CN109704670B - 一种石墨烯改性混凝土 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种石墨烯改性混凝土，所述混凝土包括混合液、水泥和骨料，所述混合液由水和石墨烯构成；所述混凝土还包括硅酸钙水合物（C‑S‑H）凝胶、铁铝酸钙、碳酸钙、三硅酸钙、二硅酸钙、纳米纤维素、碳纳米管或表面活性剂中的任意一种或是任意几种的组合。本发明提供的石墨烯改性混凝土，依托现有石墨烯发展技术并与混凝土进行结合，独创设计了本发明的石墨烯改性混凝土，本发明的石墨烯改性混凝土其配方、配比独特，具有优良的导热性能、透水性能和抗压性能，可借助现有技术器械实现快速生产成型，工艺简单、易于实现，且本发明的石墨烯改性混凝土在应用中表现出了优越的性能，对于未来超高建筑、超性能混凝土的需求具有重要的贡献。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土材料技术领域，尤其涉及一种石墨烯改性混凝土。
背景技术
现代工程技术不断推动超高性能混凝土材料的发展，这些混凝土材料必须表现出增强的耐久性和机械性能，以便适合未来新兴的结构应用。而“神奇材料”石墨烯是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，是世界上最强的人造材料。
公开号为CN107216077A的中国发明专利申请公开了“一种石墨烯改性混凝土及其制造方法”，该申请公开了一种石墨烯改性混凝土，石墨烯改性混凝土按质量份数，其组分包括：水泥：5～20份；粗砂：25～40份；石子：35～48份；水：10份；石墨烯：0.05～0.15份；减水剂：5～15份。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种石墨烯改性混凝土，所述混凝土包括混合液、水泥和骨料，所述混合液由水和石墨烯构成。
其中，所述混凝土中按质量份数计，所述混合液3-6份、所述水泥15-20份、所述骨料80-100份。
其中，所述石墨烯为石墨烯纳米片。
其中，所述石墨烯纳米片的厚度为90-150nm。
其中，所述骨料包括粗骨料和细骨料，所述粗骨料包括碎石，所述细骨料包括砂。
其中，所述混合液的浓度为0.3-1.2g/L。
其中，所述混合液的浓度为0.6-0.9g/L。
其中，所述混凝土还包括硅酸钙水合物（C-S-H）凝胶、铁铝酸钙、碳酸钙、三硅酸钙、二硅酸钙、纳米纤维素、碳纳米管、或表面活性剂中的任意一种或是任意几种的组合。
其中，所述的表面活性剂为胆酸钠。
其中，所述混凝土中按质量份数计，所述硅酸钙水合物（C-S-H）凝胶1-2份、所述铁铝酸钙1-2份、所述碳酸钙1-2份、所述三硅酸钙1-2份、所述二硅酸钙1-2份、所述纳米纤维素5-6份、所述碳纳米管2-4份、所述表面活性剂2-4份。
本发明提供的石墨烯改性混凝土，在有硅灰存在的情况下，水泥水化早期的水化产物中有大量Ca(OH)2，随着龄期的延长，Ca(OH)2的量越来越少，甚至完全测不到，硅灰接触拌合水后首先形成富硅的凝胶，并吸收水分；凝胶在未水化水泥颗粒之间聚集，逐渐包裹水泥颗粒；Ca(OH)2与该富硅凝胶的表面反应产生C-S-H凝胶，这些来源于硅灰和Ca(OH)2的C-S-H凝胶多生成于水泥水化的C-S-H凝胶孔隙之中，大大提高了结构密实度。也就是说：硅灰的火山灰效应能将对强度不利的Ca(OH)2转化成C-S-H凝胶，并填充在水泥水化产物之间，有力地促进了HPC强度的增长。同时，硅灰与Ca(OH)2反应，Ca(OH)2不断被消耗，会加快水泥的水化速率，提高HPC的早期强度。因此，硅酸钙水合物(C–S–H)凝胶是混凝土提高机械性能的主要元素，为防止水泥及骨料在水的作用下其硅酸钙水合物(C–S–H)凝胶产生少（硅灰含量少的情况下或水泥含量偏低），本发明通过加入硅酸钙水合物(C–S–H)凝胶以避免此种现象发生。
本发明的有益效果：
本发明提供的石墨烯改性混凝土，依托现有石墨烯发展技术并与混凝土进行结合，独创设计了本发明的石墨烯改性混凝土，本发明的石墨烯改性混凝土其配方、配比独特，具有优良的导热性能、透水性能和抗压性能，可借助现有技术器械实现快速生产成型，工艺简单、易于实现，且本发明的石墨烯改性混凝土在应用中表现出了优越的性能，对于未来超高建筑、超性能混凝土的需求具有重要的贡献。
具体实施方式
以下是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
实施例1
本发明提供了一种石墨烯改性混凝土，所述混凝土包括由水和石墨烯构成混合液、水泥和骨料，所述混凝土中按质量份数计，所述混合液5份、所述水泥18份、所述骨料90份；所述石墨烯为石墨烯纳米片，厚度为110nm；所述骨料包括粗骨料和细骨料，所述粗骨料包括碎石，所述细骨料包括砂，所述粗骨料和所述细骨料的配比按照常规配比即可；所述混合液的浓度为0.6g/L。
实施例2
本发明提供了一种石墨烯改性混凝土，所述混凝土包括由水和石墨烯构成混合液、水泥、骨料和硅酸钙水合物（C-S-H）凝胶，所述混凝土中按质量份数计，所述混合液5份、所述水泥18份、所述骨料90份、所述硅酸钙水合物（C-S-H）凝胶2份；所述石墨烯为石墨烯纳米片，厚度为120nm；所述骨料包括粗骨料和细骨料，所述粗骨料包括碎石，所述细骨料包括砂，所述粗骨料和所述细骨料的配比按照常规配比即可；所述混合液的浓度为0.8g/L。
实施例3
本发明提供了一种石墨烯改性混凝土，所述混凝土包括由水和石墨烯构成混合液、水泥、骨料和硅酸钙水合物（C-S-H）凝胶、铁铝酸钙、碳酸钙，所述混凝土中按质量份数计，所述混合液5份、所述水泥18份、所述骨料90份、所述硅酸钙水合物（C-S-H）凝胶2份、所述铁铝酸钙1份、所述碳酸钙2份；所述石墨烯为石墨烯纳米片，厚度为150nm；所述骨料包括粗骨料和细骨料，所述粗骨料包括碎石，所述细骨料包括砂，所述粗骨料和所述细骨料的配比按照常规配比即可；所述混合液的浓度为0.9g/L。
实施例4
本发明提供了一种石墨烯改性混凝土，所述混凝土包括由水和石墨烯构成混合液、水泥、骨料和硅酸钙水合物（C-S-H）凝胶、三硅酸钙、二硅酸钙，所述混凝土中按质量份数计，所述混合液5份、所述水泥18份、所述骨料90份、所述硅酸钙水合物（C-S-H）凝胶2份、所述三硅酸钙1份、所述二硅酸钙2份；所述石墨烯为石墨烯纳米片，厚度为150nm；所述骨料包括粗骨料和细骨料，所述粗骨料包括碎石，所述细骨料包括砂，所述粗骨料和所述细骨料的配比按照常规配比即可；所述混合液的浓度为0.9g/L。
在本实施例中，通过加入三硅酸钙和二硅酸钙，后期混凝土的强度提高了，特别是在凝固后的5天左右，混凝土的强度得到了显著提高，主要是由于三硅酸钙和二硅酸钙可与C-S-H组合起来并与石墨烯结合促使混凝土的强度提高。
实施例5
本发明提供了一种石墨烯改性混凝土，所述混凝土包括由水和石墨烯构成混合液、水泥、骨料和硅酸钙水合物（C-S-H）凝胶、纳米纤维素、碳纳米管，所述混凝土中按质量份数计，所述混合液5份、所述水泥18份、所述骨料90份、所述硅酸钙水合物（C-S-H）凝胶2份、所述纳米纤维素5份、所述碳纳米管3份；所述石墨烯为石墨烯纳米片，厚度为130nm；所述骨料包括粗骨料和细骨料，所述粗骨料包括碎石，所述细骨料包括砂，所述粗骨料和所述细骨料的配比按照常规配比即可；所述混合液的浓度为0.8g/L。
实施例6
本发明提供了一种石墨烯改性混凝土，所述混凝土包括由水和石墨烯构成混合液、水泥、骨料和硅酸钙水合物（C-S-H）凝胶、铁铝酸钙、碳酸钙、三硅酸钙、二硅酸钙、纳米纤维素、碳纳米管、表面活性剂，所述混凝土中按质量份数计，所述混合液5份、所述水泥20份、所述骨料100份、所述硅酸钙水合物（C-S-H）凝胶2份、所述铁铝酸钙2份、所述碳酸钙2份、所述三硅酸钙2份、所述二硅酸钙2份、所述纳米纤维素6份、所述碳纳米管2份、所述表面活性剂3份；所述石墨烯为石墨烯纳米片，厚度为120nm；所述骨料包括粗骨料和细骨料，所述粗骨料包括碎石，所述细骨料包括砂，所述粗骨料和所述细骨料的配比按照常规配比即可；所述混合液的浓度为0.9g/L；所述表面活性剂为胆酸钠。
为了验证石墨烯纳米片的厚度对混凝土导热性、透水性的影响，以实施例6为参考，通过调整石墨烯纳米片的厚度设置对比试验，具体如表一。
表一 不同厚度的石墨烯纳米片对混凝土导热性及透水性的影响
| 对比试验 | 石墨烯纳米片厚度（nm） | 导热性能 | 透水性能 |
| 试验1 | 70 | 差 | 差 |
| 试验2 | 80 | 好 | 差 |
| 试验3 | 90 | 好 | 好 |
| 试验4 | 100 | 优 | 好 |
| 试验5 | 110 | 优 | 优 |
| 试验6 | 120 | 优 | 优 |
| 试验7 | 130 | 优 | 优 |
| 试验8 | 140 | 好 | 优 |
| 试验9 | 150 | 好 | 好 |
| 试验10 | 160 | 差 | 好 |
从表一中可以看出，当石墨烯纳米片的厚度在90-150nm之间时，混凝土的导热性能及透水性能都比较好，尤其是当石墨烯纳米片的厚度在110-130nm之间时，混凝土的导热性能及透水性能相对比较优异，因此石墨烯纳米片的厚度优选110-130nm。除此之外，也可使用表面活性剂官能化石墨烯(FG)代替石墨烯纳米片。
为了验证混合液的浓度对混凝土透水性的影响，以实施例6为参考，通过调混合液的浓度设置对比试验，具体如表二。
表二 不同浓度的混合液对混凝土透水性的影响
| 对比试验 | 混合液浓度（g/L） | 透水性能 |
| 试验1 | 0.3 | 差 |
| 试验2 | 0.4 | 差 |
| 试验3 | 0.5 | 好 |
| 试验4 | 0.6 | 优 |
| 试验5 | 0.7 | 优 |
| 试验6 | 0.8 | 优 |
| 试验7 | 0.9 | 优 |
| 试验8 | 1.0 | 好 |
| 试验9 | 1.1 | 差 |
| 试验10 | 1.2 | 差 |
从表二中可以看出，当混合液的浓度为0.3g/L，0.4g/L，1.1g/L和1.2g/L时，混凝土的透水性能较差；当混合液的浓度为0.5g/L和1.0g/L时，混凝土的透水性能相对较好；当混合液的浓度在0.6g/L-0.9g/L时，混凝土的透水性能优异；因此，混合液的浓度范围优选0.6g/L-0.9g/L。
实施例7
本发明提供了一种石墨烯改性混凝土，所述混凝土包括由水和石墨烯构成混合液、水泥、骨料和硅酸钙水合物（C-S-H）凝胶、铁铝酸钙、碳酸钙、三硅酸钙、二硅酸钙、纳米纤维素、碳纳米管、表面活性剂，所述混凝土中按质量份数计，所述混合液3份、所述水泥15份、所述骨料80份、所述硅酸钙水合物（C-S-H）凝胶1份、所述铁铝酸钙1份、所述碳酸钙1份、所述三硅酸钙1份、所述二硅酸钙1份、所述纳米纤维素5份、所述碳纳米管3份、所述表面活性剂2份；所述石墨烯为石墨烯纳米片，厚度为90nm；所述骨料包括粗骨料和细骨料，所述粗骨料包括碎石，所述细骨料包括砂，所述粗骨料和所述细骨料的配比按照常规配比即可；所述混合液的浓度为0.6g/L；所述表面活性剂为胆酸钠。
实施例8
本发明提供了一种石墨烯改性混凝土，所述混凝土包括由水和石墨烯构成混合液、水泥、骨料和硅酸钙水合物（C-S-H）凝胶、铁铝酸钙、碳酸钙、三硅酸钙、二硅酸钙、纳米纤维素、碳纳米管、表面活性剂，所述混凝土中按质量份数计，所述混合液4份、所述水泥16份、所述骨料85份、所述硅酸钙水合物（C-S-H）凝胶1.5份、所述铁铝酸钙1.5份、所述碳酸钙1.5份、所述三硅酸钙1.5份、所述二硅酸钙1.5份、所述纳米纤维素5份、所述碳纳米管4份、所述表面活性剂2.5份；所述石墨烯为石墨烯纳米片，厚度为100nm；所述骨料包括粗骨料和细骨料，所述粗骨料包括碎石，所述细骨料包括砂，所述粗骨料和所述细骨料的配比按照常规配比即可；所述混合液的浓度为0.7g/L；所述表面活性剂为胆酸钠。
实施例9
本发明提供了一种石墨烯改性混凝土，所述混凝土包括由水和石墨烯构成混合液、水泥、骨料和硅酸钙水合物（C-S-H）凝胶、铁铝酸钙、碳酸钙、三硅酸钙、二硅酸钙、纳米纤维素、碳纳米管、表面活性剂，所述混凝土中按质量份数计，所述混合液5份、所述水泥18份、所述骨料95份、所述硅酸钙水合物（C-S-H）凝胶1.5份、所述铁铝酸钙1.5份、所述碳酸钙1.5份、所述三硅酸钙1.5份、所述二硅酸钙1.5份、所述纳米纤维素5.5份、所述碳纳米管4份、所述表面活性剂3.5份；所述石墨烯为石墨烯纳米片，厚度为130nm；所述骨料包括粗骨料和细骨料，所述粗骨料包括碎石，所述细骨料包括砂，所述粗骨料和所述细骨料的配比按照常规配比即可；所述混合液的浓度为0.8g/L；所述表面活性剂为胆酸钠。
本发明实施例中，石墨烯分散在水中经高剪切剥离技术处理后形成所述混合液与上述物料混合，使用高剪切剥离技术处理后的石墨烯它有助于减少水面张力与石墨烯的张力相匹配，使石墨烯形成均匀的混合物，最重要的是可稳定剥离的石墨烯并防止它们聚集，提高在混凝土内的分散度，提高整体性能。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都是属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (3)
1.一种石墨烯改性混凝土，其特征在于：所述混凝土包括混合液、水泥和骨料，所述混合液由水和石墨烯构成；所述混凝土中按质量份数计，所述混合液3-6份、所述水泥15-20份、所述骨料80-100份；
所述混凝土还包括硅酸钙水合物(C-S-H)凝胶、铁铝酸钙、碳酸钙、三硅酸钙、二硅酸钙、纳米纤维素、碳纳米管和表面活性剂；
所述石墨烯为石墨烯纳米片，所述石墨烯纳米片的厚度为110-130nm；
所述混合液的浓度为0.6-0.9g/L；
所述混凝土中按质量份数计，所述硅酸钙水合物(C-S-H)凝胶1-2份、所述铁铝酸钙1-2份、所述碳酸钙1-2份、所述三硅酸钙1-2份、所述二硅酸钙1-2份、所述纳米纤维素5-6份、所述碳纳米管2-4份、所述表面活性剂2-4份。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性混凝土，其特征在于：所述骨料包括粗骨料和细骨料，所述粗骨料包括碎石，所述细骨料包括砂。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯改性混凝土，其特征在于：所述的表面活性剂为胆酸钠。
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