CN111848047A - 一种导热型绿色再生混凝土 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及混凝土的技术领域，具体公开了一种导热型绿色再生混凝土，其技术要点是一种导热型绿色再生混凝土，包括如下原料：P42.5水泥、石灰石粉、外加剂、细骨料、粗骨料、引气剂、纳米氧化铝、氧化石墨烯复合材料、十二烷基硫酸钠分散剂以及水。本发明的混凝土通过提高混凝土的导热能力，将加热管中的热量迅速传递到混凝土路面上，具有加快路面上积雪融化的优点。

Description

一种导热型绿色再生混凝土
技术领域
本发明涉及混凝土的技术领域，更具体地说，它涉及一种导热型绿色再生混凝土。
背景技术
绿色再生混凝土是指将废弃的混凝土块经过破碎、清洗、分级后，按一定比例与级配混合，部分或全部代替砂石等天然集料(主要是粗集料)，再加入水泥、水等配而成的新混凝土。
绿色再生混凝土可用来建造学校操场或者跑道等，其平整性好，使用年限比较持久。但是在寒冷的冬季，操场路面因积雪结冰后，冰会黏附在路面上大大降低了路面的摩擦系数，当学生在路面上行走时会产生打滑现象，带来严重的不良影响。因此，为了保障学生行走安全和便于学生活动，避免或减少事故发生，需要采取措施清除路面冰雪。
目前学校操场清理积雪普遍采用的方法是撒融雪剂和利用人工机械清除，或者直接在地下铺设加热管。但是融雪剂的主要成分是氯盐，氯离子不仅腐蚀道路设施，加速路面破坏，还会污染地下水资源，并且撒融雪剂时浪费大量物力、人力；机械清除法使用的破冰机具会对路面会产生破坏作用，严重影响操场的使用寿命。
针对现有技术的不足，在地下铺设加热管后，由于混凝土的导热能力比较低，使得加热管上产生的热量向混凝土内部的传递速度较慢，导致冬天下雪后操场路面上积雪的融化速度较慢，影响了学生活动。
发明内容
针对现有技术存在的学校操场处理积雪困难的问题，本发明的第一个目的在于提供一种导热型绿色再生混凝土，通过在组分中加入氧化石墨烯复合材料，提高混凝土的导热性能，加快热量向混凝土路面的传递，具有加快积雪融化的优点。
本发明的第二个目的在于提供一种导热型绿色再生混凝土的制备方法，具有避免混凝土开裂，增加混凝土均匀性和抗压性能的优点。
为实现上述第一个目的，本发明提供了如下技术方案：一种导热型绿色再生混凝土，按重量份数计，包括以下组分：P42.5水泥320-325份；石灰石粉65-80份；外加剂6.5-7.5份；细骨料910-930份；所述细骨料为机制砂；粗骨料485-500份；引气剂2-3份；纳米氧化铝9-11份；十二烷基硫酸钠分散剂4-6份；氧化石墨烯复合材料8-12份；水140-155份。
通过采用上述技术方案，原料中加入了氧化石墨烯复合材料作为混凝土的组分，当路面上存在积雪时，氧化石墨烯复合材料可以快速将加热管中的热量传递到混凝土路面的表面上，使积雪吸收热量融化，防止积雪结冰；同时，水泥与粗骨料、细骨料混合过程中，在水和十二烷基硫酸钠分散剂的分散作用下，氧化石墨烯与纳米氧化铝进行杂化形成杂化纳米材料，提高了固-液界面的润湿性，使分子在固-液界面处优先聚集，降低了界面热阻，增强了混凝土的导热性能，促进加热管中的热量向混凝土路面的传递，加快路面积雪融化的速度。
优选的，所述组分的重量份为P42.5水泥322份；石灰石粉70份；聚羧酸减水剂7.2份；细骨料920份；所述细骨料为机制砂；粗骨料498份；引气剂2.8份；纳米氧化铝10.8份；十二烷基硫酸钠分散剂5.6份；氧化石墨烯复合材料11份；水152份。
通过采用上述技术方案，组分中所包含的各种物质均为最佳配比，所制备出的混凝土的导热性能最佳，能快速将加热管中的热量传递到路面表面，短时间内促进积雪融化。
优选的，所述石墨烯复合材料由重量比为1∶1的氧化石墨烯和单壁碳纳米管组成。
通过采用上述技术方案，组分中所添加的氧化石墨烯分子中含有大量的亲水官能团，可以均匀分散于水中，并且可与单壁碳纳米管的侧壁相连接，所以氧化石墨烯和单壁碳纳米管复配后会形成三维网状结构，使其表现出更好的导热性能；复配后形成的复合材料可以均分分散于水溶液中，并且相邻的氧化石墨烯分子之间排列紧密形成连续的导热通道，加快了热量的传递。
优选的，所述外加剂为聚羧酸系高性能减水剂。
通过采用上述技术方案，聚羧酸减水剂中带有的酸性基团能够减小混凝土的碱性，同时还可以作为分散剂增大水泥颗粒之间、石墨烯复合材料之间和水泥与石墨烯复合材料之间的斥力和位阻，使石墨烯复合材料均匀分散于混凝土中，保证混凝土的导热性能。与此同时，聚羧酸系高性能减水剂与水泥的相容性好，混凝土的坍落度较好，可以延长混凝土的施工时间。
优选的，所述粗骨料由重量比为1.5∶1的天然粗骨料和再生粗骨料组成；所述天然粗骨料的粒径为1-3cm。
通过采用上述技术方案，将再生骨料和天然骨料混合制得粗骨料，有利于合理资源，减少混凝土颗粒对大气和环境的污染。同时，粗骨料能起到刚性骨架的作用，提高了混凝土的劈裂抗拉强度。
优选的，所述组分中包含重量份数为3.5份的聚丙烯纤维。
通过采用上述技术方案，聚丙烯纤维是一种热的良导体，能够与石墨烯复合材料和纳米氧化硅相配合，提高混凝土的导热效果；并且聚丙烯纤维还能够消除或减小混凝土内部缝隙的数量，提高材料介质的连续性以及材料对冲击能的吸收能力，使混凝土的抗冲击、抗疲劳性能提高。
优选的，所述引气剂为松香粉、氢氧化钠、硫酸、三聚氰胺、乙二醇、新戊二醇和水所制备的混合树脂C，包括以下制备工艺：
a.将松香粉、氢氧化钠和水投入反应釜中，混合搅拌15分钟，然后加热至70℃，保温30分钟，制得混合树脂A；
b.将混合树脂A升温至80℃，缓慢加入硫酸和三聚氰胺，保温25分钟，制得混合树脂B；
c.将混合树脂B升温至87℃，依次缓慢加入乙二醇和新戊二醇的混合物，保温45分钟，生成混合树脂C。
通过采用上述技术方案，引气剂与混凝土拌合料一起搅拌的过程中，引气剂可以在混凝土内部引入许多带相同电荷的气泡，这些气泡之间相互排斥使其能够均匀分布在混凝土的内部；并且引气剂还起到分散和乳化的作用，减小了物料之间的摩擦力，提高了混凝土拌合料的流动性和混合均匀性。
为实现上述第二个目的，本发明提供了如下技术方案：
一种导热型绿色再生混凝土，包括以下步骤：
步骤1，称取相应份数的水泥、粗骨料、细骨料和石灰石粉投入搅拌机，转速为260r/min，室温条件下搅拌8分钟；
步骤2，称取相应份数的石墨烯复合材料、纳米氧化铝、十二烷基硫酸钠分散剂加入步骤1中的搅拌机内，转速为260r/min，室温条件下，继续搅拌4分钟，再加入三分之一的水和聚丙烯纤维，继续搅拌3分钟混合成均匀的砂浆；
步骤3，向步骤2中加入引气剂、减水剂和剩余的水，转速为260r/min，室温条件下再搅拌10分钟至混合均匀，制得混凝土。
通过采用上述技术方案，水泥吸收水分后具有一定的粘结性，先在无水条件下将水泥、粗骨料、细骨料和石灰石粉进行搅拌，各物料之间的流动性比较强，更易搅拌均匀；当水泥、粗骨料、细骨料和石灰石粉搅拌均匀后，加入少量的水能够防止粗骨料吸收水分后下沉，导致混凝土出现离析现象，使混凝土更均匀；最后添加引气剂和减水剂能够增加物料的分散性，进一步提高混凝土的混合效果。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
第一，本发明采用石灰石粉作为混凝土的组分，增加了混凝土的密实性，使混凝土的毛细孔得到细化，提高了混凝土的抗冻性，降低混凝土在低温条件下产生裂缝的可能性，并配合聚丙烯纤维的作用，共同增强了混凝土的强度；
第二，本发明的组分中采用了氧化石墨烯作为导热材料，不仅提高了混凝土的导热性能，而且氧化石墨烯复合材料分子中含有大量的羧基等含氧基团，可与水泥发生水化作用，生成水化产物，降低混凝土内部的孔隙率，使混凝土更密实，提高了混凝土的强度和韧性。
第三，本发明的组分中采用的水泥为P42.5硅酸盐水泥，与水混合搅拌后能够形成极性较强的硅羟基，可以与氧化石墨烯分子中的羟基结合形成氢键，使分子之间相互缠绕形成网状结构，提高了混凝土的劈裂抗拉强度和硬化后的坚实性。
附图说明
图1是实施例中引气剂的制备方法
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
引气剂的制备例
参照图1，引气剂采用如下方法制备而得：
a.称取35g松香粉投入500毫升的反应釜中，再向反应釜中加入25g氢氧化钠和100g水，混合搅拌15分钟，然后加热至70℃，保温30分钟，制得混合树脂A；
b.将混合树脂A升温至80℃，缓慢加入10g硫酸和25g三聚氰胺，保温20分钟，制得混合树脂B；
c.将混合树脂B升温至87℃，依次缓慢加入10g乙二醇和15g新戊二醇的混合物，保温40分钟，生成混合树脂C(引气剂)。
实施例
本实施例中使用的水泥、聚羧酸系高性能减水剂、石灰石粉、纳米氧化铝、氧化石墨烯、单壁碳纳米管和十二烷基硫酸钠分散剂均为市售产品。
实施例1：一种导热型绿色再生混凝土采用如下方法制备而得：
步骤一，选取290g、粒径为2cm的天然粗骨料，并与195g再生粗骨料混合，得到粗骨料。
步骤二，称取320g水泥、910g机制砂和65g石灰石粉，将其进行混合，并与步骤一所制得的粗骨料一起投入搅拌机中，转速为260r/min，室温条件下搅拌8分钟。
步骤三，称取4g氧化石墨烯，并与4g单壁碳纳米管进行物理共混，制得氧化石墨烯复合材料。
步骤四，称取4g十二烷基硫酸钠分散剂、9g纳米氧化硅与步骤三中的氧化石墨烯复合材料一起投入搅拌机内，转速为260r/min，室温条件下，继续搅拌4分钟；再加入47g水和3.5g聚丙烯纤维，继续搅拌3分钟混合成均匀的砂浆。
步骤五，向混合砂浆中加入2g引气剂、6.5g聚羧酸型系高性能减水剂和93g水，转速为260r/min，室温条件下再搅拌10分钟至混合均匀，制得混凝土。
实施例2：一种导热型绿色再生混凝土采用如下方法制备而得：
步骤一，选取295.5g、粒径为2cm的天然粗骨料，并与197g再生粗骨料混合，得到粗骨料。
步骤二，称取322.5g水泥、920g机制砂和72.5g石灰石粉，将其进行混合，并与步骤一所制得的粗骨料一起投入搅拌机中，转速为260r/min，室温条件下搅拌8分钟。
步骤三，称取5g氧化石墨烯，并与5g单壁碳纳米管进行物理共混，制得氧化石墨烯复合材料。
步骤四，称取5g十二烷基硫酸钠分散剂、10g纳米氧化硅与步骤三中的氧化石墨烯复合材料一起投入搅拌机内，转速为260r/min，室温条件下，继续搅拌4分钟；再加入49g水和3.5g聚丙烯纤维，继续搅拌3分钟混合成均匀的砂浆。
步骤五，向混合砂浆中加入2.5g引气剂、7g聚羧酸型系高性能减水剂和98g水，转速为260r/min，室温条件下再搅拌10分钟至混合均匀，制得混凝土。
实施例3：一种导热型绿色再生混凝土采用如下方法制备而得：
步骤一，选取300g、粒径为2cm的天然粗骨料，并与200g再生粗骨料混合，得到粗骨料。
步骤二，称取325g水泥、930g机制砂和80g石灰石粉，将其进行混合，并与步骤一所制得的粗骨料一起投入搅拌机中，转速为260r/min，室温条件下搅拌8分钟。
步骤三，称取6g氧化石墨烯，并与6g单壁碳纳米管进行物理共混，制得氧化石墨烯复合材料。
步骤四，称取6g十二烷基硫酸钠分散剂、11g纳米氧化硅与步骤三中的氧化石墨烯复合材料一起投入搅拌机内，转速为260r/min，室温条件下，继续搅拌4分钟；再加入52g水和3.5g聚丙烯纤维，继续搅拌3分钟混合成均匀的砂浆。
步骤五，向混合砂浆中加入3g引气剂、7.5g聚羧酸型系高性能减水剂和103g水，转速为260r/min，室温条件下再搅拌10分钟至混合均匀，制得混凝土。
实施例4：一种导热型绿色再生混凝土采用如下方法制备而得：
步骤一，选取297g、粒径为2cm的天然粗骨料，并与198g再生粗骨料混合，得到粗骨料。
步骤二，称取322g水泥、920g机制砂和70g石灰石粉，将其进行混合，并与步骤一所制得的粗骨料一起投入搅拌机中，转速为260r/min，室温条件下搅拌8分钟。
步骤三，称取5.5g氧化石墨烯，并与5.5g单壁碳纳米管进行物理共混，制得氧化石墨烯复合材料。
步骤四，称取5.6g十二烷基硫酸钠分散剂、10.8g纳米氧化硅与步骤三中的氧化石墨烯复合材料一起投入搅拌机内，转速为260r/min，室温条件下，继续搅拌4分钟；再加入51g水和3.5g聚丙烯纤维，继续搅拌3分钟混合成均匀的砂浆。
步骤五，向混合砂浆中加入2.8g引气剂、7.2g聚羧酸型系高性能减水剂和101g水，转速为260r/min，室温条件下再搅拌10分钟至混合均匀，制得混凝土。
对比例
对比例1：一种导热型绿色再生混凝土，与实施例1不同之处在于，其原料中不包含单壁碳纳米管、聚丙烯纤维、纳米氧化铝和十二烷基硫酸钠分散剂。
对比例2：一种导热型绿色再生混凝土，与对比例1不同之处在于，其原料中还包含5.5g单壁碳纳米管，步骤四中，将所制得的氧化石墨烯复合材料投入搅拌机内，转速为260r/min，室温条件下，继续搅拌4分钟；再加入51g水，继续搅拌3分钟混合成均匀的砂浆。
对比例3：一种导热型绿色再生混凝土，与对比例1不同之处在于，其原料中还包含3.5g聚丙烯纤维，步骤四中，将所制得的氧化石墨烯复合材料投入搅拌机内，转速为260r/min，室温条件下，继续搅拌4分钟；再加入51g水和3.5g聚丙烯纤维，继续搅拌3分钟混合成均匀的砂浆。
对比例4：一种导热型绿色再生混凝土，与对比例1不同之处在于，其原料中还包含10.8g纳米氧化铝和5.6g十二烷基硫酸钠分散剂，步骤四中，称取5.6g十二烷基硫酸钠分散剂、10.8g纳米氧化硅与步骤三中的氧化石墨烯复合材料一起投入搅拌机内，转速为260r/min，室温条件下，继续搅拌4分钟；再加入51g水，继续搅拌3分钟混合成均匀的砂浆。
对比例5：一种导热型绿色再生混凝土，与对比例1不同之处在于，其原料中还包含5.5g单壁碳纳米管和3.5g聚丙烯纤维，步骤四中，将步骤三中所制得的氧化石墨烯复合材料投入搅拌机内，转速为260r/min，室温条件下，继续搅拌4分钟；再加入51g水和3.5g聚丙烯纤维，继续搅拌3分钟混合成均匀的砂浆。
对比例6：一种导热型绿色再生混凝土，与对比例1不同之处在于，其原料中还包含5.5g单壁碳纳米管、10.8g纳米氧化铝和5.6g十二烷基硫酸钠分散剂，步骤四中，称取5.6g十二烷基硫酸钠分散剂、10.8g纳米氧化硅与步骤三中的氧化石墨烯复合材料一起投入搅拌机内，转速为260r/min，室温条件下，继续搅拌4分钟；再加入51g水，继续搅拌3分钟混合成均匀的砂浆。
对比类7：一种导热型绿色再生混凝土，与对比例1不同之处在于，其原料中还包含3.5g聚丙烯纤维、10.8g纳米氧化铝和5.6g十二烷基硫酸钠分散剂，步骤四中，称取5.6g十二烷基硫酸钠分散剂和10.8g纳米氧化硅一起投入搅拌机内，转速为260r/min，室温条件下，继续搅拌4分钟；再加入51g水和3.5g聚丙烯纤维，继续搅拌3分钟混合成均匀的砂浆。
性能检测试验
试验一，混凝土劈裂抗拉强度测试：
试验样品：选取实施例1-4作为试验样品，选取对比例1-7作为对照样品，并将试验样品和对照样品依次编号为试验样品1-4和对照样品1-7。
试验方法：将所制备的混凝土放入150mm×150mm×300mm混凝土试块的模具中，浇筑成标准试块，每个样品设为一组，并且一组浇筑3块。将标准试块放入标准养护室进行养护，7天后拆模。当混凝土试块到达28天期龄时，将标准试块取出并放置于室外环境中，对每组混凝土试块进行劈裂抗拉强度测试，并取三块混凝土试块的劈裂抗拉强度的平均值作为该组的劈裂抗拉强度值。
试验二，混凝土导热性能测试：
试验样品：选取实施例1-4作为试验样品，选取对比例1-7作为对照样品，并将试验样品和对照样品依次编号为试验样品1-4和对照样品1-7。
试验方法：将所制备的混凝土放入500mm×500mm×250mm混凝土试块的模具中，浇筑成标准试块，每个样品设为一组，并且一组浇筑3块。将标准试块放置于测试壳体中，并在测试壳体的底面铺设加热棒。进行人工降雪模拟冬季的天气状况，当降雪的厚度达到20mm时，将加热棒与电源接口连接，记录融雪所消耗的时间，并取三块混凝土试块的融雪时间的平均值作为该组的融雪时间值。
测试结果：
表1试验样品1-4和对照样品1-7的测试结果
Figure BDA0002614616280000071
Figure BDA0002614616280000081
结合实施例1-4的数据可以看出，聚丙烯纤维和石灰石粉对混凝土的劈裂抗拉强度具有较好的贡献作用。聚丙烯纤维和石灰石粉的加入，能够防止混凝土试块受压下产生应力变形，减少裂缝的产生，而且聚丙烯纤维还是热的良导体，加入到混凝土中后，会在一定程度上提高混凝土试块的导热能力。随着聚丙烯纤维和石灰石粉含量的增加，混凝土的劈裂抗拉强度呈现先增大后减小的趋势。其中，以实施例4所制备的混凝土试块的劈裂抗拉强度最佳。
结合实施例1-4的数据可以看出，在原料中加入了氧化石墨烯复合材料后，随着氧化石墨烯复合材料含量的增加，混凝土试块的导热能力逐渐增大，融雪时间逐渐缩短；当氧化石墨烯复合材料的含量增加到11kg时，再继续增加氧化石墨烯复合材料的含量，混凝土试块的导热能力降低，融雪时间延长。其中，以实施例4所制备的混凝土试块的导热能力最佳。
结合对比例1的数据可以看出，在原料中加入了聚丙烯纤维、纳米氧化铝、十二烷基硫酸钠分散剂和单壁碳纳米管后，会提高混凝土试块的导热能力，并在一定程度上提高混凝土试块的劈裂抗拉强度。
结合对比例2-3的数据可以看出，在原料中加入了单壁碳纳米管后，会在一定程度上提高混凝土试块的导热能力，但是对混凝土试块的劈裂抗拉强度贡献不大。在原料中加入聚丙烯纤维后，混凝土试块的劈裂抗拉强度和导热能力提高。
结合对比例4-7的数据可以看出，与实施例1中的数据相比较，添加单壁碳纳米管、聚丙烯纤维、纳米氧化铝和十二烷基硫酸钠分散剂中的任意两种，混凝土试块的劈裂抗拉强度下降，融雪时间延长。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种导热型绿色再生混凝土，其特征在于：按重量份数计，包括以下组分：
P42.5水泥320-325份；
石灰石粉65-80份；
外加剂6.5-7.5份；
细骨料910-930份，所述细骨料为机制砂；
粗骨料485-500份；
引气剂2-3份；
纳米氧化铝9-11份；
氧化石墨烯复合材料8-12份；
十二烷基硫酸钠分散剂4-6份；
水140-155份。
2.根据权利要求1所述的一种导热型绿色再生混凝土，其特征在于，所述组分的重量份为：
P42.5水泥322份；
石灰石粉70份；
聚羧酸减水剂7.2份；
细骨料920份，所述细骨料为机制砂；
粗骨料498份；
引气剂2.8份；
纳米氧化铝10.8份；
氧化石墨烯复合材料11份；
十二烷基硫酸钠分散剂5.6份；
水152份。
3.根据权利要求1所述的一种导热型绿色再生混凝土，其特征在于，所述氧化石墨烯复合材料由重量比为1∶1的氧化石墨烯和单壁碳纳米管组成。
4.根据权利要求1所述的一种导热型绿色再生混凝土，其特征在于，所述外加剂为聚羧酸系高性能减水剂。
5.根据权利要求1所述的一种导热型绿色再生混凝土，其特征在于，所述粗骨料由重量比为1.5∶1的天然粗骨料和再生粗骨料组成；所述天然粗骨料的粒径为1-3cm。
6.根据权利要求1所述的一种导热型绿色再生混凝土，其特征在于，所述组分中包含重量份数为3.5份的聚丙烯纤维。
7.根据权利要求1所述的一种导热型绿色再生混凝土，其特征在于，所述引气剂为松香粉、氢氧化钠、硫酸、三聚氰胺、乙二醇、新戊二醇和水所制备的混合树脂C，包括以下制备工艺：
a.将松香粉、氢氧化钠和水投入反应釜中，混合搅拌15分钟，然后加热至70℃，保温30分钟，制得混合树脂A；
b.将混合树脂A升温至80℃，缓慢加入硫酸和三聚氰胺，保温25分钟，制得混合树脂B；
c.将混合树脂B升温至87℃，依次缓慢加入乙二醇和新戊二醇的混合物，保温45分钟，生成混合树脂C。
8.权利要求1-7任一所述的导热型绿色再生混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，称取相应份数的水泥、粗骨料、细骨料和石灰石粉投入搅拌机，转速为260r/min，室温条件下搅拌8分钟；
步骤2，称取相应份数的石墨烯复合材料、纳米氧化铝、十二烷基硫酸钠分散剂加入步骤1中的搅拌机内，转速为260r/min，室温条件下，继续搅拌4分钟，再加入三分之一的水和聚丙烯纤维，继续搅拌3分钟混合成均匀的砂浆；
步骤3，向步骤2中加入引气剂、减水剂和剩余的水，转速为260r/min，室温条件下再搅拌10分钟至混合均匀，制得混凝土。
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