CN108439918A - 一种采用稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯为掺合料制备的高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

一种采用稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯为掺合料制备的高性能混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯为掺合料制备的高性能混凝土及其制备方法。所述每立方米混凝土包括以下重量份数的原料：水泥600～720份，掺合料50～100份，粗骨料850～1000份，细骨料550～650份，水90～130份，减水剂13～25份，其中掺合料为稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯以质量比为2～10︰2～10︰0.001～0.01组成。本发明采用稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯作为掺合料，三种掺合料原料之间相互激发，不仅可以提高混凝土的早期和后期强度，还能有效改善混凝土的微观裂纹，并且使得混凝土工作性能、力学性能得以提升。同时，本发明采用的掺合料既缓解了高强混凝土对硅灰及超细矿渣粉供应的压力，又提高了农业废弃物稻壳灰的利用率，符合可持续发展的需要。

Description

一种采用稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯为掺合料制备的高性能 混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，更具体地，涉及一种采用稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯为掺合料制备的高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
随着纳米科技的快速发展，石墨烯已成为科学界的研究热点，它们独特的结构和优异的性能可在抑制甚至阻止水泥浆体微裂纹的萌生、扩展方面发挥巨大作用，有效提升混凝土力学性能。
氧化石墨烯是由石墨经过氧化处理后再进行搅拌剥离或超声分散而得到的产物，作为氧化还原法制备石墨烯的中间产物，其表面的含氧官能团（如羧基、羟基、环氧基）使其具有极好的亲水性，能够在水溶性介质中均匀分散，并且氧化石墨烯是石墨烯的衍生物，同样具有优异的力学、热学等性能，加上其制备成本低，产量大的优点，得到了众多学者的青睐。近年来，已有一些文献表明，极少量氧化石墨烯的掺入可以提高水泥基材料力学性能、耐久性能，改善水泥基材料微观结构，具有很大的应用前景。但目前，氧化石墨烯对混凝土的影响研究寥寥无几，在超高强高性能混凝方面的研究更是少之又少。本专利深入系统地解决当前氧化石墨烯用于增强水泥基复合材料所存在的若干问题，为纳米技术改造传统混凝土材料的创新提供理论指导。众所周知，混凝土的脆性随着强度的增高而增大，强度越高越容易开裂。因此，氧化石墨烯改性超高强高性能混凝土究具有重要的实验意义和价值，有必要进行系统全面的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯为掺合料制备的高性能混凝土。本发明采用稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯作为掺合料，三者之间相互激发，发挥较好的协调效应，不仅可以提高混凝土的早期强度和后期强度，还能有效改善混凝土的微观裂纹，制备得到高强高性能的混凝土。
本发明的上述目的是通过以下方案予以实现的：
一种采用稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯为掺合料制备的高性能混凝土，每立方米混凝土包括以下重量份数的原料：水泥600～720份，掺合料50～100份，粗骨料850～1000份，细骨料550～650份，水90～130份，减水剂13～25份，其中掺合料为稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯以质量比为2～10︰2～10︰0.001～0.01组成。
氧化石墨烯是一种一维纳米材料，其长径比可高达1000：1以上，对抑制微裂纹扩展和形成发挥极大作用。
稻壳灰是我国资源极其丰富的农业废弃物，但其有着巨大的潜在价值。由于其化学活性可媲美硅灰，可代替或部分代替硅灰制备超高强混凝土。稻壳灰为多孔结构，导致其具有巨大比表面积，是硅灰的数倍。但是随着掺量的增加，稻壳灰巨大的比表面积使其吸附大量的水，导致流动性能降低。为保证流动性，则需要使用更多的水，不符合节能环保的出发点。
硅灰是一种表面光滑的球形颗粒，具有润滑作用和滚珠效应，其比表面积较稻壳灰小，所以硅灰的掺入虽吸附一部分水但流动性能降低不多。硅灰是一种球形颗粒，表面十分光滑，硅灰与稻壳灰复掺，能有效提高因稻壳灰巨大比表面积引起的需水量增大的问题，对改善水泥胶砂流动性能起到显著作用。并且硅灰与稻壳灰粒径不同，使级配更为合理，复掺稻壳灰、硅灰可以相互激发，协同改性水泥基材料力学性能。
氧化石墨烯（GO）具有超高的力学性能强度（130GPa），极薄的厚度（若干个碳原子）和极大的宽厚比，是一种强度超高的准二维平面材料（长宽可大至1-2个微米）。由于极薄，极小掺量的GO在水泥石中均匀分散，单位体积水泥石中就会分布有一定密度的GO薄片。这些薄片在水泥石中主要起到物理增强作用，而且这种物理增强作用主要体现在类似“盾牌”的阻裂效应。当水泥石中的微裂缝尖端前峰遇到GO片，裂缝会发生偏转，或迫使裂缝产生倾斜和扭曲。这种“盾牌”的阻裂效应在石墨烯-水泥体系的物理作用中占主导地位。正是此种“盾牌”效应，使得混凝土力学性能得到有效提升。
优选地，每立方米混凝土包括以下重量份数的原料：水泥600～650份，掺合料80～100份，粗骨料900～920份，细骨料600～620份，水110～120份，减水剂18～20份，其中掺合料为稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯以质量比为2～10︰2～10︰0.001～0.005组成。
优选地，每立方米混凝土包括以下重量份数的原料：水泥633.6份，掺合料85～87份，粗骨料913份，细骨料608.7份，水115.2份，减水剂19～20份，其中掺合料为稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯以质量比为10︰2︰0.005组成。
优选地，所述稻壳灰中纳米SiO2的含量超过总质量的90%。
优选地，所述氧化石墨烯的长径比在200～1000。
优选地，所述硅灰的颗粒尺寸为10～500nm。
优选地，所述粗骨料包括粒径大小为5～10mm爪米石和粒径大小为10～18mm花岗岩碎石。
本发明同时还保护所述采用稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯为掺合料制备的高性能混凝土的制备方法，所述方法包括如下步骤：
S1. 先将稻壳灰低温焚烧、粉碎，然后将稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯混合均匀；
S2. 然后将水泥、掺合料、粗骨料、细骨料、减水剂和水按照上述配方进行混合，即可制备得到高强高性能混凝土。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯作为掺合料，其中稻壳灰和硅灰原料廉价、易获取；三种掺合料原料之间相互激发，不仅可以提高混凝土的早期强度和后期强度，还能有效改善混凝土的微观裂纹，并且使得混凝土工作性能、力学性能得以提升。同时，本发明采用的掺合料既缓解了高强混凝土对硅灰及超细矿渣粉供应的压力，又提高了农业废弃物制备的稻壳灰为掺合料的效率，符合可持续发展的需要。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做出进一步地详细阐述，所述实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。
实施例1
1、采用稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯为掺合料制备的高性能混凝土的制备过程：
（1）复合掺合料的制备过程：将稻壳低温焚烧1h后，使用球磨机研磨1h，得到纳米SiO2含量达到90%以上的稻壳灰，将其与埃硅灰、氧化石墨烯混匀，即得复合掺合料。
（2）然后将水泥、掺合料、粗骨料、细骨料、减水剂和水按照特定的配比进行混合，即可制备得到高强高性能混凝土。
所用氧化石墨烯（GO）采用苏州碳丰科技有限公司（苏碳）的氧化石墨烯水溶液，详细信息见表1；所用硅灰购自埃肯国际贸易（上海）有限公司、型号为920U、水泥购自广州市珠江水泥有限公司，为金羊牌P.II.525R水泥；细集料为广州越秀区水洗海砂,细度模数为2.46,中砂,级配曲线为2区 ；粗集料为惠州博罗石场产的5～10mm爪米石（C.A1)和10～18mm花岗岩碎石（C.A2）；减水剂购自广州西卡建筑材料有限公司，为Viscocrete3301-40型聚羧酸高性能减水剂，含固量40%。
稻壳灰（RHA）和硅灰的（SF）化学成分见表2所示。
表1 苏碳氧化石墨烯溶液技术指标
表2 稻壳灰（RHA）和硅灰的（SF）的化学成分
其中稻壳灰和硅灰种SiO2的含量均在90%（wt）以上。
2、以稻壳灰和硅灰为复合掺合料制备混凝土
按照表3中的配方制备混凝土，并检测制备得到的混凝土的性能，以测试稻壳灰、硅灰作为复合掺合料对混凝土性能的影响。混凝土性能检测结果见表4所示。
表3 以稻壳灰和硅灰为复合掺合料制备混凝土的配方
表4 以稻壳灰和硅灰为复合掺合料对混凝土力学性能及工作性能的影响结果
如表4所示，稻壳灰和硅灰的掺入会导致混凝土工作性能降低，与稻壳灰和硅灰的掺入对水泥胶砂流动度影响结果基本一致。当硅灰的掺量站总的胶凝材料质量的10%时，混凝土在坍落度最大，与基准组持平。稻壳灰混凝土随着稻壳灰掺量的掺加呈下降趋势，当稻壳灰掺量为10%、15%时，坍落度下降至220mm。对比单掺10%稻壳灰，10%稻壳灰复掺2%硅灰时，坍落度不降反增至225mm。随着复掺中硅灰比例的增加，混凝土坍落度逐渐增大。6%稻壳灰+6%硅灰复掺时，坍落度增至230mm。对比单掺10%硅灰，2%稻壳灰+10%硅灰复掺时，坍落度不降反增至235mm。由此可知，稻壳灰与硅灰具有极好的协同效应，二者复掺可极大改善混凝土工作性能，且10%硅灰+2%稻壳灰复掺对混凝土工作性能起到显著提升作用。
如表4所示，各个龄期下，单掺稻壳灰、硅灰和稻壳灰+硅灰均复掺能提高混凝土力学性能，且稻壳灰+硅灰复掺对混凝土强度提升更大。3d龄期时，单掺硅灰最佳掺量为5%，混凝土抗压强度达到62.67MPa；单掺稻壳灰最佳掺量为10%，混凝土抗压强度达到61.03MPa；最佳复掺比例为10%硅灰+2%稻壳灰，混凝土抗压强度达到63.83MPa。
7d龄期时，单掺硅灰最佳掺量为10%，混凝土抗压强度达到82.83MPa；单掺稻壳灰最佳掺量为5%，混凝土抗压强度达到80.2MPa；最佳复掺比例为10%硅灰+2%稻壳灰，混凝土抗压强度达到85.69MPa。
28d龄期时，单掺硅灰最佳掺量为10%，混凝土抗压强度达到101.74MPa；单掺稻壳灰最佳掺量为5%，混凝土抗压强度达到98.02MPa；最佳复掺比例为10%硅灰+2%稻壳灰，混凝土抗压强度达到109.39MPa。可以看出，10%硅灰+2%稻壳灰复掺对混凝土各龄期抗压强度提升效果最为显著。这是因为，硅灰表面光滑，呈圆形，具有滚珠效应。稻壳灰为多孔材料，可适量吸附水泥基材料中的水，使实际水胶比降低，力学性能增强。二者粒径不同，相互掺加可形成良好的级配，相互激发，对水泥基材料力学性能起到显著提升作用。
可以看出，10%硅灰+2%稻壳灰复掺对混凝土各龄期抗压强度提升效果最为显著。这是因为，硅灰表面光滑，呈圆形，具有滚珠效应。稻壳灰为多孔材料，可适量吸附水泥基材料中的水，使实际水胶比降低，力学性能增强。二者粒径不同，相互掺加可形成良好的级配，相互激发，对水泥基材料力学性能起到显著提升作用。
实施例2
在实施例1得到的试验结果的基础上，可知硅灰和稻壳灰复掺比例为10%SF+2%RHA时，协同改善水泥基材料各项性能效果最为优异，故采用10%SF+ 2%RHA复掺代替水泥作为基准组，在固定水胶比下，探究不同掺量氧化石墨烯（0%、0.001%、0.005%、0.01%）对超高强高性能混凝土的工作性能、力学性能的影响。
按照表5中的配方制备混凝土，所述混凝土的性能检测结果见表6所示。
表5 以稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯为复合掺合料制备高性能混凝土的配方
注：用水量需扣除GO水溶液中所含水
表6 稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯为复合掺合料制备的高性能混凝土的性能检测结果
如表6所示，随着GO掺入量的增多超高强混凝土坍落度呈现略微下降的趋势，但改变不大。在GO掺量增加至0.01%时，混凝土坍落度较基准组下降10mm，但仍达到230mm的坍落度，和易性好，可满足现代工程需求。GO的掺入对超高强混凝土力学性能改善显著。GO最佳掺量为0.005%时，3d、7d、28d龄期下超高强混凝土抗压强度较基准组分别提升19%、12%、11%。最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明及思路的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种采用稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯为掺合料制备的高性能混凝土，其特征在于，每立方米混凝土包括以下重量份数的原料：水泥600～720份，掺合料50～100份，粗骨料850～1000份，细骨料550～650份，水90～130份，减水剂13～25份，其中掺合料为稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯以质量比为2～10︰2～10︰0.001～0.01组成。
2.根据权利要求1所述采用稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯为掺合料制备的高性能混凝土，其特征在于，每立方米混凝土包括以下重量份数的原料：水泥600～650份，掺合料80～100份，粗骨料900～920份，细骨料600～620份，水110～120份，减水剂18～20份，其中掺合料为稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯以质量比为2～10︰2～10︰0.001～0.005组成。
3.根据权利要求2所述采用稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯为掺合料制备的高性能混凝土，其特征在于，每立方米混凝土包括以下重量份数的原料：水泥633.6份，掺合料85～87份，粗骨料913份，细骨料608.7份，水115.2份，减水剂19～20份，其中掺合料为稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯以质量比为10︰2︰0.005组成。
4.根据权利要求1～3任一所述采用稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯为掺合料制备的高性能混凝土，其特征在于，所述稻壳灰中纳米SiO2的含量超过总质量的90%。
5.根据权利要求1～3任一所述采用稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯为掺合料制备的高性能混凝土，其特征在于，所述氧化石墨烯的长径比在200～1000。
6.根据权利要求1～3任一所述采用稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯为掺合料制备的高性能混凝土，其特征在于，所述硅灰的颗粒尺寸为10～500nm。
7.根据权利要求1～3任一所述采用稻壳灰、硅灰和氧化石墨烯为掺合料制备的高性能混凝土，其特征在于，所述粗骨料包括粒径大小为5～10mm爪米石和粒径大小为10～18mm花岗岩碎石。
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