CN111517705A - 一种强度等级c100以上的多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种强度等级C100以上的多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土及其制备方法,本发明属于混凝土技术领域,解决了现有制备的活性粉末混凝土不能在提高活性粉末混凝土基本力学性能的同时提高其抗疲劳性能的缺点。该混凝土掺入多壁碳纳米管,抗压、抗折强度和疲劳寿命均得到显著提高,可应用于对强度和疲劳性能均有要求的结构。制备方法是按重量称取水泥、粉煤灰、硅灰及石英砂/粉并投入到混合料中,拌合均匀,将多壁碳纳米管加入适量水中,经超声波分散,制得多壁碳纳米管浆体;最后将剩余水、聚羧酸减水剂及多壁碳纳米管浆体投入干料中,搅拌均匀,即为多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土。

Description

一种强度等级C100以上的多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土 及其制备方法
技术领域
本发明属于混凝土技术领域,具体涉及一种强度等级C100以上的多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土及其制备方法。
背景技术
活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,以下简称RPC)自身较密实,孔隙率低,从整体上提高了体系均匀性、强度和耐久性,经常被用于水利、桥梁与军事中,不但能够阻止放射性物质从内部泄漏,而且能够抵御外部侵蚀性介质的腐蚀。其自身高强性能,在实际应用中,可以采用更薄的截面或具有创新性的截面形状,从而使结构自重比普通混凝土结构轻得多,同时RPC可以减少箍筋和受力筋的用量,甚至可以不设置箍筋。然而,活性粉末混凝土和普通混凝土同样存在抗弯性能差、韧性差,反复荷载作用下易产生破坏且随着RPC强度的提高,其脆性破坏特征更加明显。
纳米材料对于水泥基复合材料有增韧、增强、阻裂的作用。多壁碳纳米管的改性作用可使同等级的混凝土获得更好的强度和更优的韧性,这使得多壁碳纳米管改性成为活性粉末混凝土的发展趋势之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种强度等级C100以上的多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土及其制备方法,以解决现有技术所制备的混凝土不能在提高活性粉末混凝土基本力学性能的同时提高其弯曲疲劳的缺点。该混凝土掺入多壁碳纳米管,抗压、抗折强度和弯曲疲劳性能均得到显著提高,可应用于对强度和抗疲劳性能均有要求的实际工程。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种强度等级C100以上的多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土,其特征在于它由混凝土胶凝材料、钢纤维、骨料、水、减水剂和碳纳米管制成,碳纳米管与混凝土胶凝材料质量比为0.05%~0.15%。
进一步的,混凝土胶凝材料包括水泥、粉煤灰和硅灰,钢纤维为镀铜微丝钢纤维,骨料为石英砂和石英粉,碳纳米管为多壁碳纳米管,减水剂为聚羧酸高性能减水剂,水为自来水,上述组分按照一定的比例配合而成。
进一步地,所述强度等级C100以上的多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土,混凝土基质的重量份数为:石英砂31-33份、水泥22-24份、石英粉13-15份、水6-8份、硅灰5-7 份、粉煤灰4-6份、钢纤维3-4份、减水剂0.8-1.2份。
上述的强度等级C100以上的多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土,所述石英砂为粒径 20-40目、40-70目,两种石英砂在重量上各占50%;石英粉为250目;所述水泥为强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥;所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰;所述减水剂为聚羧酸减水剂。
上述的多强度等级C100以上的多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土,所述多壁碳纳米管为亚微米级尺寸,单丝直径3-15nm,长度15-30μm。
上述的强度等级C100以上的多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土,所述镀铜微丝钢纤维为亚厘米级尺寸纤维,单丝直径22μm,长度13mm。
上述的强度等级C100以上的多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土的制备方法,包括如下步骤:
一、将按重量称取的石英砂和石英粉投入到搅拌机中,搅拌均匀得混合料;
二、将按重量称取的水泥、粉煤灰、硅灰及镀铜微丝钢纤维投入到步骤一制得的混合料中,经拌合均匀得到干料;
三、按重量称取水和聚羧酸高性能减水剂,将碳纳米管加入适量的上述水和减水剂中,经超声波分散6min,制得多壁碳纳米管混合液;
四、将剩余水、聚羧酸高性能减水剂及步骤三中制得的多壁碳纳米管混合液投入步骤二制得的干料中,搅拌均匀,所得即为多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土。
本发明的有益效果如下:
第一,通过以粉煤灰等量取代水泥,提高了混凝土的工作性能;通过以硅灰等量取代水泥,在提高混凝土强度的同时更有利于多壁碳纳米管在混凝土内部的分散。
第二,明确地提出了一种多壁碳纳米管分散方法,进而使得多壁碳纳米管能够均匀分散在混凝土基体中。
第三,多壁碳纳米管通过对混凝土起到提升材料内部整体性、从纳米级别改善混凝土内部骨料与胶凝材料界面粘结性和抑制微裂缝的产生和发展,从而起到改性作用,使得活性粉末混凝土抗压、抗折强度和抗疲劳新能提高效果明显。
附图说明
图1为对照组混凝土轴压破坏实验后试件形态照片;
图2为本发明方法制备的混凝土轴压破坏实验后试件形态照片;
图3为对照组混凝土抗折破坏实验后试件形态照片;
图4为本发明方法制备的混凝土抗折破坏实验后试件形态照片;
图5为对照组混凝土疲劳加载实验后试件形态照片;
图6为本发明方法制备的混凝土疲劳加载实验后试件形态照片。
具体实施方式
具体实施方式一:
一种强度等级C100以上的多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土,它由混凝土胶凝材料、钢纤维、骨料、水、减水剂和碳纳米管制成,碳纳米管与混凝土胶凝材料质量比为0.05%~0.15%。混凝土基质(不包括碳纳米管的混凝土)的重量分数组成为:石英砂31-33份、水泥22-24份、石英粉13-15份、水6-8份、硅灰5-7份、粉煤灰4-6份、钢纤维3-4 份、减水剂0.8-1.2份。
上述的强度等级C100以上的多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土,所述的多壁碳纳米管的质量分数为胶凝材料的0.05%~0.15%,当多壁碳纳米管掺量超出上述范围上限时, MWCNTs将分散不均,无法在混凝土中很好地发挥改性作用。所述的镀铜微丝钢纤维体积掺量为1.2%,当镀铜微丝钢纤维体积掺量超出上述范围上限时,纤维的互相搭接甚至部分结团会引起活性粉末混凝土的工作性能的大幅度下降,使得活性粉末混凝土工作性能下降。
上述的强度等级C100以上的多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土,所述石英砂为粒径 20-40目、40-70目各占50%;石英粉为250目;所述水泥为强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥;所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰,满足规范《GB/T 1596-2005用于水泥和混凝土中的粉煤灰》;所述硅灰满足规范《GB/T 27690-2011砂浆和混凝土用硅灰》;所述减水剂为聚羧酸减水剂。
上述的强度等级C100以上的多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土,所述多壁碳纳米管碳为亚微米级尺寸纤维,单丝直径3-15nm,长度15-30μm。
上述的强度等级C100以上的多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土,所述镀铜微丝钢纤维为亚厘米级尺寸纤维,单丝直径22μm,长度13mm。
上述的强度等级C100以上的多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土的制备方法,包括如下步骤:
一、将按重量称取的石英砂和石英粉投入到搅拌机中,搅拌均匀得混合料;
二、将按重量称取的水泥、粉煤灰、硅灰及镀铜微丝钢纤维投入到步骤一制得的混合料中,经拌合均匀得到干料;
三、按重量称取水和聚羧酸高性能减水剂,将碳纳米管加入适量的上述水和减水剂中,经超声波分散6min,制得多壁碳纳米管混合液;
四、将剩余水、聚羧酸高性能减水剂及步骤三中制得的多壁碳纳米管混合液投入步骤二制得的干料中,搅拌均匀,所得即为多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土。
实施例1:
抗压强度:本实施例共制作4组试件,其中1组不添加碳纳米管作为对照组,3组碳纳米管改性RPC作为试验组。
基体混凝土配合比同实施例1。
抗压强度测试采用边长为100mm×100mm×100mm的立方体,每组做3个试件,试验分组及测试结果如下:
Figure RE-GDA0002549219290000041
从表中的试验数据可知,本发明通过适当的原料及碳纳米管配比可以充分发挥碳纳米管的有益作用,从而大幅度提高了混凝土的抗压强度,分别比对照组RPC高出10.95%、16.25%。
实施例2:
轴心抗压强度实验:本实施例共制作4组试件,其中1组不添加多壁碳纳米管作为对照组,3组掺入多壁碳纳米管RPC作为试验组。基体混凝土的重量分数组成为:每100 份混凝土基质,石英砂31-33份、水泥22-24份、石英粉13-15份、水6-8份、硅灰5-7 份、粉煤灰4-6份、钢纤维3-4份、减水剂0.8-1.2份。
轴心抗压强度测试采用100mm×100mm×300mm的长方体,每组做3个试件,试验分组及测试结果如下:
Figure RE-GDA0002549219290000042
Figure RE-GDA0002549219290000051
从表中的试验数据可知,本发明通过适当的原料及碳纳米管配比可以充分发挥纳米材料的有益作用,从而大幅度提高了混凝土的轴心抗压强度,分别比对照组RPC高出17.58%、 22.51%。
实施例3:
抗折强度:本实施例共制作4组试件,其中1组不添加碳纳米管作为对照组,3组碳纳米管改性RPC作为试验组。
基体混凝土配合比同实施例1。
抗折强度测试采用边长为40mm×40mm×160mm的长方体,每组做3个试件,试验分组及测试结果如下:
Figure RE-GDA0002549219290000052
从表中的试验数据可知,本发明通过适当的原料及碳纳米管配比可以充分发挥碳纳米管的有益作用,从而大幅度提高了混凝土的抗折强度,分别比对照组RPC高出6.38%、12.46%。
实施例4:
弯曲疲劳:本实施例共制作4组试件,其中1组不添加碳纳米管作为对照组,3组碳纳米管改性RPC作为试验组。
基体混凝土配合比同实施例1。
弯曲疲劳测试采用40mm×40mm×160mm尺寸试件,每组做6个试件,试验分组及测试结果如下:
Figure RE-GDA0002549219290000053
Figure RE-GDA0002549219290000061
从表中的试验数据可知,本发明通过适当的原料及碳纳米管配比可以充分发挥碳纳米管的有益作用,从而大幅度提高了RPC的疲劳寿命,分别比试验组RPC高出20.84%、102.82%和30.03%。
图1和图2是轴压破坏后试件形态。
图3和图4为抗折试验破坏后试件形态。
图5和图6为疲劳试验破坏后试件形态。

Claims (7)

1.一种强度等级C100以上的多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土,其特征在于它由混凝土胶凝材料、钢纤维、骨料、水、减水剂和碳纳米管制成,碳纳米管与混凝土胶凝材料质量比为0.05%~0.15%。
2.根据权利要求1所述的一种强度等级C100以上的多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土,其特征在于混凝土基质中混凝土胶凝材料包括水泥、粉煤灰和硅灰,钢纤维为镀铜微丝钢纤维,骨料为石英砂和石英粉,碳纳米管为多壁碳纳米管,减水剂为聚羧酸高性能减水剂,水为自来水。
3.根据权利要求2所述的一种强度等级C100以上的多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土,其特征在于混凝土基质中的重量份数为:石英砂31-33份、水泥22-24份、石英粉13-15份、水6-8份、硅灰5-7份、粉煤灰4-6份、钢纤维3-4份、减水剂0.8-1.2份。
4.根据权利要求3所述的一种强度等级C100以上的多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土,其特征在于所述石英砂粒径分别为20-40目、40-70目,两种石英砂在重量上各占50%;所述石英粉为250目;所述水泥为强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥;所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰;所述硅灰为微硅粉;所述减水剂为聚羧酸减水剂。
5.根据权利要求2所述的一种强度等级C100以上的多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土,其特征在于所述多壁碳纳米管,单丝直径3-15nm,长度15-30μm。
6.根据权利要求2所述的一种多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土,其特征在于所述镀铜微丝钢纤维为亚厘米级尺寸纤维,单丝直径22μm,长度13mm。
7.一种权利要求2至6任一项所述的强度等级C100以上的多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土,其特征在于,该混凝土的制备方法包括如下步骤:
一、将按重量称取的石英砂和石英粉投入到搅拌机中,搅拌均匀得混合料;
二、将按重量称取的水泥、粉煤灰、硅灰及镀铜微丝钢纤维投入到步骤一制得的混合料中,经拌合均匀得到干料;
三、按重量称取水和聚羧酸高性能减水剂,将碳纳米管加入适量的上述水中,经超声波分散6min,制得多壁碳纳米管混合液;
四、将聚羧酸高性能减水剂及上述剩余的水及步骤三中制得的多壁碳纳米管混合液投入步骤二制得的干料中,搅拌均匀,所得即为多壁碳纳米管改性活性粉末混凝土。
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