CN111377687A - 氧化石墨烯低水泥用量超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种氧化石墨烯低水泥用量超高性能混凝土，属于建筑材料技术领域。按重量份数计，包括水泥100份，硅灰30～50份，粉煤灰60～120份，矿渣粉10～50份，石英砂80～120份，水30～50份，钢纤维20～50份，减水剂2～10份，氧化石墨烯1～10份。本发明还提供超高性能混凝土的制备方法。氧化石墨烯与掺有矿物细粉的钢纤维混凝土复合，氧化石墨烯会促进水泥水化，提高混凝土的早期和后期强度，改善基体与钢纤维的界面条件，提高其绑结强度,进而提高混凝土的抗折强度。氧化石墨烯可以改善混凝土的孔隙结构，使混凝土更密实，提高混凝土的强度，避免蒸汽养护后引起的凝土强度倒缩，进而提高混凝土的耐久性。

Description

氧化石墨烯低水泥用量超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技术领域，具体为一种氧化石墨烯低水泥用量超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
超高性能混凝土(UHPC)是以活性粉末混凝土(RPC)的制备方法为基础，通过降低水灰比、剔除粗骨料、优化细骨料、掺入活性矿物超细粉和高温蒸汽养护等方法配制，具有超高力学性能和优异耐久性能的一种新型水泥基复合材料。
现有的超高性能混凝土水泥用量大，环境污染突出，制备成本高。为了改变水泥用量过大和环境污染问题，科研人员已尝试采用大掺量的矿物细粉取代水泥的方式制备超高性能混凝土，但会引起水泥水化速率降低，7d和28d强度降低的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氧化石墨烯低水泥用量超高性能混凝土及其制备方法，将氧化石墨烯与掺有矿物细粉的钢纤维混凝土复合，促进水泥水化的同时，改善了混凝土的微观孔结构，并且能够在纳米尺度上抑制了裂纹的扩展，提高了混凝土强度和韧性。
本发明目的通过以下技术方案来实现：
一种氧化石墨烯低水泥用量超高性能混凝土，按重量份数计，包括水泥100份，硅灰30～50份，粉煤灰60～120份，矿渣粉10～50份，石英砂80～120份，水30～50份，钢纤维20～50份，减水剂2～10份，氧化石墨烯1～10份。
粉煤灰、硅灰、矿渣粉的火山灰效应可以有效的提高混凝土强度，同时降低胶凝材料用量，减少水泥水化热的产生。钢纤维的增韧和阻裂效应，可以有效提高混凝土的抗拉、抗折强度，大幅提高混凝土的韧性。
进一步，所述水泥为P.O.42.5普通硅酸盐水泥。
进一步，所述硅灰为灰白色，平均粒径为100纳米，比表面积大于16x104cm2/g，。
进一步，所述粉煤灰为I级粉煤灰；所述矿渣粉为S95级粒化高炉矿渣微粉。
进一步，所述石英砂的紧密堆积密度为1800Kg/m3，所述石英砂按粒径划分为粗砂，中砂和细砂，其中粗砂的粒径为0.212-0.425mm，中砂的粒径为0.425-0.85mm，细砂的粒径为0.85-2.00mm，粗砂：中砂：细砂的质量比为1:(0.5-1):(0.3-0.8)，进一步优选为1:0.72:0.58。通过上述粒径的搭配可以实现骨料的最紧密堆积，从而获得最小的骨料孔隙率，达到减少胶凝材料的目的。
进一步，所述钢纤维为平直型镀铜微丝钢纤维，长度为12-16mm，直径为0.18-0.25mm，抗拉强度大于800Mpa。钢纤维的增韧和阻裂效应，可以有效提高混凝土的抗拉、抗折强度，大幅提高混凝土的韧性。
进一步，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率＞30％。只要是能满足减水率＞30％的聚羧酸减水剂均可。
进一步，所述氧化石墨烯为纳米层状结构，平面内直径0.5～3μm，厚度1.1～1.2nm。氧化石墨烯的纳米片层结构可以从微观上阻止裂缝的进一步扩展，提高混凝土的抗裂性；同时还能促进水泥的水化，提高混凝土的强度。
一种氧化石墨烯低水泥用量超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
1)称取石英砂，导入搅拌机中干搅，加入水泥，硅灰，粉煤灰和矿渣粉干搅，将水，减水剂和氧化石墨烯分散液混合均匀后加入搅拌机中，湿搅后加入钢纤维并搅拌；
2)将上述搅拌后的物料分两层倒入塑料试模中，并每层振捣；
3)振捣完成后，及时覆盖塑料保鲜膜，置于标准养护室内养护静停一段时间后拆模，然后进行蒸汽养护，最后移入标准养护室内养护至检测龄期。
进一步，所述蒸汽养护为：拆模后，立即移入蒸汽养护箱中，以5℃/h-15℃/h的升温速率升至90℃-100℃保持20-28h，再以5℃/h-15℃/h的降温速率降至室温。蒸汽养护的湿热介质作用，可以加速水泥的水化进程，迅速提高混凝土的早期强度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
氧化石墨烯与掺有矿物细粉(硅灰，粉煤灰，矿渣粉)的钢纤维混凝土复合，氧化石墨烯会促进水泥水化，从而提高混凝土的早期和后期强度，同时还会改善基体与钢纤维的界面条件，提高其绑结强度,进而提高其混凝土的抗折强度。
蒸汽养护可以有效地提高混凝土的早期强度，但会引起混凝土强度倒缩，耐久性下降。氧化石墨烯的加入会有效改善混凝土的孔隙结构，使混凝土更密实，避免掺有矿物细粉的超高性能混凝土蒸汽养护后引起的凝土强度倒缩，提高混凝土的耐久性。将蒸汽养护和氧化石墨烯增强作用相结合，可以有效提高混凝土早期和后期强度，但不会引起混凝土的耐久性下降。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
实施例1
本实施例中所用的原料如下:
水泥：P.O.42.5普通硅酸盐水泥。
硅灰：外观为灰白色，平均粒径为100纳米，比表面积大于16x104cm2/g。
粉煤灰：I级粉煤灰；
矿渣粉：S95级粒化高炉矿渣微粉；
石英砂：紧密堆积密度为1800Kg/m3，按粒径划分为粗砂，中砂和细砂，其中粗砂的粒径为0.212-0.425mm，中砂的粒径为0.425-0.85mm，细砂的粒径为0.85-2.00mm，粗砂：中砂：细砂的质量比为1:0.72:0.58；
钢纤维：平直型镀铜微丝钢纤维，长度为14mm，直径为0.2mm，抗拉强度为1000Mpa。
减水剂：聚羧酸减水剂，减水率为40％；
氧化石墨烯：平面内直径为1.5μm，单层率为91％，平均厚度为1.1nm。
本实施例氧化石墨烯低水泥用量超高性能混凝土的制备过程如下：
1、称取100份石英砂，倒入砂浆搅拌机中，干搅1分钟；投入100份水泥，40份硅灰，80份粉煤灰和20份矿渣粉，再干搅1分钟；将40份水、4份减水剂和5份氧化石墨烯分散液(氧化石墨烯和去离子水按质量比1:10混合，然后超声分散液30min)混合均匀加入搅拌锅中，湿搅2分钟；最后加入30份钢纤维搅拌3分钟。
2、搅拌完成后，及时分两层倒入40×40×160的塑料试模中，每层振捣1.5分钟。
3、振捣完成后，及时覆盖塑料保鲜膜，置于标准养护室(温度20±2℃，湿度大于95％)内养护静停24小时后拆模，然后进行蒸汽养护。蒸汽养护具体操作为：拆模后，立即移入蒸汽养护箱中，以10℃/h的升温升至90℃保持24h，再以10℃/h降温至室内温度，最后移入标准养护室(温度20±2℃，湿度大于95％)内养护至检测龄期。
实施例2
本实施例中所用的原料如下:
水泥：P.O.42.5普通硅酸盐水泥。
硅灰：外观为灰白色，平均粒径为100纳米，比表面积大于16x104cm2/g。
粉煤灰：I级粉煤灰；
矿渣粉：S95级粒化高炉矿渣微粉；
石英砂：紧密堆积密度为1800Kg/m3，按粒径划分为粗砂，中砂和细砂，其中粗砂的粒径为0.212-0.425mm，中砂的粒径为0.425-0.85mm，细砂的粒径为0.85-2.00mm，粗砂：中砂：细砂的质量比为1:0.81:0.75。
钢纤维：平直型镀铜微丝钢纤维，长度为13mm，直径为0.22mm，抗拉强度为900Mpa。
减水剂：聚羧酸减水剂，减水率为50％。
氧化石墨烯：平面内直径为2μm，单层率为91％，平均厚度为1.2nm。
本实施例氧化石墨烯低水泥用量超高性能混凝土的制备过程如下：
1、称取120份石英砂，倒入砂浆搅拌机中，干搅1分钟；投入100份水泥，30份硅灰，120份粉煤灰和50份矿渣粉，再干搅1分钟；将48份水、4.8份减水剂和3份氧化石墨烯分散液(氧化石墨烯和去离子水按质量比1:10混合，然后超声分散液30min)混合均匀加入搅拌锅中，湿搅2分钟；最后加入30份钢纤维搅拌3分钟。
2、搅拌完成后，及时分两层倒入40×40×160的塑料试模中，每层振捣1.5分钟。
3、振捣完成后，及时覆盖塑料保鲜膜，置于标准养护室(温度20±2℃，湿度大于95％)内养护静停24小时后拆模，然后进行蒸汽养护。蒸汽养护具体操作为：拆模后，立即移入快速升温蒸汽养护箱中，以10℃/h的升温升至90℃保持24h，再以10℃/h降温至室内温度，最后移入标准养护室(温度20±2℃，湿度大于95％)内养护至检测龄期。
对比例1
以实施例1为基础，不添加氧化石墨烯。
对比例2
以实施例1为基础，不进行蒸汽养护，而直接进行标准养护，具体为：
步骤1、2同实施例1。
3、振捣完成后，及时覆盖塑料保鲜膜，将试件置于养护室内进行标准养护静停24小时后拆模，立刻将试件置于温度为20±2℃，湿度为95％以上的标准养护室养护至检测龄期。
对比例3
以实施例1为基础，不添加氧化石墨烯，同时不进行蒸汽养护，而直接进行标准养护。
性能测试：
按照标准《活性粉末混凝土》(GB/T-31385-2015)的检测方法对实施例和对比例的混凝土进行抗压强度和抗折强度测试，前者在60吨MTS万能试验机进行，加荷速度为0.8-1.2MPa/s，后者在20吨MTS万能试验机实施，加荷速度为0.08-0.12MPa/s。检测龄期均为7天，28天。实施例及对比例制备的成品性能如下表1所示。
表1实施例及对比例产品的抗压强度和抗折强度测试结果
Figure BDA0002423531540000081
从上述表1的数据对比可知，实施例1制得的氧化石墨烯低水泥用量超高性能混凝土，较对比例1，7d和28d抗压/抗折强度更高，而且不会像对比例1出现后期强度倒缩现象；较对比例2，可以大幅提高混凝土的早期抗压和抗折强度，而且后期也有一定程度地提高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氧化石墨烯低水泥用量超高性能混凝土，其特征在于，按重量份数计，包括水泥100份，硅灰30～50份，粉煤灰60～120份，矿渣粉10～50份，石英砂80～120份，水30～50份，钢纤维20～50份，减水剂2～10份，氧化石墨烯1～10份。
2.如权利要求1所述一种氧化石墨烯低水泥用量超高性能混凝土，其特征在于，所述水泥为P.O.42.5普通硅酸盐水泥。
3.如权利要求1所述一种氧化石墨烯低水泥用量超高性能混凝土，其特征在于，所述硅灰为灰白色，平均粒径为100纳米，比表面积大于16x104cm2/g。
4.如权利要求1所述一种氧化石墨烯低水泥用量超高性能混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为I级粉煤灰；所述矿渣粉为S95级粒化高炉矿渣微粉。
5.如权利要求1所述一种氧化石墨烯低水泥用量超高性能混凝土，其特征在于，所述石英砂的紧密堆积密度为1800Kg/m3，所述石英砂按粒径划分为粗砂，中砂和细砂，其中粗砂的粒径为0.212-0.425mm，中砂的粒径为0.425-0.85mm，细砂的粒径为0.85-2.00mm，粗砂：中砂：细砂的质量比为1:(0.5-1):(0.3-0.8)。
6.如权利要求1所述一种氧化石墨烯低水泥用量超高性能混凝土，其特征在于，所述钢纤维为平直型镀铜微丝钢纤维，长度为12-16mm，直径为0.18-0.25mm，抗拉强度大于800Mpa。
7.如权利要求1所述一种氧化石墨烯低水泥用量超高性能混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率＞30％。
8.如权利要求1所述一种氧化石墨烯低水泥用量超高性能混凝土，其特征在于，所述氧化石墨烯为纳米层状结构，平面内直径0.5～3μm，厚度1.1～1.2nm。
9.如权利要求1所述一种氧化石墨烯低水泥用量超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)称取石英砂，导入搅拌机中干搅，加入水泥，硅灰，粉煤灰和矿渣粉干搅，将水，减水剂和氧化石墨烯分散液混合均匀后加入搅拌机中，湿搅后加入钢纤维并搅拌；
2)将上述搅拌后的物料分两层倒入塑料试模中，并每层振捣；
3)振捣完成后，及时覆盖塑料保鲜膜，置于标准养护室内养护静停一段时间后拆模，然后进行蒸汽养护，最后移入标准养护室内养护至检测龄期。
10.如权利要求1所述一种氧化石墨烯低水泥用量超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，所述蒸汽养护为：拆模后，立即移入蒸汽养护箱中，以5℃/h-15℃/h的升温速率升至90℃-100℃保持20-28h，再以5℃/h-15℃/h的降温速率降至室温。
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