CN110510955A - 一种高导热水泥混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及路面工程技术领域，提供了一种高导热水泥混凝土及其制备方法。本发明提供的高导热水泥混凝土包括以下质量份数的组分：水泥12～15份，矿渣粉1～2份，砂25～35份，碎石45～55份，水4～5份，石墨烯‑导热纤维分散浆体0.24～0.45份；所述石墨烯‑导热纤维分散浆体中包括石墨烯悬浮液、减水剂、粘度调节剂、着色剂和导热纤维。本发明采用低掺量的石墨烯和导热纤维制备高导热水泥混凝土，在混凝土内部形成有效的石墨烯‑碳纤维‑骨料导热网络，提高了混凝土的导热系数，降低了沿板厚方向的温度梯度和板内温度翘曲应力；本发明提供的高导热混凝土具有较高的抗折强度、抗压强度、韧性和耐磨耗性能。

Description

一种高导热水泥混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及公路工程技术领域，特别涉及一种高导热水泥混凝土及其制备方法。

背景技术

水泥混凝土路面、机场道面以及高速铁路无渣轨道板等混凝土面层板同时承受移动荷载(车辆或飞机)与环境(温度、湿度等)的疲劳作用。由于混凝土是热的不良导体，太阳辐射与昼夜温差会沿板厚度方向形成温度梯度，导致板产生翘曲变形，这些变形受到板自重、地基反力或上部轨道结构等因素的约束时，板内便会产生水平方向的翘曲应力。在温度梯度较大时，水平方向的温度翘曲应力可接近甚至超过移动荷载在板内水平方向产生的拉应力。翘曲应力与荷载应力的共同作用是混凝土面层板产生断裂破坏的主要原因。

若通过结构措施降低混凝土板内温度翘曲应力势必增加板的翘曲变形量，进而对铺面的平整度产生不利影响，同时也增加了板底冲刷脱空的发生几率，对于水泥混凝土面层板特别是重载铺面的耐久性不利。相反，若能在降低混凝土板翘曲变形的同时降低温度翘曲应力，不仅能够直接提高铺面平整度和耐久性，而且能够通过增大板块切缝间距进一步降低移动荷载应力水平，板厚亦可以减小以节省水泥、河砂与集料的消耗量，降低施工难度，具有非常显著的经济、社会效益和重大的工程意义。

近年来，随着复合材料导热增强理论与技术的快速发展，将逾渗理论引入到混凝土传热增强领域，提高传统混凝土的导热能力，也为混凝土板竖向温度梯度的消除提供了一种新的思路。

界面过渡区具有晶体取向程度高、晶体尺寸大、孔隙数量较多和孔隙尺寸大等特点，相关文献指出混凝土界面过渡区的导热系数约为常用骨料导热系数的20-30％，提升空间巨大。如何降低界面过渡区缺陷水平或者引入导热填料跨越缺陷形成导热网链是提升传统混凝土导热性能的关键。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种高导热水泥混凝土及其制备方法。本发明提供的高导热水泥混凝土导热系数高，沿板厚方向的温度梯度和板内温度翘曲应力小，且混凝土的力学性能好。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种高导热水泥混凝土，包括以下质量份数的组分：

水泥12～15份，矿渣粉1～2份，砂25～35份，碎石45～55份，水4～5份，石墨烯-导热纤维分散浆体0.24～0.45份；

其中，以质量百分含量计，所述石墨烯-导热纤维分散浆体包括石墨烯悬浮液45～50％，减水剂45～50％，粘度调节剂1～8％，着色剂1～2％，导热纤维0.5～8％。

优选的，所述石墨烯悬浮液中包括石墨烯、分散剂和水，所述石墨烯的质量分数为5～30％；所述石墨烯和分散剂的质量比为1～5:10；所述分散剂包括脂肪醇聚氧乙烯醚、十二烷基磺酸钠和十二烷基硫酸钠中的一种或几种。

优选的，所述导热纤维的导热系数>400W/(m·K)。

优选的，所述减水剂为聚羧酸减水剂。

优选的，所述粘度调节剂包括阴离子聚丙烯酰胺、甲基纤维素醚和丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物中的一种或几种。

优选的，所述砂为河砂或机制砂，所述砂的细度模数为2.6～3.0，堆积密度为1480～1560kg/m³。

优选的，所述碎石为石灰岩、玄武岩或花岗岩碎石，由粒径为5～10mm、10～20mm和20～30mm的碎石按照质量比2:5:3或2:4:4级配而成。

优选的，所述石墨烯-导热纤维分散浆体的制备方法包括以下步骤：

将石墨烯悬浮液和减水剂混合，使用粘度调节剂将所得混合料20℃下的粘度调节至20～30pa.s，然后加入着色剂和导热纤维，得到石墨烯-导热纤维分散浆体。

本发明提供了上述方案所述高导热水泥混凝土的制备方法，包括以下步骤：

将碎石、砂、水泥和矿渣粉依次加入搅拌机中，在拌和过程中加入石墨烯-导热纤维分散浆体和水的混合料，混合料加入完毕后，继续搅拌2min，得到高导热水泥混凝土。

优选的，所述石墨烯-导热纤维分散浆体和水的混合料的加入时间不超过2min。

本发明提供了一种高导热水泥混凝土，包括以下质量份数的组分：水泥12～15份，矿渣粉1～2份，砂25～35份，碎石45～55份，水4～5份，石墨烯-导热纤维分散浆体0.24～0.45份；其中，以质量百分含量计，所述石墨烯-导热纤维分散浆体包括石墨烯悬浮液45～50％，减水剂45～50％，粘度调节剂1～8％，着色剂1～2％，导热纤维0.5～8％。本发明采用低掺量的石墨烯和导热纤维制备高导热水泥混凝土，在混凝土内部形成有效的石墨烯-碳纤维-骨料导热网络，提高了混凝土的导热系数，降低了沿板厚方向的温度梯度和板内温度翘曲应力；本发明提供的高导热混凝土具有较高的抗折强度、抗压强度和韧性，还具有较强的耐磨耗性能，应用在机场道面、码头铺装、公路路面时，在厚度相同的情况下，本发明的混凝土形成的道面具有更高的承载能力和更好的耐久性。

附图说明

图1为实施例1中配合比参数对混凝土导热系数的影响测试结果；

图2为掺加石墨烯的混凝土与普通混凝土的吸热与传热性能对比。

具体实施方式

本发明提供了一种高导热水泥混凝土，包括以下质量份数的组分：

水泥12～15份，矿渣粉1～2份，砂25～35份，碎石45～55份，水4～5份，石墨烯-导热纤维分散浆体0.24～0.45份。

如无特殊说明，本发明使用的各个组分原料均为市售产品。

以质量份数计，本发明提供的高导热水泥混凝土包括水泥12～15份，优选为13～14份。在本发明中，所述水泥优选为42.5普通硅酸盐水泥。

以水泥的质量份数为基准，本发明提供的高导热水泥混凝土包括矿渣粉1～2份，优选为1.5份。在本发明中，所述矿渣粉优选为粒化高炉矿渣粉。

以水泥的质量份数为基准，本发明提供的高导热水泥混凝土包括砂25～35份，优选为28～32份。在本发明中，所述砂优选为河砂或机制砂，所述砂的细度模数优选为2.6～3.0，堆积密度优选为1480～1560kg/m³。

以水泥的质量份数为基准，本发明提供的高导热水泥混凝土包括碎石45～55份，更优选为48～52份。在本发明中，所述碎石优选为石灰岩、玄武岩或花岗岩破碎的碎石，由粒径为5～10mm、10～20mm和20～30mm的碎石按照质量比2:5:3或2:4:4级配而成，所述碎石的压碎指标优选为9％，堆积密度优选为1550～1780kg/m³。

以水泥的质量份数为基准，本发明提供的高导热水泥混凝土包括水4～5份，优选为4.5份。在本发明中，所述水优选为自来水。

以水泥的质量份数为基准，本发明提供的高导热水泥混凝土包括石墨烯-导热纤维分散浆体0.24～0.45份，优选为0.25～0.4份，更优选为0.3～0.35份。在本发明中，以质量百分含量计，所述石墨烯-导热纤维分散浆体优选包括石墨烯悬浮液45～50％，减水剂45～50％，粘度调节剂1～8％，着色剂1～2％，导热纤维0.5～8％，更优选包括石墨烯悬浮液46～48％，减水剂46～48％，粘度调节剂3～5％，着色剂1.5％，导热纤维1～6％。

在本发明中，所述石墨烯悬浮液中优选包括石墨烯、分散剂和水，所述石墨烯的质量分数优选为5～30％，更优选为10％；所述石墨烯的片层厚度优选为0.55～3.74nm，微片大小优选为0.5～3μm，总氧含量优选为3％～5％，层数优选<10层，比表面积优选为500～1000m²/g，导热系数优选为1326～1852W/(m·K)。在本发明中，所述石墨烯和分散剂的质量比优选为1～5:10，更优选为为1:10；所述分散剂优选包括脂肪醇聚氧乙烯醚、十二烷基磺酸钠和十二烷基硫酸钠中的一种或几种。在本发明中，分散剂可以吸附到石墨烯表面，通过静电排斥与空间位阻效应降低石墨烯相互之间的团聚作用，使得石墨烯在水中保持稳定，避免出现石墨烯片层集聚现象。

在本发明中，所述石墨烯悬浮液的制备方法优选包括以下步骤：

将分散剂和水混合后依次进行第一搅拌和第一超声处理，得到分散剂溶液；

向所述分散剂溶液中加入石墨烯，依次进行第二搅拌和第二超声处理，得到石墨烯悬浮液，

在本发明中，所述分散剂和水的质量比优选为1:100；所述水优选为蒸馏水；所述第一搅拌的时间优选为2min，所述第一超声处理的时间优选为5min，功率优选为300W；通过第一搅拌和第一超声处理将分散剂完全溶解在水中。在本发明中，所述第二搅拌时间优选为2min，所述第二超声处理的时间优选为20min，功率优选为240W。本发明通过超声处理进一步提高石墨烯在水中的分散性。

在本发明中，所述减水剂优选为聚羧酸减水剂，所述减水剂的减水率优选为33％～35％，有效成份含量优选为20％，掺入减水剂后1小时内混凝土坍落度损失优选小于5％，2小时混凝土坍落度损失优选小于10％。

在本发明中，所述粘度调节剂优选包括阴离子聚丙烯酰胺、甲基纤维素醚和丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物中的一种或几种。

在本发明中，所述着色剂优选为酞青绿、酞菁蓝、喹吖啶酮和铅铬黄中的一种或几种。

在本发明中，所述导热纤维的导热系数优选>400W/(m·K)，具体优选为碳纤维和/或钢纤维；所述导热纤维的直径优选为10mm，长径比优选为100。在本发明中，石墨烯、导热纤维和骨料(即砂、碎石、矿粉渣)可以形成有效的石墨烯-碳纤维-骨料导热网络，提高混凝土的导热系数，降低沿板厚方向的温度梯度和板内温度翘曲应力；并且导热纤维的加入还能提高混凝土的抗折强度、抗压强度、韧性和耐磨耗性能，使形成的混凝土道面具有更高的承载能力和更好的耐久性。

在本发明中，所述石墨烯-导热纤维分散浆体的制备方法优选包括以下步骤：将石墨烯悬浮液和减水剂混合，使用粘度调节剂将所得混合料20℃下的粘度调节至20～30pa.s，然后加入着色剂和导热纤维，得到石墨烯-导热纤维分散浆体。本发明对所述混合没有特殊要求，在室温下进行搅拌混，能够将各原料搅拌均匀即可。

本发明还提供了上述方案所述高导热水泥混凝土的制备方法，包括以下步骤：

将碎石、砂、水泥和矿渣粉依次加入搅拌机中，在拌和过程中加入石墨烯-导热纤维分散浆体和水的混合料，混合料加入完毕后，继续搅拌2min，得到高导热水泥混凝土。

在本发明中，所述石墨烯-导热纤维分散浆体和水的混合料的加入时间不超过2min；本发明对所述石墨烯-导热纤维分散浆体和水的混合料的制备方法没有特殊要求，将石墨烯-导热纤维分散浆体和水混合均匀即可。

本发明对所述高导热水泥混凝土的施工方法没有特殊要求，按照上述方案制备得到高导热水泥混凝土后，按照本领域技术人员熟知的方法进行施工，形成混凝土路面板即可。本发明提供的高导热水泥混凝土为低坍落度混凝土，现场摊铺坍落度在50mm以内。

下面结合实施例对本发明提供的方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

为了控制大厚度混凝土路面板的水化温升和内外温差，对影响混凝土导热系数的配合比参数(骨料用量、水灰比、粉煤灰掺量、含气量等)进行了试验研究，其中使用的水泥为42.5普通硅酸盐水泥，砂子的细度模数为2.6，碎石为玄武岩碎石，减水剂为聚羧酸高性能减水剂；所得结果如图1所示。

图1的结果表明：混凝土内气孔量的降低能够显著提高混凝土的导热系数，表明混凝土密实性的提高有助于提高混凝土导热系数；公路工程常用规格的粉煤灰替代水泥不能提高道路干硬性混凝土的导热系数，表明混凝土容重减小会显著降低其导热系数。结合相关文献研究成果，必须在保证混凝土容重的前提下对其孔隙结构进行改善，降低界面过渡区缺陷水平或者引入更细尺度的填料对混凝土微观结构进行调控。

通过室外混凝土小板试验(长×宽×高＝50cm×40cm×40cm)，研究了石墨烯掺入对道路干硬性混凝土热工性能的影响规律，其中普通水泥混凝土的配合比见表1：

表1水泥混凝土配合比(kg/m³)

水胶比	水	水泥	砂子	石子	聚羧酸减水剂
						0.40	145	360	640	1260	3.6

掺入石墨烯混凝土中石墨烯的掺加量为水泥用量的3‰，其他组分和表1相同。

所得结果见图2；根据图2可以看出石墨烯的掺入能够明显增大表面的太阳辐射吸收率，且板内温度梯度明显低于常规混凝土板。

实施例2

一种高导热水泥混凝土，包括以下质量份数的组分：

42.5普通硅酸盐水泥12份，粒化高炉矿渣粉1份，河砂(细度模数2.6，堆积密度1480kg/m³)25份，玄武岩碎石(由5-10mm,10-20mm和20-30mm的玄武岩碎石三级配按照质量比2:5:3级配得到)45份，水4份，石墨烯-导热纤维分散浆体0.3份；以质量百分含量计，所述石墨烯-导热纤维分散浆体包括石墨烯悬浮液45％，聚羧酸减水剂45％，阴离子聚丙烯酰胺1％，着色剂2％，碳纤维7％；其中石墨烯悬浮液中石墨烯的质量百分含量为20％，分散剂为脂肪醇聚氧乙烯醚，石墨烯和分散剂的质量比为1:10。

制备步骤如下：

(1)制备石墨烯悬浮液：将称量好的分散剂加入蒸馏水中，先用搅拌棒机械搅拌2min然后超声处理5min使其完全溶于蒸馏水中形成分散剂溶液；向分散剂溶液中加入石墨烯，先用搅拌棒机械搅拌2min，然后在240W功率下进行超声处理20分钟，得到石墨烯含量为10％的石墨烯悬浮液。

(2)制备石墨烯-导热纤维分散浆体：按上述配比将石墨烯悬浮液和减水剂混合后，在室温搅拌均匀；利用粘度调节剂，将所得混合溶液20℃的粘度调整为20pa.s～30pa.s，然后加入着色剂和碳纤维，利用机械式搅拌设备搅拌均匀后，得到石墨烯-导热纤维分散浆体。

(3)制备高导热水泥混凝土：按照上述配比称取水和石墨烯-导热纤维分散浆体，混合均匀。按上述质量份数将玄武岩碎石、河砂、水泥、矿渣粉的顺序加入搅拌机，开动搅拌机，将材料拌合均匀，在拌合过程中将徐徐加入水和石墨烯-导热纤维分散浆体的混合液，全部加料时间不超过2min，全部加入后，继续拌合2min，得到高导热水泥混凝土。

实施例3

一种高导热水泥混凝土，包括以下质量份数的组分：

42.5普通硅酸盐水泥13份，粒化高炉矿渣粉2份，河砂(细度模数2.6，堆积密度1480kg/m³)30份，花岗岩碎石(由5-10mm,10-20mm和20-30mm的玄武岩碎石三级配按照质量比2:4:4级配得到)55份，水5份，石墨烯-导热纤维分散浆体0.4份；以质量百分含量计，所述石墨烯-导热纤维分散浆体包括石墨烯悬浮液50％，聚羧酸减水剂45％，甲基纤维素醚1％，着色剂1％，钢纤维3％；其中石墨烯悬浮液中石墨烯的质量百分含量为10％，分散剂为十二烷基硫酸钠，石墨烯和分散剂的质量比为1:10。

高导热水泥混凝土的制备方法和实施例2一致。

实施例4

一种高导热水泥混凝土，包括以下质量份数的组分：

42.5普通硅酸盐水泥15份，粒化高炉矿渣粉2份，机制砂(细度模数3.0，堆积密度1560kg/m³)35份，石灰岩碎石(由5-10mm,10-20mm和20-30mm的玄武岩碎石三级配按照质量比2:4:4级配得到)50份，水5份，石墨烯-导热纤维分散浆体0.35份；以质量百分含量计，所述石墨烯-导热纤维分散浆体包括石墨烯悬浮液46％，聚羧酸减水剂46％，丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物2％，着色剂1％，碳纤维5％；其中石墨烯悬浮液中石墨烯的质量百分含量为8％，分散剂为十二烷基磺酸钠，石墨烯和分散剂的质量比为1:10。

高导热水泥混凝土的制备方法和实施例2一致。

实施例5

一种高导热水泥混凝土，包括以下质量份数的组分：

42.5普通硅酸盐水泥14份，粒化高炉矿渣粉1.5份，河砂(细度模数3.0，堆积密度1560kg/m³)32份，石灰岩碎石(由5-10mm,10-20mm和20-30mm的玄武岩碎石三级配按照质量比2:5:3级配得到)48份，水5份，石墨烯-导热纤维分散浆体0.4份；以质量百分含量计，所述石墨烯-导热纤维分散浆体包括石墨烯悬浮液47％，聚羧酸减水剂45％，丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物1％，着色剂1％，碳纤维6％；其中石墨烯悬浮液中石墨烯的质量百分含量为15％，分散剂为脂肪醇聚氧乙烯醚，石墨烯和分散剂的质量比为1:10。

高导热水泥混凝土的制备方法和实施例2一致。

对比例1

其他和实施例2相同，仅不加入碳纤维。

对比例2

其他和实施例2相同，仅不加入石墨烯和碳纤维。

将实施例2～5以及对比例1～2制备的高导热水泥混凝土制备成混凝土面板(长×宽×高＝300mm×300mm×50mm)，在温度为30℃，湿度为60％的条件下养护，28天后测试混凝土面板的导热性能以及力学性能，其中导热性能的测试标准为GB/T 10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》，所得结果见表2；

表2高导热水泥混凝土面板导热性能及力学性能测试结果

根据表2中的测试结果可以看出，实施例2～5制备的高导热水泥混凝土采用低掺量的石墨烯和导热纤维，在混凝土内部形成有效的石墨烯-碳纤维-骨料导热网络，提高了混凝土的导热系数，降低了沿板厚方向的温度梯度，从而降低了板内温度翘曲应力；并且实施例2～5制备的高导热水泥混凝土形成的混凝土面板抗折强度、抗压强度和韧性均较高，还具有较强的耐磨耗性能，而对比例1～2制备的水泥混凝土形成的混凝土面板导热性能明显低于实施例2～5，且力学性能也较差。

以上所述仅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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高导热水泥混凝土，其特征在于，包括以下质量份数的组分：

水泥12～15份，矿渣粉1～2份，砂25～35份，碎石45～55份，水4～5份，石墨烯-导热纤维分散浆体0.24～0.45份；

其中，以质量百分含量计，所述石墨烯-导热纤维分散浆体包括石墨烯悬浮液45～50％，减水剂45～50％，粘度调节剂1～8％，着色剂1～2％，导热纤维0.5～8％。

2.根据权利要求1所述的高导热水泥混凝土，其特征在于，所述石墨烯悬浮液中包括石墨烯、分散剂和水，所述石墨烯的质量分数为5～30％；所述石墨烯和分散剂的质量比为1～5:10；所述分散剂包括脂肪醇聚氧乙烯醚、十二烷基磺酸钠和十二烷基硫酸钠中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的高导热水泥混凝土，其特征在于，所述导热纤维的导热系数>400W/(m·K)。

4.根据权利要求1所述的高导热水泥混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂。

5.根据权利要求1所述的高导热水泥混凝土，其特征在于，所述粘度调节剂包括阴离子聚丙烯酰胺、甲基纤维素醚和丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的高导热水泥混凝土，其特征在于，所述砂为河砂或机制砂，所述砂的细度模数为2.6～3.0，堆积密度为1480～1560kg/m³。

7.根据权利要求1所述的高导热水泥混凝土，其特征在于，所述碎石为石灰岩、玄武岩或花岗岩碎石，由粒径为5～10mm、10～20mm和20～30mm的碎石按照质量比2:5:3或2:4:4级配而成。

8.根据权利要求1所述的高导热水泥混凝土，其特征在于，所述石墨烯-导热纤维分散浆体的制备方法包括以下步骤：

将石墨烯悬浮液和减水剂混合，使用粘度调节剂将所得混合料20℃下的粘度调节至20～30pa.s，然后加入着色剂和导热纤维，得到石墨烯-导热纤维分散浆体。

9.权利要求1～8任意一项所述高导热水泥混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将碎石、砂、水泥和矿渣粉依次加入搅拌机中，在拌和过程中加入石墨烯-导热纤维分散浆体和水的混合料，混合料加入完毕后，继续搅拌2min，得到高导热水泥混凝土。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯-导热纤维分散浆体和水的混合料的加入时间不超过2min。