CN113461388A - 一种GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于混凝土制备领域，特别涉及一种GO‑TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土及其制备方法。本发明采用GO‑TiO2纳米棒复合纳米流体，增加GO的表面粗糙度，减少复合纳米颗粒的团聚，改善了混凝土材料的致密性，提高了混凝土的力学性能和耐久性，还能利用TiO2纳米棒的光催化活性，光催化降解污染物、净化空气和环境，达到自清洁的效果。
Description
技术领域
本发明属于混凝土制备领域，特别涉及一种GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土及其制备方法。
背景技术
由于混凝土的多孔结构，使其内部容易产生微裂纹，在外力或外界环境的长期作用下，微裂纹会不断扩展，从而使混凝土构件或建筑断裂损毁，缩短混凝土建筑的使用寿命。近年来碳纳米材料发展迅速，应用广泛，其中氧化石墨烯亲水性能良好，不仅可以在纳米尺度控制混凝土裂纹的产生和扩展，提高混凝土致密性，还可以作为水化产物的成核位点加速水化，如CN202110434937.X提供一种石墨烯混凝土的制备方法及应用。
但氧化石墨烯是光滑的薄膜结构，表面粗糙度较低，与组成混凝土材料的粘结性较差，在受力过程中易与混凝土基体发生脱粘和剥离，因此将氧化石墨烯与其他纳米材料复合，提高其表面粗糙度，增大氧化石墨烯与混凝土基体的结合强度是氧化石墨烯提高混凝土性能的关键。
此外，对于混凝土表面，尤其是高层建筑物表面，其表面污物很难清理，人工清理费时费力且存在一定的安全隐患，因此如何提高其表面清洁性也需要解决。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供一种GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土及其制备方法，本发明采用GO-TiO2纳米棒复合纳米流体，增加GO的表面粗糙度，减少复合纳米颗粒的团聚，以改善混凝土材料的致密性，提高混凝土的力学性能和耐久性，还能利用TiO2纳米棒的光催化活性，光催化降解污染物、净化空气和环境，达到自清洁的效果。
一方面，本发明提供一种GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土，包括以下重量组份：
硅酸盐水泥：400-600份，水：240-320份，骨料：1600-1800份，矿物掺合料：25-35份，减水剂：4-8份，GO-TiO2复合纳米流体100-120份。对于本发明采用原料均采用市面常规材料。
本发明进一步改进，所述骨料按重量份计，骨料级配为10-20份0.075-0.15mm骨料、60-80份1.18-2.36mm骨料、160-180份9.5-16mm骨料。合适的骨料级配，便于各个组分的填充、结合。
本发明进一步改进，矿物掺合料按重量份计组成为：60份粉煤灰和40份矿渣。
本发明进一步改进，减水剂为聚羧酸减水剂，减水率在16％-18％。
本发明进一步改进，纳米流体为0.4wt.％GO-TiO2纳米流体。
本发明进一步改进，GO-TiO2中二氧化钛的负载量为10～12％。
本发明进一步改进，GO-TiO2纳米流体的制备：将9g KMnO4低温加入到3g石墨粉、1.5g NaNO3和69mL浓H2SO4的混合液中，搅拌30min，反应液在中温搅拌1h后，加入138mL去离子水，反应液在高温搅拌20min后加入420mL去离子水和3mL H2O2，酸洗水洗后超声、烘干得到片状的GO，后将片状的GO附在表面预处理的铜块上，铜块为工作电极，铂电极为对电极，反应溶液为0.2mM TiCl3溶液，室温下反应15min，在GO表面得到TiO2种子层，再将铜块放在0.5M TiCl3溶液的反应液中，反应瓶置于20℃水浴锅内反应120min，在GO表面得到TiO2纳米棒结构，取出后用清水冲洗烘干得到GO-TiO2纳米棒复合纳米颗粒，将所得复合纳米颗粒加入到去离子水中，超声振动得0.4wt.％GO-TiO2复合纳米流体。对于二氧化钛纳米棒，优选长度为50～150nm，合适的尺寸，保证GO-TiO2与混凝土基体的结合，同时保证GO-TiO2的自身性能。
另一方面，本发明提供GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照配方分别称取原料：水泥，水，骨料，矿物掺合料，减水剂，然后搅拌使之均匀；
(2)步骤1中得到的混合物中倒入GO-TiO2纳米流体，继续搅拌至均匀；
(3)将步骤2中得到的混合物入模成型并放入标准养护室带模养护28天。
本发明进一步改进，步骤2搅拌过程，搅拌时间为3-5min。
本发明进一步改进，所制备的混凝土孔隙率介于10％～14％。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明将二维的氧化石墨烯与棒状二氧化钛复合，提高了氧化石墨烯的表面粗糙度和与混凝土基体结合性，同时棒状二氧化钛嵌入孔隙，起到了填充混凝土基体孔隙的效果。
(2)本发明将制备的氧化石墨烯与棒状二氧化钛复合也能利用纳米二氧化钛的光催化活性，光催化降解污染物，净化环境，还达到自清洁的效果。
(3)本发明将制备的氧化石墨烯与棒状二氧化钛复合纳米颗粒制备成纳米流体，能够使纳米颗粒分散均匀不团聚，充分发挥纳米材料高表面活性的优势。
(4)所制备的混凝土致密度较高，孔隙率较低，介于10～14％，同时能够很好的光催化降解污染物，对有机染料的降解率，2小时内可达96％，净化环境。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1：GO-TiO2纳米流体的制备
经过对不同参数调整得到制备方法如下:GO-TiO2纳米流体的制备：将9gKMnO4低温加入到3g石墨粉、1.5g NaNO3和69mL浓H2SO4的混合液中，搅拌30min，反应液在中温搅拌1h后，加入138mL去离子水，反应液在高温搅拌20min后加入420mL去离子水和3mL H2O2，酸洗水洗后超声、烘干得到片状的GO，后将片状的GO附在表面预处理的铜块上，铜块为工作电极，铂电极为对电极，反应溶液为0.2mM TiCl3溶液，室温下反应15min，在GO表面得到TiO2种子层，再将铜块放在0.5M TiCl3溶液的反应液中，反应瓶置于20℃水浴锅内反应120min，在GO表面得到TiO2纳米棒结构，取出后用清水冲洗烘干得到GO-TiO2纳米棒复合纳米颗粒，将所得复合纳米颗粒加入到去离子水中，超声振动得不同质量分数GO-TiO2复合纳米流体。
实施例2：GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土的制备
各原料比例为硅酸盐水泥：500份，水：280份，骨料：1600份，矿物掺合料：25份，减水剂：65份，GO-TiO2纳米流体100份。
水骨料按重量份计，骨料级配为：20份0.075-0.15mm骨料、70份1.18-2.36mm骨料、160份9.5-16mm骨料。
矿物掺合料按重量份计组成为：60份粉煤灰和40份矿渣。
减水剂为聚羧酸减水剂，减水率在16％。
制得的GO-TiO2纳米流体质量分数分别为0.1wt.％、0.2wt.％、0.4wt.％、0.6wt.％。
GO-TiO2中TiO2的负载量为10～12％，即每100mol氧化石墨烯负载10～12molTiO2。
其制备方法包括如下步骤：
(1)按照配方分别称取原料：水泥，水，骨料，矿物掺合料，减水剂，倒入行星式砂浆搅拌机中搅拌使之均匀。
(2)步骤1中得到的混合物中倒入不同质量分数GO-TiO2纳米流体，继续搅拌至均匀，搅拌时间为3-5min。
(3)将步骤2中得到的混合物入模成型并放入标准养护室带模养护28天。
实施例3：性能测试
所有混凝土试件一次性浇筑。混凝土的抗压强度试验按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》，制作边长为150mm的立方体在标准养护(温度20±2℃、相对湿度在95％以上)条件下，养护至28d龄期，用标准试验方法测得的极限抗压强度，实验结果如下。
通过上述数据可以看出，添加GO-TiO2纳米流体以后，混凝土试样的承受压力能力增加，反映出通过TiO2增加氧化石墨烯的表面粗糙度，增强了氧化石墨烯与混凝土基体结合性，抗压强度增加。
同时随着GO-TiO2纳米流体质量分数的增加，抗压强度增加，但是GO-TiO2纳米流体质量分数超过0.4wt.％以后，变化幅度较小，因此选用GO-TiO2纳米流体质量分数为0.4wt.％为最优比例。
此外我们发现不添加GO-TiO2，但添加0.25wt.％的GO的混凝土其性能好于不添加任何纳米颗粒的，而差于添加了GO-TiO2纳米颗粒的混凝体，进一步验证了TiO2纳米颗粒和氧化石墨烯对混凝土基体的结合促进作用以及协同作用。
此外，分别取不同试样在其表面分别喷洒粉尘，然后模拟雨水进行冲洗0.5min，发现随着质量分数的增加，试样表面的残留量越少，对于无任何GO-TiO2添加的则难以冲洗掉。这与纳米TiO2形成超亲水涂层有关，表面具有超亲水性使得污物不易附着,可在外部雨水、风力以及自重的作用下脱落下来,达到自清洁的作用。
实施例4：
GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土，各原料比例为硅酸盐水泥：400份，水：240份，骨料：1600份，矿物掺合料：25份，减水剂：4份，GO-TiO2纳米流体100份。
骨料按重量份计，骨料级配为：10份0.075-0.15mm骨料、60份1.18-2.36mm骨料、160份9.5-16mm骨料。
矿物掺合料按重量份计组成为：60份粉煤灰和40份矿渣。
减水剂为聚羧酸减水剂，减水率在16％。
纳米流体为GO-TiO2纳米流体质量分数分别为0.4wt.％。
GO-TiO2中TiO2的负载量为10～12％，即每100mol氧化石墨烯负载10～12molTiO2。
GO-TiO2制备方法参见实施例1，GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土制备参见实施例2。
实施例5：
GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土，各原料比例为硅酸盐水泥：500份，水：280份，骨料：1700份，矿物掺合料：30份，减水剂：6份，GO-TiO2纳米流体110份。
骨料按重量份计，骨料级配为：10份0.075-0.15mm骨料、60份1.18-2.36mm骨料、160份9.5-16mm骨料。
矿物掺合料按重量份计组成为：60份粉煤灰和40份矿渣。
减水剂为聚羧酸减水剂，减水率在16％。
纳米流体为GO-TiO2纳米流体质量分数分别为0.4wt.％。
GO-TiO2中TiO2的负载量为10～12％，即每100mol氧化石墨烯负载10～12molTiO2。
GO-TiO2制备方法参见实施例1，GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土制备参见实施例2。
实施例6：
GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土，各原料比例为硅酸盐水泥：600份，水：320份，骨料：1800份，矿物掺合料：35份，减水剂：8份，GO-TiO2纳米流体120份。
骨料按重量份计，骨料级配为：10份0.075-0.15mm骨料、60份1.18-2.36mm骨料、160份9.5-16mm骨料。
矿物掺合料按重量份计组成为：60份粉煤灰和40份矿渣。
减水剂为聚羧酸减水剂，减水率在16％。
纳米流体为GO-TiO2纳米流体质量分数分别为0.4wt.％。
GO-TiO2中TiO2的负载量为10～12％，即每100mol氧化石墨烯负载10～12molTiO2。
GO-TiO2制备方法参见实施例1，GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土制备参见实施例2。
实施例7：
GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土，各原料比例为硅酸盐水泥：500份，水：280份，骨料：1700份，矿物掺合料：30份，减水剂：6份，GO-TiO2纳米流体110份。
骨料按重量份计，骨料级配为：20份0.075-0.15mm骨料、80份1.18-2.36mm骨料、180份9.5-16mm骨料。
矿物掺合料按重量份计组成为：60份粉煤灰和40份矿渣。
减水剂为聚羧酸减水剂，减水率在16％。
纳米流体为GO-TiO2纳米流体质量分数分别为0.4wt.％。
GO-TiO2中TiO2的负载量为10～12％，即每100mol氧化石墨烯负载10～12molTiO2。
GO-TiO2制备方法参见实施例1，GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土制备参见实施例2。
实施例8：
GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土，各原料比例为硅酸盐水泥：500份，水：280份，骨料：1700份，矿物掺合料：30份，减水剂：6份，GO-TiO2纳米流体110份。
骨料按重量份计，骨料级配为：15份0.075-0.15mm骨料、70份1.18-2.36mm骨料、170份9.5-16mm骨料。
矿物掺合料按重量份计组成为：60份粉煤灰和40份矿渣。
减水剂为聚羧酸减水剂，减水率在16％。
纳米流体为GO-TiO2纳米流体质量分数分别为0.4wt.％。
GO-TiO2中TiO2的负载量为10～12％，即每100mol氧化石墨烯负载10～12molTiO2。
GO-TiO2制备方法参见实施例1，GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土制备参见实施例2。
实施例9：性能测试
具体的抗压强度实验方法和实施3相同，结果如下。
| 实施例 | 抗压强度MPa |
| 实施例4 | 53.2 |
| 实施例5 | 54.2 |
| 实施例6 | 54.1 |
| 实施例7 | 54.6 |
| 实施例8 | 53.9 |
上表可以看出，对于不同的比例，整体性能相对较稳定，但是不同的配比性能也有所差异。氧化石墨烯与二氧化钛纳米棒复合，可以使氧化石墨烯与混凝土基体结合，其中的二氧化钛纳米棒也能嵌入到微裂纹中起到填充作用，此外，由于纳米颗粒比表面积较大，在使用过程中很容易发生团聚，从而影响其提高性能的优势，因此本发明将氧化石墨烯与二氧化钛纳米棒复合后制备成纳米流体，能够使纳米复合材料均匀分散，减少团聚，增加抗压强度。
此外，分别取不同试样在其表面分别喷洒粉尘，然后模拟雨水进行冲洗0.5min，发现试样表面的粉尘都基本可以冲洗掉。
然后再让该混凝土试样分别放入有机染料溶液中，模拟光照2h进行光催化降解污染物试验。
此外将各个试样通过浓度为20ppm的NO2，在模拟日光条件下照射，检测其降解NO2催化效果。
结果如下：
通过试验可以看出GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土可以发挥二氧化钛的光催化活性，在光催化降解污染物、净化空气和环境、自清洁等方面发挥很好的作用。
Claims (10)
1.一种GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土，其特征在于：包括以下重量组份：
硅酸盐水泥：400-600份，水：240-320份，骨料：1600-1800份，矿物掺合料：25-35份，减水剂：4-8份，GO-TiO2复合纳米流体100-120份。
2.根据权利要求1所述的GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土，其特征在于：所述骨料按重量份计，骨料级配为10-20份0.075-0.15mm骨料、60-80份1.18-2.36mm骨料、160-180份9.5-16mm骨料。
3.根据权利要求1所述的GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土，其特征在于：所述的矿物掺合料按重量份计组成为：60份粉煤灰和40份矿渣。
4.根据权利要求1所述的GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土，其特征在于：所述的减水剂为聚羧酸减水剂，减水率在16％-18％。
5.根据权利要求1所述的GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土，其特征在于：所述的纳米流体为0.4wt.％GO-TiO2纳米流体。
6.根据权利要求1所述的GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土，其特征在于：所述的GO-TiO2中二氧化钛的负载量为10～12％。
7.根据权利要求1所述的GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土，其特征在于：GO-TiO2纳米流体的制备：将9g KMnO4低温加入到3g石墨粉、1.5gNaNO3和69mL浓H2SO4的混合液中，搅拌30min，反应液在中温搅拌1h后，加入138mL去离子水，反应液在高温搅拌20min后加入420mL去离子水和3mL H2O2，酸洗水洗后超声、烘干得到片状的GO，后将片状的GO附在表面预处理的铜块上，铜块为工作电极，铂电极为对电极，反应溶液为0.2mM TiCl3溶液，室温下反应15min，在GO表面得到TiO2种子层，再将铜块放在0.5M TiCl3溶液的反应液中，反应瓶置于20℃水浴锅内反应120min，在GO表面得到TiO2纳米棒结构，取出后用清水冲洗烘干得到GO-TiO2纳米棒复合纳米颗粒，将所得复合纳米颗粒加入到去离子水中，超声振动得0.4wt.％GO-TiO2复合纳米流体。
8.一种权利要求1-7任一项所述GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按照配方分别称取原料：水泥，水，骨料，矿物掺合料，减水剂，然后搅拌使之均匀；
(2)步骤1中得到的混合物中倒入GO-TiO2纳米流体，继续搅拌至均匀；
(3)将步骤2中得到的混合物入模成型并放入标准养护室带模养护28天。
9.根据权利要求8所述GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土的制备方法，其特征在于，步骤2搅拌过程，搅拌时间为3-5min。
10.根据权利要求9所述GO-TiO2纳米流体改性的高致密自清洁混凝土的制备方法，其特征在于，所制备的混凝土孔隙率介于10％～14％。
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