CN109721267A - 一种碳纳米管增强的橡胶集料水泥基材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种碳纳米管增强的橡胶集料水泥基材料，将水泥基材料中15％～20％的砂替代为橡胶颗粒，并在水泥基材料中加入其质量比0.02～0.08％的碳纳米管，所述橡胶颗粒的粒径为55～65目。碳纳米管不仅起到桥接橡胶颗粒与水泥基基体的作用，还会填充纳米空隙，使得材料更为密实，桥接微裂缝，大幅提高橡胶集料砂浆的抗压与抗折强度。该材料形成的碳纳米管增强的橡胶集料砂浆28d龄期抗折强度达到6.9MPa，抗压强度达到36.7MPa，强度提高明显，有利于进一步推广使用橡胶砂浆。

Description

一种碳纳米管增强的橡胶集料水泥基材料

技术领域

本发明属于建筑材料、土木工程领域，特别是涉及一种碳纳米管增强的橡胶集料水泥基材料。

背景技术

随着我国汽车工业的不断发展，城市交通网路日益密集，每年产生了大量的以废旧轮胎为主的固体废料，造成了严峻的环境问题，不利于可持续的发展，为此政府部门颁布了《废旧轮胎综合利用指导意见》，旨在缓解废旧橡胶产生的环境危害。使用橡胶颗粒，代替普通混凝土或砂浆中一定量的细骨料，形成的橡胶集料水泥基复合材料不仅解决了废旧轮胎二次利用难的问题，同时具有高延性高韧性以及良好的抗冲击特性与能量吸收能力的特点，弥补了传统水泥基材料容易脆性开裂的缺点。但是由于橡胶颗粒的加入，以橡胶混集料凝土为例，橡胶集料混凝土较普通混凝土的力学性能大幅度降低，因此目前这一环保材料通常作为路面材料使用，强度降低限制了橡胶集料水泥基材料的广泛应用。

碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs)单向拉伸强度达到500GPa，破坏时的拉伸应变可以达到30％，弹性模量接近1TPa。在水泥基材料中引入碳纳米管，可以在纳米尺度改性水泥基材料，提高复合材料力学性能，基于以往的研究碳纳米管的加强效应主要由于：①碳纳米管呈纤维状，可以桥接水泥基体受力初期产生的微裂缝；②作为水化的结晶核促进水泥水化过程；③填充水泥基基体中纳米尺度的微空隙，使得材料更加密实。橡胶是疏水材料，碳纳米管也是疏水材料，根据疏水材料在水溶液环境下相互吸引的理论，可以预期碳纳米管会附着在橡胶颗粒的表面，强化橡胶颗粒与水泥基基体的过渡区域，因此使用碳纳米管增强橡胶集料水泥基材料合理可行，有助于扩大绿色环保橡胶集料水泥基材料的使用领域。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，针对橡胶集料砂浆抗开裂抗收缩能力好，但是力学强度低的问题，提供一种碳纳米管增强的橡胶集料水泥基材料。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种碳纳米管增强的橡胶集料水泥基材料，将水泥基材料中15％～20％的砂替代为橡胶颗粒，并在水泥基材料中加入其质量比0.02％～0.08％的碳纳米管，所述橡胶颗粒的粒径为55～65目。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明基于对橡胶集料砂浆破坏过程的研究，提出在纳米尺度解决橡胶集料砂浆强度较低的问题，由于碳纳米管与橡胶颗粒都是疏水材料，利用疏水材料在水溶液环境下相互吸引的原理，强化橡胶与水泥基基体的过渡区。

2.橡胶颗粒可以起到促进碳纳米管在水泥基材料中分散的作用，提高碳纳米管的增强效果。

3.碳纳米管不仅起到桥接橡胶颗粒与水泥基基体的作用，还会填充纳米空隙，使得材料更为密实，桥接微裂缝，大幅提高橡胶集料砂浆的抗压与抗折强度。

4.本发明形成的碳纳米管增强的橡胶集料砂浆28d龄期抗折强度达到6.9MPa，抗压强度达到36.7MPa，强度提高明显，有利于进一步推广使用该环保材料。

附图说明

图1是碳纳米管与橡胶颗粒的相互作用与增强机理示意图。

图2(a)、图2(b)和图2(c)分别为不同养护龄期抗折强度对比。

图3(a)、图3(b)和图3(c)分别为不同养护龄期抗压强度对比。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例在现有橡胶集料砂浆配合比的基础上，考虑成本等因素，加入水泥基材料质量0.08％的碳纳米管，并将水泥基材料中17％的砂替代为橡胶颗粒，提高橡胶集料砂浆的强度。

如图1所示，由于橡胶颗粒对碳纳米管的吸附作用，使得碳纳米管分散更为均匀，与此同时吸附在橡胶颗粒表面的碳纳米管还能够桥接水泥基基体，提升交界面强度进一步提高复合材料的整体性，碳纳米管增强橡胶集料砂浆的抗压与抗折强度有明显的提升。

以下通过具体实验说明该碳纳米管增强的橡胶集料水泥基材料：

(1)试验材料：

水泥：天津产祥瑞牌42.5号普通硅酸盐水泥，其相关物理力学性能如表3所示；

砂：中砂，河砂，细度模数2.65；

水：自来水；

橡胶颗粒：由废旧橡胶通过机械磨碎制成，粒径60目；

碳纳米管：深圳纳米港公司生产的型号为L-MWNT-4060的多壁碳纳米管。

(2)试验设计配合比

见表4，碳纳米管增强橡胶集料砂浆，其中橡胶颗粒的掺量按照内掺法替换砂子的比率与17％，加入碳纳米管用以增强复合材料强度，碳纳米管的掺量为水泥质量比的0.08％；

此外为保证碳纳米管的分散，抑制橡胶上浮，水灰比采用0.5。

表1碳纳米管的物理性质指标

表2橡胶化学成分表

表3水泥物理性能表

表4配合比设计(单位：g)

(3)碳纳米管分散液制备

首先，碳纳米管与等体积的橡胶颗粒加入烧杯中，加入50ml去离子水，手动搅拌3分钟，形成悬浊液；之后放入超声波清洗机中，超声波分散60min取出。进行后续的观察，可得出加入橡胶颗粒，有利于促进碳纳米管的分散，分散液在静置24h后，仍无明显的肉眼可见的沉淀于团聚，这说明橡胶颗粒有利于在水泥基材料中进一步发挥碳纳米管的增强作用。

(4)之后可按照国家标准GB/T 17671-1999水泥胶砂强度检验方法(ISO法)制备试件，掺入剩余橡胶颗粒，并进行抗压与抗折强度试验，得到试验结果：

见图2(a)至图2(c)，抗折试验结果表明：橡胶颗粒代替17％的砂采用内掺法加入，提高了材料延性，但是抗折强度较普通砂浆在28d龄期下降20％，而加入水泥质量比0.08％的碳纳米管，7d时抗折强度较橡胶砂浆提高20％，14d时较橡胶砂浆提高41％，28d时碳纳米管增强的橡胶砂浆抗折强度基本达到普通砂浆水平，这体现出了碳纳米管的加入对提高橡胶砂浆的抗折强度具有显著效果。

见图3(a)至图3(c)，抗压试验表明：橡胶颗粒代替17％的砂采用内掺法加入，抗压强度较普通砂浆在28d下降30％，而加入水泥质量比0.08％的碳纳米管，7d时抗压强度较橡胶砂浆提高22％，14d时较橡胶砂浆提高65％，28d时碳纳米管增强的橡胶砂浆抗压强度较橡胶砂浆提高14％，达到普通砂浆抗压强度的79％，抗压强度得到显著提高。

综合抗压与抗折强度表明，碳纳米管增强的橡胶砂浆力学强度均达到普通砂浆的80％以上。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种碳纳米管增强的橡胶集料水泥基材料，其特征在于，将水泥基材料中15％～20％的砂替代为橡胶颗粒，并在水泥基材料中加入水泥质量比0.02～0.08％的碳纳米管，所述橡胶颗粒的粒径为55～65目。