CN108514928B - 一种制备纳米材料改性水泥的分散磨 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备纳米材料改性水泥的分散磨，仓体由篦板分隔为混磨仓和集料仓，混磨仓的侧上部设置两个进料口，混磨仓中设搅拌器，混磨仓中设若干金属块。集料仓下半部为漏斗，漏斗底部为出料口。混磨仓能够有效实现纳米材料与水泥共同混磨，打破纳米矿粉聚团，实现纳米粒子和其他粉体充分均匀混合。使用中，集料仓下部出料口连接混凝土搅拌机，根据混凝土配合比和搅拌机工艺参数定时放出一定质量的复合材料，同时通过混磨仓的进料口按生产要求比例分别定时加入纳米材料与水泥，以实现与混凝土搅拌机连续生产作业。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备纳米改性水泥的设备，具体说是一种制备纳米材料改性水泥的分散磨，属于水泥和混凝土材料技术领域。
背景技术
提高水泥混凝土性能是21世纪水泥基混凝土材料研究的重点，而采用超细矿物对水泥混凝土改性是混凝土材料进化的主要途径之一。特别是伴随纳米技术研究和应用领域的深入，世界各国对超微细矿物粉体在水泥基材料中的应用研究也处于方兴未艾阶段。利用超微细粉体技术，特别是纳米技术对水泥的改性，将对进一步推动高性能水泥及高性能混凝土技术的发展具有实际意义。
由于纳米材料的尺寸小，呈现出传统材料不具备的奇异性质，同时它在物理和化学性质方面具有的诱人特征，使之成为现今材料科学研究领域的热点，被科学家们誉为21世纪最具有前途的材料。纳米材料独特的物理化学性能吸引了国内外土木工程领域科研工作者的关注，纳米材料逐步被引入水泥基材料中改善其物理力学性能。
目前，应用于混凝土研究中的纳米材料主要有纳米SiO2、纳米CaCO3、纳米粘土、纳米稻壳灰、碳纳米管和石墨烯等。研究表明，水泥混入纳米材料后应用于水泥基混凝土中，不仅可提高混凝土的密实度，更使得水泥浆体的结构和性能、水泥浆体与骨料的界面结构及性能均得到改善，从而提高混凝土的强度、耐久性、抗渗性等方面的性能，展现了纳米材料在未来混凝土材料改性中广阔的应用前景和良好的应用价值。
传统的方法都是向混凝土内掺加粉体材料来提高水泥混凝土性能，然而纳米粉体材料和传统的粉煤灰、矿渣等矿物掺合料不同，它的颗粒粒径比普通的矿物掺合料小了三个数量级。由于纳米粉体材料的尺度极小，表面能很高，颗粒团聚成为其固有的特性不可避免。如果不能消除纳米材料的团聚，纳米材料的优异性能则无法水泥基材料中充分发挥出来，而且团聚的纳米材料颗粒往往会形成混凝土中的缺陷，反而降低了混凝土的强度和耐久性。现有的高速长时间搅拌、超声波分散、表面活性剂分散等方法对减轻纳米材料的团聚程度起到了一定的效果，但这些方法都耗能较大，大大增加了水泥混凝土的生产成本，而且仍然无法使纳米粒子充分地分散均匀，致使纳米材料对水泥基材料改性的效果和人们对纳米材料的期望相距甚远。因此，找到一种经济、有效的纳米材料制备工艺和适用于应用到混凝土的纳米材料分散方法，进而得到一种相对完善的纳米改性混凝土制备技术，对利用纳米材料来提升混凝土的性能方面具有极大的意义。
我们前期的研究表明，将纳米材料与水泥或其他矿物掺合料等粉体混磨，通过钢球的碾压作用可以将纳米矿粉聚团打开，并通过搅拌作用使纳米材料在粉体材料中充分均匀分散，同时水泥等粉体作为物理分散剂可以将分散开的纳米颗粒隔离消除再次团聚，从而实现纳米粒子在水泥基材料中的充分均匀分散。由于水泥本身就是由水泥熟料、石膏和混合材混磨而成，基于以上研究，在磨制水泥的过程中掺入纳米材料似乎是解决纳米矿粉团聚的有效措施。但是目前水泥的粉磨一般采用闭路粉磨系统，分选机是闭路粉磨的必备设备。由于和水泥相比纳米材料较轻，在分选机对水泥颗粒进行分选时，分选机中的气流会率先将轻质纳米材料送至细粉出口，无法实现纳米材料与其他粉体共同混磨的目的。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种制备纳米材料改性水泥的分散磨，纳米材料与水泥共同混磨，可消除纳米矿粉聚团，保证改性水泥和混凝土的性能。
本发明一种制备纳米材料改性水泥的分散磨，包括仓体、搅拌器、电机和变速器。其特征在于，所述仓体由篦板分隔为混磨仓和集料仓，上部为混磨仓，下部为集料仓。
混磨仓的侧上部设置两个进料口，混磨仓顶盖中心处设轴承座，所述变速器设置在轴承座上方。所述搅拌器的搅拌轴通过轴承安装在轴承座上，搅拌轴与变速器动力输出轴连接，所述电机轴通过皮带轮组、链轮组或齿轮组方式与变速器动力输入轴连接。所述混磨仓中设若干金属块，可以是球体、圆柱体、方体、六面体、多面体或不规则的金属块体。
所述集料仓下半部为漏斗，漏斗底部为出料口。
所述蓖板为钢板，板面上均匀布设若干圆孔或长方形空隙。所述金属块的外径大于蓖板的圆孔直径或大于长方形空隙宽度。
本发明分散磨的使用方法：
1)确定性能参数：由纳米材料品种、性能决定纳米材料分散的最佳混磨时间T，根据混凝土配合比和搅拌机性能参数，确定搅拌机单锅物料中的水泥-纳米材料复合材料用量V2和搅拌时间t（即放料时间间隔），混磨仓中物料的的总体积为V1，
。
2）进料：通过进料口按生产要求比例分别加入总体积V1的纳米材料与水泥。
3）混磨：启动纳米材料分散磨混磨纳米材料与水泥，混磨时间为T，分散后复合材料穿过篦缝进入集料仓。
4）出料：在每隔t的时间点，将集料仓中V2体积的复合材料加入到搅拌机拌制混凝土。
5）进料：放料的同时，通过进料口按生产要求比例分别加入纳米材料与水泥,进料和出料的物料量均为V2，且保持同步。在搅拌机搅拌的同时，纳米材料分散磨继续分散纳米材料，以实现循环往复连续生产。
在水泥搅拌站水泥筒仓的旁边，增设本发明制备纳米材料改性水泥的分散磨，将本发明制备纳米材料改性水泥的分散磨置于搅拌站水泥筒仓和纳米材料筒仓与混凝土搅拌机之间。所述集料仓底部的出料口连接混凝土搅拌站工作系统的混凝土搅拌机。根据混凝土配合比和搅拌机工艺参数定时将混磨后一定质量的复合材料加入搅拌机，同时通过进料口加入同体积的纳米材料与水泥。在搅拌机搅拌混凝土的同时，纳米材料分散磨继续混磨纳米材料与水泥，以实现与混凝土搅拌机连续生产作业。
本发明分散磨相对于现有技术的有益效果：
（1）消除纳米聚团，使纳米粒子充分分散
本发明分散磨，通过金属块体的碾压作用可以将纳米矿粉聚团打开，并通过搅拌作用使纳米材料在粉体材料中充分均匀分散，同时水泥等粉体作为物理分散剂可以将分散开的纳米颗粒隔离消除再次团聚，从而实现纳米粒子在水泥基材料中的充分均匀分散。克服混凝土中掺入纳米矿粉材料团聚严重、难以分散的难题。
（2）混凝土性能全面提升
分散磨使纳米粒子在水泥中充分分散，从而使纳米材料的优异性能在水泥基材料中充分发挥出来，混凝土的工作性、力学强度和耐久性能全面提升。
（3）耗能低且利于工业化生产
现有的高速长时间搅拌、超声波分散、表面活性剂分散等方法[9-11]对减轻纳米材料的团聚程度起到了一定的效果，但这些方法都耗能较大，大大增加了水泥混凝土的生产成本，而且仍然无法使纳米粒子充分地分散均匀，致使纳米材料对水泥基材料改性的效果和人们对纳米材料的期望相距甚远。本发明的纳米材料分散磨，不仅能够实现纳米粒子在水泥基材料中的充分均匀分散，而且生产简单方便，有利于工业化生产和推广应用。
（4）可与混凝土搅拌机连续生产作业
该纳米材料分散磨置于搅拌站水泥筒仓和纳米材料筒仓与混凝土搅拌机之间，下部出料口连接混凝土搅拌机，放料的同时，通过进料口按生产要求比例分别加入纳米材料与水泥，进料口进料总体积为V2，在搅拌机搅拌混凝土的同时，纳米材料分散磨继续分散纳米材料，以实现与混凝土搅拌机连续生产作业。
附图说明
图1是本发明制备纳米材料改性水泥的分散磨的结构示意图。
图2是图1中蓖板的平面图（板面上均匀布设若干圆孔）。
图3是图1中蓖板的平面图（板面上均匀布设若干长方形空隙）。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明制备纳米材料改性水泥的分散磨，包括仓体、搅拌器6、电机1和变速器2。
所述仓体由篦板7分隔为混磨仓5和集料仓8，上部为混磨仓，下部为集料仓。
混磨仓5的侧上部设置两个进料口4，混磨仓顶盖中心处设轴承座3，所述变速器2设置在轴承座3上方。所述搅拌器6的搅拌轴通过轴承安装在轴承座上，搅拌轴与变速器2动力输出轴连接，所述电机轴设主动皮带轮，变速器动力输入轴设从动皮带轮，两者之间设三角皮带，电机通过皮带轮组方式为变速器提供动力。
混磨仓5中设若干金属块，可以是球体、圆柱体、方体、六面体、多面体或不规则的金属块体。本实施例选用钢球。
所述集料仓下半部为漏斗，漏斗底部为出料口9。
整个仓体设置在钢制框架上，钢制框架的递交固定在混凝土基础10上。
所述蓖板7为钢板，本实施例的蓖板板面上均匀布设若干圆孔，也可以选择长方形空隙。所述金属块的外径大于蓖板的圆孔直径或大于长方形空隙宽度。
本发明分散磨使用例1
混凝土原料组成及其质量百分比如下：胶凝材料为P.O 42.5硅酸盐水泥（掺量488kg/m3）；细骨料为砂子（掺量767kg/m3）；粗骨料为5~20mm的级配石子（掺量1051kg/m3）；水（掺量165kg/m3）；聚羧酸高效减水剂（掺量10kg/m3）；纳米材料为粒子直径15
5nm的二氧化硅（掺量15kg/m3）。
纳米材料分散分别采用超声分散、分散磨两种分散方式。
（1）超声分散纳米材料和混凝土准备过程
1）按上述原料配方进行称量配料；
2）将减水剂溶解于水中制成分散液；
3）将纳米材料与分散液混合均匀,得到纳米分散溶液；
4）将纳米分散溶液加入超声波振荡仪中振荡2分钟；
5）将振荡后的纳米材料分散液与水泥、粗骨料、细骨料等搅拌至均匀即制得混凝土拌合物。
（2）分散磨分散和混凝土准备过程
1）按上述原料配方进行称量配料；
2）将水泥、纳米材料组分于分散磨中混磨2分钟，制得纳米增强复合材料；
3）将减水剂溶解于水中制成分散液；
4）按照普通混凝土的制备方法将纳米增强复合材料、分散液、粗骨料、细骨料等搅拌至均匀即制得混凝土拌合物。
依据GB/T50080-2016《混凝土拌合物性能试验方法》与CECS207：2006《高性能混凝土应用技术规程》测定混凝土拌和物工作性；然后将混凝土拌和物浇筑试件，并标准养护（温度
，相对湿度
95%）至规定龄期。参照《普通混凝土力学性能实验方法标准》（GB/T 50081-2016）测定混凝土的3d和28d抗压强度和劈裂抗拉强度；参照清华大学安明喆和覃维祖提出的测试方法测量混凝土的自收缩性能；参照美国ASTM C1202-12标准以及JTJ-270-98《水运工程混凝土实验规程》测量混凝土的抗氯离子渗透性能。各实验测得的数据见表1。
表1 混凝土的工作性、力学性能及耐久性
上述试验结果表明采用本发明分散磨，混磨出的复合材料拌制混凝土，具有较好的流动性和耐久性、较高的抗拉强度和抗压强度。说明本发明的纳米材料分散磨能消除纳米聚团，使纳米粒子在水泥中充分分散，从而使纳米材料的优异性能在水泥基材料中充分发挥出来，全面提升了混凝土的的工作性、力学强度和耐久性能。
Claims (3)
1.一种制备纳米材料改性水泥的分散磨，包括仓体、搅拌器、电机和变速器；其特征在于：
所述仓体由篦板分隔为混磨仓和集料仓，上部为混磨仓，下部为集料仓；
混磨仓的侧上部设置两个进料口，混磨仓顶盖中心处设轴承座，所述变速器设置在轴承座上方；所述搅拌器的搅拌轴通过轴承安装在轴承座上，搅拌轴与变速器动力输出轴连接，所述电机的电机轴通过皮带轮组、链轮组或齿轮组方式与变速器动力输入轴连接；所述混磨仓中设若干金属块；
所述集料仓下半部为漏斗，漏斗底部为出料口；所述出料口连接混凝土搅拌机；
所述分散磨制备纳米材料改性水泥的步骤如下：
步骤1. 确定性能参数：由纳米材料品种、性能决定纳米材料分散的最佳混磨时间T，根据混凝土配合比和混凝土搅拌机性能参数，确定混凝土搅拌机单锅物料中的水泥-纳米材料复合材料用量V2和搅拌时间t，混磨仓中物料的总体积为V1，
；
步骤2. 进料：通过进料口按生产要求比例分别加入总体积V1的纳米材料与水泥；
步骤3. 混磨：启动所述分散磨混磨纳米材料与水泥，混磨时间为T，分散后复合材料穿过篦缝进入集料仓；
步骤4. 出料：在每隔t的时间点，将集料仓中V2体积的复合材料加入到混凝土搅拌机拌制混凝土；出料的同时，通过进料口按生产要求比例分别加入纳米材料与水泥，进料和出料的物料量均为V2，且保持同步；在混凝土搅拌机搅拌的同时，所述分散磨继续分散纳米材料，以实现循环往复连续生产。
2.根据权利要求1所述制备纳米材料改性水泥的分散磨，其特征是：所述混磨仓中的金属块，为金属球体、圆柱体、方体、多面体或不规则的金属块体。
3.根据权利要求1所述制备纳米材料改性水泥的分散磨，其特征是：所述篦板为钢板，板面上均匀布设若干圆孔或长方形空隙；所述混磨仓中的金属块的外径大于篦板的圆孔直径或大于长方形空隙宽度。
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