CN113860804A - 一种氧化石墨烯改性地聚物再生混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于建筑材料领域，提供了一种抗硫酸溶蚀的氧化石墨烯改性地聚物再生混凝土及其制备方法。所述的氧化石墨烯改性地聚物再生混凝土由以下质量份数的原料制备而成：粉煤灰250～280份、再生粗骨料360～380份、天然河砂220～240份、碱激发剂170～210份、氧化石墨烯0.027～0.14份、蒸馏水10～46份；所述碱激发剂包括NaOH溶液和Na2SiO3溶液。本发明的氧化石墨烯改性地聚物再生混凝土具有良好的力学性能，同时具备优良的抗硫酸侵蚀性能，作为城市污水设施中的混凝土构筑物，使其服役寿命大大增加，更加接近混凝土设计使用年限，减少维修及维护成本。

Description

一种氧化石墨烯改性地聚物再生混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，具体涉及到一种抗硫酸溶蚀的地聚物再生混凝土及其制备方法。
背景技术
下水道管网作为现代社会的城市基础设施，是城市污水处理系统中关键的组成部分之一，容易遭到微生物侵蚀导致其使用寿命缩短。污水网络的缺乏或运行不当会导致传染病的传播和饮用水的污染。微生物诱导混凝土腐蚀已被公认为是世界范围内混凝土污水网络降解的主要过程之一，越来越多地引发了高昂的维修费用，以及严重的健康和环境问题。当下水道空气中的H2S氧化成硫酸与混凝土中的胶凝材料发生反应，产生石膏(CaSO4)和钙矾石等松散腐蚀产物，从而削弱下水道结构，因此提高其混凝土构筑物的强度及抗溶蚀性能具有重要意义。
地聚物，具有较高的早期强度、较低的蠕变和收缩率，并且在抗硫酸侵蚀方面具有更好的耐久性，地聚物混凝土在生产过程中可比硅酸盐水泥混凝土减少高达80％的能源消耗和碳排放。除此之外，再生骨料为制备环境友好型混凝土提供了良好的选择。而氧化石墨烯可以有效填补再生混凝土的裂缝，减少孔洞的数量，并提高再生混凝土的稳定性和耐久性。因此，在地聚物再生混凝土中加入氧化石墨烯可以有效改善混凝土的抗酸性能。
目前的地聚物再生混凝土材料，因为其粗骨料为再生骨料的原因导致骨料与浆体连接不紧密，以及附着在骨料表面的黏附砂浆都使其抗酸性能不佳，很难应用到实际工程中。
发明内容
针对现存技术的不足，本发明提供了一种抗硫酸溶蚀的氧化石墨烯地聚物再生混凝土，有效地提高了地聚物再生混凝土的抗硫酸性能。
一种氧化石墨烯改性地聚物再生混凝土，包括以下按重量计的组分：粉煤灰250～280份、再生粗骨料360～380份、天然河砂220～240份、碱激发剂170～210份、氧化石墨烯0.027～0.14份、蒸馏水10～46份。优选的，所述碱激发剂包括NaOH溶液和Na2SiO3溶液。
优选的，所述碱激发剂中NaOH溶液与Na2SiO3溶液的质量比为60～80:110～130；NaOH溶液浓度为10mol/L，Na2SiO3溶液模数为2.3，波美度为50。
优选的，NaOH溶液与Na2SiO3溶液的质量比为1：1.8。
优选的，碱激发剂中所含的NaO2与粉煤灰中的Al2O3的摩尔比为0.7。
优选的，所述的再生粗骨料为来自建筑拆除废弃物的废弃混凝土再生粗骨料，粒径为4.75mm～9.5mm，表观密度为2050～2070kg/m3，吸水率为9.6～9.7％；
优选的，所述的细骨料为天然河砂，属于中砂，细度模数为2.4～2.5，平均粒径为0.5mm～0.35mm。
优选的，氧化石墨烯为单层氧化石墨烯，氧化石墨烯与粉煤灰的质量比为0.01～0.05％。
优选的，所述的氧化石墨烯为单层，氧化石墨烯所取的比例占粉煤灰含量分别为0.01wt％、0.03wt％、0.05wt％。
优选的，所述粉煤灰中的CaO含量大于10％。
优选的，所述的粉煤灰中的氧化钙含量为11.02％，为高钙粉煤灰。
本发明还提供一种氧化石墨烯改性地聚物再生混凝土制备方法，包括如下步骤：
将氧化石墨烯与蒸馏水混合并搅拌，超声处理后得到氧化石墨烯分散液；
将NaOH溶液加入粉煤灰中混合搅拌，再加入河砂混合搅拌，紧接着加入再生粗骨料混合搅拌，然后加入Na2SiO3溶液混合搅拌，最后加入氧化石墨烯分散液混合搅拌；
在圆柱形模具中浇筑拌合料，浇筑过程中分三层捣实，装模、收浆、振动，装入塑料密封袋中静置；
将装有地聚物再生混凝土的塑料密封袋放入高温烘箱中高温处理，取出后冷却脱模并进行养护。
优选的，所述高温处理为高温烘箱中60～80℃高温处理20～30h。
优选的，每次搅拌时间均为90～120s，振动时间为20s。
优选的，所述养护为将脱模后的混凝土试块装入密封袋中，在20±2℃，RH≥95％的调剂下，养护7天。
优选的，所述浇筑模具为Ф50ⅹ100mm的圆柱形模具。
优选的，氧化石墨烯制备方法为：
将10g石墨烯粉末和5g固体硝酸钠与230毫升浓硫酸在温度为20℃的磁力搅拌器上反应30分钟，然后逐步添加30g固体高锰酸钾。将所得混合物在40℃下加热25分钟，并用230毫升蒸馏水逐渐稀释混合物。然后将混合物在90℃下加热20分钟，为完成反应，先加入3％过氧化氢，然后加入400毫升蒸馏水，将溶液沉淀24小时。最后的溶液中用0.1N盐酸溶液和4L蒸馏水进行洗涤，直到滤液的pH值被中和。将过滤后的氧化石墨烯在65℃烘箱中干燥24小时，获得所需的氧化石墨烯粉末。
优选的，氧化石墨烯分散液制备方法为：
在实验开始前1小时(为保证分散液保持分散状态)，将0.01wt％的氧化石墨烯放入盛有10毫升蒸馏水的烧杯中，用玻璃棒按顺时针搅动溶液30秒后使玻璃棒倾斜在烧杯上方，用少量蒸馏水沿玻璃棒清洗附着的氧化石墨烯。在烧杯上方覆盖保鲜膜，在180W的功率下超声处理至分散液呈褐色且无明显团聚沉淀，其中超声时间设置为1小时，温度设置为20摄氏度；
在实验开始前1.5小时，将0.03wt％的氧化石墨烯放入15毫升蒸馏水的烧杯中，用玻璃棒按顺时针搅动溶液60秒后使玻璃棒倾斜在烧杯上方，用少量蒸馏水沿玻璃棒清洗附着的氧化石墨烯。在烧杯上方覆盖保鲜膜，在180W的功率下超声处理至分散液呈褐色且无明显团聚沉淀，其中超声时间设置为1.5小时，温度设置为20摄氏度；
在实验开始前2小时，将0.05wt％的氧化石墨烯放入30毫升蒸馏水的烧杯中，用玻璃棒按顺时针搅动溶液120秒后使玻璃棒倾斜在烧杯上方，用少量蒸馏水沿玻璃棒清洗附着的氧化石墨烯。在烧杯上方覆盖保鲜膜，在180W的功率下超声处理至分散液呈褐色且无明显团聚沉淀，其中超声时间设置为2小时，温度设置为20摄氏度；
分散完毕后，直接与地聚物浆料混合。
有益效果
(1)使用再生粗骨料，充分利用建筑废弃物，实现了资源再利用并减少了资源消耗和碳排放。(2)本发明中加入氧化石墨烯，利用其良好的亲水性以及凝结效应可促进地聚物的地质聚合反应，从而使水合物微晶分布更加均匀。同时可以有效填补地聚物再生混凝土的裂缝，减少孔洞的数量，增强再生粗骨料和浆体的粘结程度，从而提高地聚物再生混凝土的强度和抗硫酸侵蚀性能。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的技术方案及目的，结合本发明具体实施例对本发明进行清楚、完整地描述。
对比例1
本发明实例中地聚物再生混凝土的配方(按重量份数)如下：
粉煤灰260～280份、再生粗骨料360～380份、天然河砂220～240份、NaOH溶液60～80份、Na2SiO3溶液110～130份、蒸馏水10～46份。其中，粉煤灰为高钙粉煤灰；再生粗骨料的粒径为4.75mm～9.5mm；天然河砂的细度模数为2.4～2.5，平均粒径为0.5mm～0.35mm；碱激发剂为NaOH溶液和Na2SiO3溶液，NaOH溶液与Na2SiO3溶液的比例为1：1.8，Na2O与Al2O3的摩尔比为0.7，NaOH溶液浓度为10mol/L，Na2SiO3溶液模数为2.3，波美度为50。
本发明地聚物再生混凝土的制备方法如下：
将粉煤灰与NaOH溶液混合搅拌90～120s；依次加入天然河砂和再生粗骨料、Na2SiO3溶液、蒸馏水各混合搅拌90～120s；分三层捣实装模，振动时间为20s；高温烘箱中60～80℃高温处理20～30h；拆模后在标准养护条件下养护7天得到地聚物再生混凝土。
实施例1
本发明实例中地聚物再生混凝土的配方(按重量份数)如下：
氧化石墨烯0.027份，粉煤灰260～280份、再生粗骨料360～380份、天然河砂220～240份、NaOH溶液60～80份、Na2SiO3溶液110～130份、蒸馏水10～46份。其中，粉煤灰为高钙粉煤灰；再生粗骨料的粒径为4.75mm～9.5mm；天然河砂的细度模数为2.4～2.5，平均粒径为0.5mm～0.35mm；碱激发剂为NaOH溶液和Na2SiO3溶液，NaOH溶液与Na2SiO3溶液的比例为1：1.8，Na2O与Al2O3的摩尔比为0.7，NaOH溶液浓度为10mol/L，Na2SiO3溶液模数为2.3，波美度为50。
本发明地聚物再生混凝土的制备方法如下：
将氧化石墨烯与蒸馏水混合并搅拌，超声处理后得到氧化石墨烯分散液；将粉煤灰与NaOH溶液混合搅拌90～120s；依次加入天然河砂和再生粗骨料、Na2SiO3溶液、氧化石墨烯分散液、蒸馏水各混合搅拌90～120s；分三层捣实装模，振动时间为20s；高温烘箱中60～80℃高温处理20～30h；拆模后在标准养护条件下养护7天得到地聚物再生混凝土。
实施例2
本发明实例中地聚物再生混凝土的配方(按重量份数)如下：
氧化石墨烯0.081份，粉煤灰260～280份、再生粗骨料360～380份、天然河砂220～240份、NaOH溶液60～80份、Na2SiO3溶液110～130份、蒸馏水10～46份。其中，粉煤灰为高钙粉煤灰；再生粗骨料的粒径为4.75mm～9.5mm；天然河砂的细度模数为2.4～2.5，平均粒径为0.5mm～0.35mm；碱激发剂为NaOH溶液和Na2SiO3溶液，NaOH溶液与Na2SiO3溶液的比例为1：1.8，Na2O与Al2O3的摩尔比为0.7，NaOH浓度为10mol/L，Na2SiO3溶液模数为2.3，波美度为50。
本发明地聚物再生混凝土的制备方法如下：
将氧化石墨烯与蒸馏水混合并搅拌，超声处理后得到氧化石墨烯分散液；将粉煤灰与NaOH溶液混合搅拌90～120s；依次加入天然河砂和再生粗骨料、Na2SiO3溶液、氧化石墨烯分散液、蒸馏水各混合搅拌90～120s；分三层捣实装模，振动时间为20s；高温烘箱中60～80℃高温处理20～30h；拆模后在标准养护条件下养护7天得到地聚物再生混凝土。
实施例3
本发明实例中地聚物再生混凝土的配方(按重量份数)如下：
氧化石墨烯0.14份，粉煤灰260～280份、再生粗骨料360～380份、天然河砂220～240份、NaOH溶液60～80份、Na2SiO3溶液110～130份、蒸馏水10～46份。其中，粉煤灰为高钙粉煤灰；再生粗骨料的粒径为4.75mm～9.5mm；天然河砂的细度模数为2.4～2.5，平均粒径为0.5mm～0.35mm；碱激发剂为NaOH溶液和Na2SiO3溶液，NaOH溶液与Na2SiO3溶液的比例为1：1.8，Na2O与Al2O3的摩尔比为0.7，NaOH浓度为10mol/L，Na2SiO3溶液模数为2.3，波美度为50。
本发明地聚物再生混凝土的制备方法如下：
在超声波清洗机中制备氧化石墨烯分散液；将粉煤灰与NaOH溶液混合搅拌90～120s；依次加入天然河砂和再生粗骨料、Na2SiO3溶液、氧化石墨烯分散液、蒸馏水各混合搅拌90～120s；分三层捣实装模，振动时间为20s；高温烘箱中60～80℃高温处理20～30h；拆模后在标准养护条件下养护7天得到地聚物再生混凝土。
依据《普通混凝土力学性能试验方法标准GB/T50081—2019》对对比例1以及实施例1-3的力学性能进行测试，抗压强度取三个样品的平均值，同时还测试了其经硫酸侵蚀后的中和深度从而对氧化石墨烯改性地聚物再生混凝土的抗硫酸侵蚀的性能进行评价。
表1为对比例1和实施例1-3地聚物再生混凝土的抗压强度测试结果：
原始抗压强度(MPa) 溶蚀48天后抗压强度(MPa)
对比例1 19.9 15.8
实施例1 31.2 20.0
实施例2 25.4 18.9
实施例3 21.2 17.3
表2为对比例1和实施例1-3地聚物再生混凝土的中和深度测试结果：
Figure BDA0003289746390000061
Figure BDA0003289746390000071
表1的抗压强度结果表明，加入氧化石墨烯的实施例的抗压强度均大于未加入氧化石墨烯的对比例，尤其是氧化石墨烯含量为0.01wt％的实施例1，抗压强度达到了30MPa以上，因为氧化石墨烯有效地填补了地聚物再生混凝土的裂缝，减少孔洞的数量，促进了低聚物的地质聚合反应，使浆体结构更加致密。而随着氧化石墨烯含量的增加，实施例1-3的抗压强度逐渐减小，由于掺入过多的氧化石墨烯后容易发生絮凝，但其力学性能均优于对比例1。经受48天硫酸侵蚀后，实施例1-3的抗压强度仍然大于对比例1，0.01wt％的实施例1达到了20MPa，满足实际工程中的中低强度要求，可见加入氧化石墨烯可提高地聚物再生混凝土的抗硫酸性能。表2的中和深度结果表明，溶蚀6天的中和深度相差不大，随着溶蚀时间的增加，0.01wt％的实施例1的优势逐渐明显，中和深度最小，而实施例2和3的中和深度均大于对比例1，可见过多的氧化石墨烯会增大孔隙，导致硫酸侵入试件内部更深，这也从侧面论证了前面的结论。
以上对本发明提供的一种氧化石墨烯改性地聚物再生混凝土进行了详细介绍。本文应用的实施例只是为了帮助理解本发明的方法和思想，本发明包括但不限于实施例的内容。在不脱离本发明原理和精神的前提下，对本发明做出的各种更换或变更，均包括在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种氧化石墨烯改性地聚物再生混凝土，其特征在于，所述氧化石墨烯改性地聚物再生混凝土由以下质量份数的原料制备而成：粉煤灰250～280份、再生粗骨料360～380份、天然河砂220～240份、碱激发剂170～210份、氧化石墨烯0.027～0.14份、蒸馏水10～46份；所述碱激发剂包括NaOH溶液和Na2SiO3溶液。
2.如权利要求1所述的氧化石墨烯改性地聚物再生混凝土，其特征在于，所述的碱激发剂中NaOH溶液与Na2SiO3溶液的质量比为60～80:110～130；NaOH溶液浓度为10mol/L，Na2SiO3溶液模数为2.3，波美度为50。
3.如权利要求1所述的氧化石墨烯改性地聚物再生混凝土，其特征在于，碱激发剂中所含的NaO2与粉煤灰中的Al2O3的摩尔比为0.7。
4.如权利要求1所述的氧化石墨烯改性地聚物再生混凝土，其特征在于，所述粉煤灰中的CaO含量大于10％。
5.如权利要求1所述的氧化石墨烯改性地聚物再生混凝土，其特征在于，所述再生粗骨料来自建筑拆除废弃物的废弃混凝土再生粗骨料，粒径为4.75mm～9.5mm，表观密度为2050～2070kg/m3，吸水率为9.6～9.7％。
6.如权利要求1所述的氧化石墨烯改性地聚物再生混凝土，其特征在于，细骨料为天然河砂，属于中砂，细度模数为2.4～2.5，平均粒径为0.5mm～0.35mm。
7.如权利要求1所述的氧化石墨烯改性地聚物再生混凝土，其特征在于，氧化石墨烯为单层氧化石墨烯，氧化石墨烯与粉煤灰的质量比为0.01～0.05％。
8.如权利要求1所述的氧化石墨烯改性地聚物再生混凝土制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将氧化石墨烯与蒸馏水混合并搅拌，超声处理后得到氧化石墨烯分散液；
将NaOH溶液加入配方量粉煤灰中混合搅拌，再加入天然河砂混合搅拌，紧接着加入再生粗骨料混合搅拌，然后加入Na2SiO3溶液混合搅拌，最后加入氧化石墨烯溶液混合搅拌。
在圆柱形模具中浇筑拌合料，浇筑过程中分三层捣实，装模、收浆、振动，装入塑料密封袋中静置；
将装有地聚物再生混凝土的塑料密封袋放入烘箱中，取出后冷却脱模并进行养护。
9.如权利要求8所述的氧化石墨烯改性地聚物再生混凝土制备方法，其特征在于，烘箱处理为60～80℃高温处理20～30h；每次搅拌时间均为90～120s，振动时间为20s。
10.如权利要求8所述的氧化石墨烯改性地聚物再生混凝土制备方法，其特征在于，所述养护为将脱模后的混凝土试块装入密封袋中，在20±2摄氏度，RH≥95％的条件下，养护7天。
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Application publication date: 20211231

Assignee: Shandong Hongke Construction Project Management Co.,Ltd.

Assignor: CHANGZHOU University

Contract record no.: X2023980050999

Denomination of invention: A type of graphene oxide modified geopolymer recycled concrete and its preparation method

Granted publication date: 20220930

License type: Common License

Record date: 20231209