CN113024146A - 一种自修复水泥基复合材料制备方法 - Google Patents

一种自修复水泥基复合材料制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自修复水泥基复合材料制备方法，包括自修复材料，自修复材料的原料按质量百分比计包括：SiO2‑GO(GO,grapheneoxide)复合材料0～10wt％，修复材料20～50wt％，膨胀剂5～15wt％，活性矿物微粉20～35wt％，激发剂1～3wt％，去离子水10～20wt％；自修复材料的原料经混料、造粒工艺制成。本发明通过溶胶‑凝胶法，制备纳米SiO2颗粒，利用纳米SiO2作为GO的载体材料，达到GO在制备自修复材料中均匀分散的目的。利用GO对水泥基材料水化产物结晶成核的诱导效应，促进水泥基材料微观裂缝的自修复；在水泥基材料产生微裂纹的地方，GO能够促进自修复材料在水泥基材料中的水化，在微裂纹处形成自修复产物，不断填充微裂缝，达到对微裂缝进行修复的目的。

Description

一种自修复水泥基复合材料制备方法
技术领域
本发明涉及水泥混凝土材料技术领域，具体涉及一种自修复水泥基复合材料制备方法。
背景技术
水泥混凝土材料具有较高的力学性能，至今仍然是用量最大，性能最为优良的建筑材料。但水泥混凝土材料在其长期使用过程中，由于自身体积收缩以及外界荷载等影响，不可避免的产生微观裂缝，这些微观裂缝(小于0.1mm)如果得不到及时控制，将会发展成为宏观裂缝，对混凝土材料的力学性能和耐久性产生不利影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种自修复水泥基复合材料的制备方法，使得微观裂缝能够得到及时控制，修复微观裂缝。
发明人经研究得出了氧化石墨烯(GO)和活性矿物掺和料复合制备自修复材料的方法。作为石墨烯的氧化衍生物，GO表面含有大量的羧基、羟基、环氧基等含氧官能团，以其良好的亲水性在水泥基材料中具有良好的应用前景。GO的存在为水泥水化大晶体的提供了成核位点，能够改变水泥石水化产物的形状，较好分散性GO掺入可以提高水泥石的韧性，缓解应力集中，抑制微观裂纹的产生和扩展，从而使水泥石形成更为致密的结构，对水泥基材料耐久性提升具有积极的作用效果。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：
一种自修复水泥基复合材料制备方法，包括自修复材料，所述自修复材料的原料按质量百分比计包括：SiO2-GO复合材料0～10wt％，修复材料20～50wt％，膨胀剂5～15wt％，活性矿物微粉20～35wt％，激发剂1～3wt％，去离子水10～20wt％。
进一步地，上述自修复水泥基复合材料制备方法中，所述自修复材料的原料经混料、造粒工艺制成。
进一步地，上述自修复水泥基复合材料制备方法中，自修复材料的原料混合后在圆盘造粒机上通过喷雾造粒法进行造粒，造粒后于标准养护条件下进行养护，得到颗粒状自修复材料，所述标准养护条件为18～22℃，RH≧90％。
进一步地，上述自修复水泥基复合材料制备方法中，将自修复材料和水泥、砂石和减水剂混合，制备自修复水泥基复合材料。
进一步地，上述自修复水泥基复合材料制备方法中，所述自修复材料用量为所述水泥用量的1～10％，砂石骨料掺量为水泥质量的 100～400％。
进一步地，上述自修复水泥基复合材料制备方法中，SiO2-GO复合材料采用溶胶-凝胶法制备，首先制备纳米SiO2颗粒，再将其和GO 浆液进行复合，制备SiO2-GO复合粉体材料。
进一步地，上述自修复水泥基复合材料制备方法中，所述活性矿物微粉为矿渣微粉或硅灰。
进一步地，上述自修复水泥基复合材料制备方法中，所述修复材料为矿渣微粉、粉煤灰、偏高岭土中的一种或几种。
进一步地，上述自修复水泥基复合材料制备方法中，所述膨胀剂为MgO膨胀剂、硫铝酸钙类膨胀剂、明矾石类膨胀剂中的一种或几种。
进一步地，上述自修复水泥基复合材料制备方法中，所述激发剂为CaO、NaOH、Na2CO3、Na2SO4和水玻璃中的一种或几种。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过溶胶-凝胶法，制备纳米SiO2颗粒，利用纳米SiO2作为GO的载体材料，达到GO在制备自修复材料中均匀分散的目的。利用GO对水泥基材料水化产物结晶成核的诱导效应，促进水泥基材料微观裂缝的自修复。
2、本发明制备自修复材料利用矿物掺和料水化反应生成水化产物达到对水泥基材料微观裂缝进行修复的目的，同时掺入膨胀剂组分，使水泥石在膨胀剂作用下产生一定的体积微膨胀，对于水泥基材料后期自收缩产生一定的补偿作用。在水泥基材料产生微裂纹的地方，GO 能够促进自修复材料在水泥基材料中的水化，在微裂纹处形成自修复产物，不断填充微裂缝，达到对微裂缝进行修复的目的。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例2试样的表面电子显微照片；
图2为本发明实施例3试样的表面电子显微照片；
图3为本发明对比例试样的表面电子显微照片。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
在碱性条件下通过溶胶-凝胶法合成纳米SiO2纳米颗粒。利用去离子水作为溶剂，TEOS作为二氧化硅前躯体。加入20mLTEOS与 100ml去离子水混合，在35℃的水浴锅中搅拌，加入NH3·H2O，调节溶液的pH值为11，将混合物搅拌24h，得到纳米SiO2颗粒1.8g。将1.8g纳米SiO2颗粒与45mlGO浆液(固含量8g/L)混合，加入 100mL去离子水，超声分散混合2h，然后将混合物过滤，并用去离子水洗涤，干燥得到SiO2-GO复合材料。复合粉体材料中SiO2和GO质量比约为5:1。
将2.16gSiO2-GO，18g粉煤灰，2.52g明矾石类膨胀剂，8.64g矿渣微粉和1.08g水玻璃充分混合搅拌均匀，并置于圆盘造粒机上进行造粒，在此过程中通过喷雾法缓慢喷入3.6g去离子水，将制备颗粒在标准养护条件下养护3d，得到自修复材料颗粒。称取22.5g自修复材料，450gPO42.5水泥和225g水，在水泥胶砂搅拌机中充分搅拌，形成水泥浆液，加入1350g标准砂，继续充分搅拌，将所得水泥砂浆拌合物倒入模具中成型，在标准养护条件下养护1d拆模，继续养护至规定龄期。
实施例2
在碱性条件下通过溶胶-凝胶法合成纳米SiO2纳米颗粒。利用去离子水作为溶剂，TEOS作为二氧化硅前躯体。加入40mLTEOS与 100mL去离子水混合，在35℃的水浴锅中搅拌，加入NH3·H2O，调节溶液的pH值为11，将混合物搅拌24h，得到纳米SiO2颗粒。将 3.6g纳米SiO2颗粒与50mLGO浆液(固含量8g/L)混合，加入100mL 去离子水，超声分散混合2h，然后将混合物过滤，并用去离子水洗涤，干燥得到SiO2-GO复合材料，复合粉体材料中SiO2和GO质量比约为9:1。
将4gSiO2-GO，37.6g偏高岭土，4gMgO膨胀剂，24g硅灰和 2.4gCaO充分混合搅拌均匀，并置于圆盘造粒机上进行造粒，在此过程中通过喷雾法缓慢喷入8g去离子水，将制备颗粒在在标准养护条件下养护3d，得到自修复材料颗粒。称取36g自修复材料， 450gPO42.5水泥和225g水，在水泥胶砂搅拌机中充分搅拌，形成水泥浆液，加入1350g标准砂，继续充分搅拌，将所得水泥砂浆拌合物倒入模具中成型，在标准养护条件下养护1d拆模，继续养护至规定龄期。
分别测试自修复水泥砂浆试件3d和28d抗折和抗压强度。将所得砂浆试件养护28d后，进行预压试验，预压力为砂浆试件28d抗压强度的60％，在标准养护条件下养护28d后，测试其抗压强度。试样力学性能测试结果如表1所示，试样养护28d照片表面电子形貌显微照片如图1所示。
实施例3
将18g粉煤灰，2.52g明矾石类膨胀剂，10.8g硅灰和1.08g水玻璃充分混合搅拌均匀，并置于圆盘造粒机上进行造粒，在此过程中通过喷雾法缓慢喷入3.6g去离子水，将制备颗粒在标准养护条件下养护3d，得到自修复材料颗粒。称取22.5g自修复材料，450gPO42.5水泥和225g水，在水泥胶砂搅拌机中充分搅拌，形成水泥浆液，加入1350g标准砂，继续充分搅拌，将所得水泥砂浆拌合物倒入模具中成型，在标准养护条件下养护1d拆模，继续养护至规定龄期。
分别测试自修复水泥砂浆试件3d和28d抗折和抗压强度，将所得砂浆试件养护28d后，进行预压试验，预压力为砂浆试件28d抗压强度的60％，在标准养护条件下养护28d后，测试其抗压强度。试样力学性能测试结果如表1所示，试样养护28d照片表面电子形貌显微照片如图2所示。
对比例
称取450gPO42.5水泥和225g水，在水泥胶砂搅拌机中充分搅拌，形成水泥浆液，加入1350g标准砂，继续充分搅拌，将所得水泥砂浆拌合物倒入模具中成型，在标准养护条件养护1d拆模，继续养护至规定龄期。将所得砂浆试件养护28d后，进行预压试验，预压力为砂浆试件28d抗压强度的60％，在标准养护条件下养护28d后，测试其抗压强度。试样力学性能测试结果如表1所示，试样养护28d照片表面电子形貌显微照片如图3所示。
表1实施例和对比例样品和预压后样品的力学性能
Figure BDA0003010273610000061
从表1中实施例2、实施例3和对比例1样品抗折和抗压强度以及预压后样品的抗压强度性能相比可以看出，掺入自修复材料显著提高了水泥基砂浆的力学性能，自修复材料含有的活性矿物材料硅灰在水泥基材料中快速水化，并能和水泥基材料有效结合，提高了制备试件的早期力学强度。通过自修复材料的水化，其掺入在水泥水化后期也有助于提高水泥砂浆密实度，对于后期力学性能的发展也有显著的增强作用。从预压试验可以看出，通过预压，水泥砂浆试件产生微裂纹，在自修复材料作用下，水泥基材料具有更好的自愈合性能，其修复后力学性能较未掺自修复材料显著提高。
图1-3分别为本发明实施例2、实施例3和对比例试样的表面电子显微照片，从图1可以看出，由于GO的掺入，水泥基试样可能出现裂纹的地方出现了大量纤维状结晶体，说明GO掺入促进了水泥水化产物结晶体的形成，这些结晶体相互穿插交织填补了水泥基材料可能出现的微裂缝，使水泥基体内部结构更为均匀致密，提高了材料的力学性能；而图2-3中微裂纹仍然清晰可见，未见明显的纤维状结晶体，裂纹缝隙未被明显填充，使水泥基材料在后期水化或者受力过程中这些微裂缝会进一步扩大，从而降低材料的性能。GO的掺入使水泥基材料具有微裂缝自修复的能力，有利于形成力学性能更为优异的水泥基复合材料。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种自修复水泥基复合材料制备方法，其特征在于，包括自修复材料，所述自修复材料的原料按质量百分比计包括：SiO2-GO复合材料0～10wt％，修复材料20～50wt％，膨胀剂5～15wt％，活性矿物微粉20～35wt％，激发剂1～3wt％，去离子水10～20wt％。
2.根据权利要求1所述的自修复水泥基复合材料制备方法，其特征在于：所述自修复材料的原料经混料、造粒工艺制成。
3.根据权利要求2所述的自修复水泥基复合材料制备方法，其特征在于：自修复材料的原料混合后在圆盘造粒机上通过喷雾造粒法进行造粒，造粒后于标准养护条件下进行养护，得到颗粒状自修复材料，所述标准养护条件为18～22℃，RH≧90％。
4.根据权利要求3所述的自修复水泥基复合材料制备方法，其特征在于：将自修复材料和水泥、砂石和减水剂混合，制备自修复水泥基复合材料。
5.根据权利要求4所述的自修复水泥基复合材料制备方法，其特征在于，所述自修复材料用量为所述水泥用量的1～10％，砂石骨料掺量为水泥质量的100～400％。
6.根据权利要求1所述的自修复水泥基复合材料制备方法，其特征在于：SiO2-GO复合材料采用溶胶-凝胶法制备，首先制备纳米SiO2颗粒，再将其和GO浆液进行复合，制备SiO2-GO复合粉体材料。
7.根据权利要求1所述的自修复水泥基复合材料制备方法，其特征在于：所述活性矿物微粉为矿渣微粉或硅灰。
8.根据权利要求1所述的自修复水泥基复合材料制备方法，其特征在于：所述修复材料为矿渣微粉、粉煤灰、偏高岭土中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的自修复水泥基复合材料制备方法，其特征在于：所述膨胀剂为MgO膨胀剂、硫铝酸钙类膨胀剂、明矾石类膨胀剂中的一种或几种。
10.根据权利要求1所述的自修复水泥基复合材料制备方法，其特征在于：所述激发剂为CaO、NaOH、Na2CO3、Na2SO4和水玻璃中的一种或几种。
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