅速盖上塑料薄膜防止水分蒸发;
6)24h后脱模取样,得到改性碳纳米管混凝土试件。
在一个实施例中,我们对不同改性碳纳米管(P-CNT)含量的混凝土,以及不同含量未改性碳纳米管混凝土的力学参数进行了测试。试件采用0.4的水灰比,分别制备不同掺量(占水泥质量的百分比)的等离子改性碳纳米管(P-CNT)/混凝土复合材料。其中P-CNT掺量分别为:0.0%、0.05%、0.1%、0.3%、0.5%、1%,CNT掺量为:0.5%、1%。
表3试件数量及编号
如表3所示,YPT-等离子体碳纳米管混凝土抗压试验试件,YT-未改性碳纳米管混凝土抗压试验试件,LPT-等离子体碳纳米管混凝土抗裂试验试件,LT-未改性碳纳米管混凝土抗裂试验试件。试件编号后的数字即为CNT掺量,0.05-掺量为0.05%,以此类推。
图1、2为同等条件下,素混凝土试块、P-CNT混凝土试块的抗压破坏实验结果图图3、4为同等条件下,素混凝土试块、0.05%的P-CNT混凝土试块抗裂破坏实验结果图。
表4力学试验数据
由表4及图5、7可知,P-CNT的掺入能够显著地改善混凝土的抗压强度和抗裂强度,随着等离子体碳纳米管掺量的增加,P-CNT混凝土的立方体抗压强度和抗裂也逐渐增加,但是当掺量达到0.3%时,混凝土抗压强度和抗裂强度达到最大值,随之呈现下降的趋势,整体表现出先扬后抑的过程。
0.05%、0.1%、0.3%、0.5%、1%掺量的P-CNT混凝土立方体抗压强度较普通混凝土分别提高3.6%、4.7%、5.8%、4.7%、1.4%。
0.05%、0.1%、0.3%、0.5%、1%掺量的P-CNT混凝土立方体抗裂强度较普通混凝土分别提高8.2%、9.6%、13.5%、9.6%、9.2%。
由表4及图6、8可知,P-CNT掺量在0.3%~1%时,抗压强度在逐减,抗裂强度先降低后趋于平缓,说明掺入的P-CNT存在过量,多余的P-CNT无法分散于其中,导致混凝土的抗压强度及抗裂强度降低。
由图5、7可知,掺入未处理的碳纳米管时,相比于普通混凝土,当CNT掺量为0.5%时混凝土的抗压强度有些许的降低,但其抗裂强度提高了7.9%。特别当掺入量达到1%时,混凝土抗压强度下降了8.3%。这是由于未处理的碳纳米管在水中不能充分分散,容易形成团聚现象,从而影响混凝土的抗压强度。这一点,可以从上一章碳纳米管的分散性中明显看出,其分散性确实较差。当掺量同为0.5%和1%时,P-CNT混凝土的抗压强度比CNT混凝土的抗压强度分别高出5.7%和10.5%。当掺量为0.5%时,P-CNT混凝土的抗裂强度相比CNT混凝土的抗裂强度没有明显提高。当掺量为1%时,抗裂强度提高了11%。
分散良好的P-CNT在混凝土中可减少因水泥基体收缩而引发的微裂纹并缩小其尺寸,P-CNT的桥联及pulling-out效应将延缓并阻止基体中微裂纹的扩展,从而达到增韧效果。
而且由于P-CNT能与水泥水化产物反应,使得碳纳米管与水泥石界面的作用力主要是化学作用力,此界面性能较好,相应的碳纳米管混凝土材料的宏观力学性能也有较大的改善。
但这其中存在一个临界值,由图5-8可知当P-CNT掺量超过0.3%,继续掺入碳纳米管,复合材料的抗压强度、抗裂强度不断下降。分析原因在于碳纳米管经过等离子体处理后,当等离子体碳纳米管掺量较少时,混合液中有充分的空间使其分散,其不易发生团聚现象,从而在混凝土分布较均匀。
由此可见,合适掺量的等离子体碳纳米管能够均匀分散在混凝土材料中,并且能充分发挥“完美纤维”碳纳米管对混凝土的改良作用。
以上为本发明技术方案的实施例及试验所测试结果,对于本领域的技术人员而言,在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和工艺参数变更均落入本发明的保护范围内。限于篇幅,本发明中未展开叙述的技术均采用现有技术,不再赘述。

Claims (6)

1.一种改性碳纳米管混凝土,其特征在于,包含水泥、黄沙、石子、水、改性碳纳米管,所述黄沙细度模数为2,粒径级别在2mm左右;所述混凝土的水灰比为0.35~0.45,所述混凝土的沙率为0.3~0.4;所述混凝土还包括0.1%~0.5%的改性碳纳米管,所述碳纳米管的管径为50-90纳米,所述碳纳米管的长度为5-10微米。
2.一种如权利要求1所述的改性碳纳米管混凝土,其特征在于,所述改性碳纳米管为等离子体处理的碳纳米管。
3.一种如权利要求1所述的改性碳纳米管混凝土,其特征在于,所述改性碳纳米管经过等离子体处理后,在其表面嫁接了亲水基团。
4.一种如权利要求1所述的改性碳纳米管混凝土,其特征在于,所述改性碳纳米管的制备过程如下:取管径为50-90纳米、长度为5-10微米的碳纳米管,在低温下,经过氧等离子体对上述碳纳米管进行表面处理,得到可迅速分散于水中的改性碳纳米管。
5.一种如权利要求4所述的改性碳纳米管混凝土,其特征在于,所述等离子体处理的碳纳米管的含量优选为0.2%~0.4%。
6.一种如权利要求5所述的改性碳纳米管混凝土的制备方法,其特征在于,包含如下制备步骤:
1)先将一定比例的砂石和水泥倒入拌合桶中,搅拌混合均匀;
2)加入所需加水量的一半,并按比例加入改性碳纳米管,搅拌混合均匀;
3)加入所需加水量的余下一半,再次搅拌,再次混合均匀,即得拌合好的改性碳纳米管混凝土;
4)选择内表面光滑平整、脱模孔洞完好的试模,以防后期浇筑拌合物漏浆、试件表面凹凸不平等现象,将试模清洗干净后在试模内涂上矿物油脂便于脱模,并在模具底部放一张白纸;
5)将拌合好的混凝土倒入试模中,放置在混凝土振动台上,振动一定时间,待振动完成后将试件表面用抹刀抹平,迅速盖上塑料薄膜防止水分蒸发;
6)24h后脱模取样,得到改性碳纳米管混凝土试件。
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