CN113880512B - 一种用于制备高电磁透波率混凝土的无机胶凝材料 - Google Patents

一种用于制备高电磁透波率混凝土的无机胶凝材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于制备高电磁透波率混凝土的无机胶凝材料，所述的无机胶凝材料由PO·42.5普通硅酸盐水泥、玻璃粉、高铝粉煤灰和专用外加剂混合制备而成。其中，专用外加剂由粉体聚羧酸减水剂、硅酸镁铝、十二烷基苯磺酸钠、纳米氮化硼管利用高频振捣式搅拌机均匀搅拌配置而成。最后，将本发明制备出的新型无机胶凝材料与天然的砂石料进行混合，采用包裹养护方式成型，可制备出28d的强度不低于40MPa，在5G频段下的透波率为70％以上的透波混凝土，在5G通信时代改善移动信号方面具有很大的应用前景。

Description

一种用于制备高电磁透波率混凝土的无机胶凝材料
技术领域
本发明涉及一种高透波率、高强度的混凝土专用胶凝材料，属于新型建筑材料技术领域，应用该胶凝材料制备混凝土时可大大提升混凝土的电磁波透射率。
背景技术
透波材料是指工作波长在1～1000mm，频率在0.3GHz～300GHz电磁波透过率大于70％的材料。目前应用最广泛的透波材料为树脂基和陶瓷基复合材料，普通水泥混凝土达不到上述透波材料的标准，但是随着5G时代的来临，高频段的5G移动通信相对于4G移动通信传输距离大幅缩短、覆盖能力大幅减弱，绕射能力变得越来越差，容易受到周边干扰。
为解决上述问题，覆盖同一个区域需要的5G基站数量将大大超过4G，但5G在基站覆盖方面的投资巨大,容易造成5G成为奢侈技术，限制其大规模推广应用。5G技术中的D2D信号传输可以不通过基站转发，直接通过手机与手机传输，而毫米波段信号受传输路径的损耗较大及地面上地形地物的遮挡损耗比较严重，因此信号传输遇到大量建筑群区域或受混凝土建筑遮挡时，5G技术中的D2D信号传输效果将会受到显著影响。为实现高频通讯的前提下，提高移动通讯和移动网络质量，除了需要大量建造5G通讯基站外，提高混凝土建筑物的透波能力已成为必然发展方向。然而，目前有关透波混凝土材料的制备及其研究鲜有报道，且目前用于混凝土的主要胶凝材料是普通硅酸盐水泥，普通硅酸盐水泥水化产物的透波性能很差，大幅损耗电磁波。因此，有关制备高电磁透波率混凝土胶凝材料的方法亟待解决。
发明内容
1.本发明提出了一种高电磁透波率的无机胶凝材料，该无机胶凝材料用于制备高电磁透波率的混凝土，主要组分和专用外加剂包括：
1).无机胶凝材料由PO·42.5普通硅酸盐水泥、玻璃粉和高铝粉煤灰组成，三者的质量占比分别为：
(1)PO·42.5普通硅酸盐水泥的质量占比：50％-60％；
(2)玻璃粉的质量占比：28％-35％；
(3)高铝粉煤灰的质量占比：5％-22％；
其中，上述三种主要组分质量占比之和为100％。
2).专用外加剂组分：
(1)聚羧酸减水剂与无机胶凝材料的质量比：0.5％-1％；
(2)硅铝酸镁与无机胶凝材料的质量比：1％-2％；
(3)十二烷基苯磺酸钠与无机胶凝材料的质量比：0.5％-1％；
(4)纳米氮化硼管与无机胶凝材料的质量比：0.5％-1.5％；
其中，聚羧酸减水剂：硅酸镁铝：十二烷基苯磺酸钠的质量比为1:2:1。
2.所述的玻璃粉粒径为100目-200目，二氧化硅含量不低于70％，氧化铁含量不高于0.15％。所述的高铝粉煤灰氧化铝含量不低于65％，二氧化硅含量不低于25％，氧化铁含量不高于1.5％。
3.所述的聚羧酸减水剂为高浓缩粉体，减水率为45％。所述的硅铝酸镁粒径为200目-300目，纯度98％以上。所述十二烷基苯磺酸钠纯度为98％以上。所述的纳米氮化硼管的直径为2nm-5nm，长度为5μm-30μm。
4.胶凝材料的制备方法如下：
(1)称料：根据各组分的质量配比，精确称取各组分。
(2)制备专用外加剂：将聚羧酸减水剂、硅酸镁铝、十二烷基苯磺酸钠、纳米氮化硼管利用高频振捣式搅拌机均匀搅拌5min，转速为100r/min，制备得到专用外加剂。
(3)将PO·42.5普通硅酸盐水泥、玻璃粉和高铝粉煤灰置于搅拌机内混合搅拌均匀，再加入专用外加剂，混合搅拌10min，制备得到高电磁透波率混凝土专用无机胶凝材料。
5.使用胶凝材料配置混凝土时，所用水与胶凝材料的比值为0.2-0.25。
与现有技术相比，本发明有如下优点：
(1)玻璃粉含有70％以上的二氧化硅，氧化铁含量不高于0.15％，能够很好的降低混凝土的整体相对介电常数，还能减少混凝土内部的电磁损耗。同时，采用玻璃粉也能实现废弃物资源的利用化。
(2)高铝粉煤灰中的含铁量(不高于1.5％)比PO·42.5普通硅酸盐水泥氧化铁量(高达3％)低，而铁氧体属于典型的电磁损耗材料，因此高铝粉煤灰替代PO·42.5普通硅酸盐水泥能够降低电磁波在混凝土内部的损耗。同时，高铝粉煤灰中的氧化铝还能提升混凝土的强度。
(3)专用外加剂在微观尺度可以改变浆体的结构，提高浆体的透波性能，进而有效提高混凝土的透波性能。
具体实施方式
为进一步体现出本发明所带来的功效，下面结合具体应用案例对本发明进一步详细说明。
实例1
1.无机胶凝材料由PO·42.5普通硅酸盐水泥、玻璃粉和高铝粉煤灰组成，三者的质量占比分别为：
(1)PO·42.5普通硅酸盐水泥的质量占比：50％；
(2)玻璃粉的质量占比：28％(原料为平板玻璃，二氧化硅含量为72％)；
(3)高铝粉煤灰的质量占比：22％(氧化铝含量为68.67％)；
2.专用外加剂组分
(1)聚羧酸减水剂与无机胶凝材料的质量比：0.5％；
(2)硅铝酸镁与无机胶凝材料的质量比：1％；
(3)十二烷基苯磺酸钠与无机胶凝材料的质量比：0.5％；
(4)纳米氮化硼管与无机胶凝材料的质量比：0.5％；
3.水与胶凝材料的比值为0.2。
4.根据本发明制备的高电磁透波率混凝土的胶凝材料，制备方法如下：
(1)称料：根据各组分的质量配比，精确称取各组分。
(2)制备专用外加剂：将权利要求2所述的聚羧酸减水剂、硅酸镁铝、十二烷基苯磺酸钠、纳米氮化硼管利用高频振捣式搅拌机均匀搅拌5min，转速为100r/min，制备得到专用外加剂。
(3)将步骤1称量的PO·42.5普通硅酸盐水泥、玻璃粉和高铝粉煤灰置于搅拌机内混合搅拌均匀，再加入步骤2制备的专用外加剂，混合搅拌10min，制备得到高电磁透波率混凝土专用无机胶凝材料。
5.透波混凝土的制备
(1)水：无机胶凝材料：砂：石子的质量比为0.2:1:2:3，其中水为自来水；砂为天然砂，细度模数为2.5；石子为卵石，粒径为5-15mm连续级配；
(2)称料：根据各组分的质量配比，精确称取各组分；
(3)将称量好的无机胶凝材料、砂、石等材料放入搅拌锅内干搅3分钟；然后加入水，继续搅拌5min，制备得到混凝土混合料；
(4)将混合料置于试模中振捣密实并压实抹平，并覆盖一层保鲜膜养护1天后脱模，再采用塑料薄膜完全密封包裹，置于混凝土标准养护箱养护28天，制备出透波混凝土。
6.根据GJB7954-2012《雷达透波材料透波率测试方法》测试电磁透波混凝土试件28天的透射率，测试使用的电磁波频段为5G频段(4.5GHz-6.0GHz)；根据GB/T 50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试所得电磁透波混凝土28天的抗压强度。
实例2
1.无机胶凝材料由PO·42.5普通硅酸盐水泥、玻璃粉和高铝粉煤灰组成，三者的质量占比分别为：
(1)PO·42.5普通硅酸盐水泥的质量占比：53％；
(2)玻璃粉的质量占比：30％(原料为平板玻璃，二氧化硅含量为72％)；
(3)高铝粉煤灰的质量占比：17％(氧化铝含量为68.67％)；
2.专用外加剂组分：
(1)聚羧酸减水剂与无机胶凝材料的质量比：0.7％；
(2)硅铝酸镁与无机胶凝材料的质量比：1.4％；
(3)十二烷基苯磺酸钠与无机胶凝材料的质量比：0.7％；
(4)纳米氮化硼管与无机胶凝材料的质量比：0.8％；
3.水与胶凝材料的比值为0.22
4.根据本发明制备的高电磁透波率混凝土的胶凝材料，制备方法如下：
(1)称料：根据各组分的质量配比，精确称取各组分；
(2)制备专用外加剂：将权利要求2所述的聚羧酸减水剂、硅酸镁铝、十二烷基苯磺酸钠、纳米氮化硼管利用高频振捣式搅拌机均匀搅拌5min，转速为100r/min，制备得到专用外加剂；
(3)将步骤1称量的PO·42.5普通硅酸盐水泥、玻璃粉和高铝粉煤灰置于搅拌机内混合搅拌均匀，再加入步骤2制备的专用外加剂，混合搅拌10min，制备得到高电磁透波率混凝土专用无机胶凝材料。
5.透波混凝土的制备
(1)水：无机胶凝材料：砂：石子的质量比为0.2:1:2:3，其中水为自来水；砂为天然砂，细度模数为2.5；石子为卵石，粒径为5-15mm连续级配；
(2)称料：根据各组分的质量配比，精确称取各组分；
(3)将称量好的无机胶凝材料、砂、石等材料放入搅拌锅内干搅3分钟；然后加入水，继续搅拌5min，制备得到混凝土混合料；
(4)将混合料置于试模中振捣密实并压实抹平，并覆盖一层保鲜膜养护1天后脱模，再采用塑料薄膜完全密封包裹，置于混凝土标准养护箱养护28天，制备出透波混凝土。
6.根据GJB7954-2012《雷达透波材料透波率测试方法》测试电磁透波混凝土试件28天的透射率，测试使用的电磁波频段为5G频段(4.5GHz-6.0GHz)；根据GB/T 50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试所得电磁透波混凝土28天的抗压强度。
实例3
1.无机胶凝材料由PO·42.5普通硅酸盐水泥、玻璃粉和高铝粉煤灰组成，三者的质量占比分别为：
(1)PO·42.5普通硅酸盐水泥的质量占比：57％；
(2)玻璃粉的质量占比：33％(原料为平板玻璃，二氧化硅含量为72％)；
(3)高铝粉煤灰的质量占比：10％(氧化铝含量为68.67％)；
2.专用外加剂组分：
(1)聚羧酸减水剂与无机胶凝材料的质量比：0.8％；
(2)硅铝酸镁与无机胶凝材料的质量比：1.6％；
(3)十二烷基苯磺酸钠与无机胶凝材料的质量比：0.8％；
(4)纳米氮化硼管与无机胶凝材料的质量比：1.2％；
3.水与胶凝材料的比值为0.23。
4.根据本发明制备的高电磁透波率混凝土的胶凝材料，制备方法如下：
(1)水：无机胶凝材料：砂：石子的质量比为0.2:1:2:3，其中水为自来水；砂为天然砂，细度模数为2.5；石子为卵石，粒径为5-15mm连续级配；
(2)称料：根据各组分的质量配比，精确称取各组分；
(3)将称量好的无机胶凝材料、砂、石等材料放入搅拌锅内干搅3分钟；然后加入水，继续搅拌5min，制备得到混凝土混合料；
(4)将混合料置于试模中振捣密实并压实抹平，并覆盖一层保鲜膜养护1天后脱模，再采用塑料薄膜完全密封包裹，置于混凝土标准养护箱养护28天，制备出透波混凝土。
5.透波混凝土的制备
(1)水：无机胶凝材料：砂：石子的质量比为0.2:1:2:3，其中砂为天然砂，细度模数为2.5；石子为卵石，粒径为5-15mm连续级配；
(2)称料：根据各组分的质量配比，精确称取各组分；
(3)将称量好的无机胶凝材料、砂、石等材料放入搅拌锅内干搅3分钟；然后先加入水，继续搅拌5min，制备得到混凝土混合料；
(4)将混合料置于试模中振捣密实并压实抹平，并覆盖一层保鲜膜养护1天后脱模，再采用塑料薄膜完全密封包裹，置于混凝土标准养护箱养护28天，制备出透波混凝土。
6.根据GJB7954-2012《雷达透波材料透波率测试方法》测试电磁透波混凝土试件28天的透射率，测试使用的电磁波频段为5G频段(4.5GHz-6.0GHz)；根据GB/T 50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试所得电磁透波混凝土28天的抗压强度。
实例4
1.无机胶凝材料由PO·42.5普通硅酸盐水泥、玻璃粉和高铝粉煤灰组成，三者的质量占比分别为：
(1)PO·42.5普通硅酸盐水泥的质量占比：60％；
(2)玻璃粉的质量占比：35％(原料为平板玻璃，二氧化硅含量为72％)；
(3)高铝粉煤灰的质量占比：5％(氧化铝含量为68.67％)；
2.专用外加剂组分：
(1)聚羧酸减水剂与无机胶凝材料的质量比：1％；
(2)硅铝酸镁与无机胶凝材料的质量比：2％；
(3)十二烷基苯磺酸钠与无机胶凝材料的质量比：1％；
(4)纳米氮化硼管与无机胶凝材料的质量比：1.5％；
3.水与胶凝材料的比值为0.25
4.根据本发明制备的高电磁透波率混凝土的胶凝材料，制备方法如下：
(1)称料：根据各组分的质量配比，精确称取各组分；
(2)制备专用外加剂：将权利要求2所述的聚羧酸减水剂、硅酸镁铝、十二烷基苯磺酸钠、纳米氮化硼管利用高频振捣式搅拌机均匀搅拌5min，转速为100r/min，制备得到专用外加剂；
(3)将步骤1称量的PO·42.5普通硅酸盐水泥、玻璃粉和高铝粉煤灰置于搅拌机内混合搅拌均匀，再加入步骤2制备的专用外加剂，混合搅拌10min，制备得到高电磁透波率混凝土专用无机胶凝材料。
5.透波混凝土的制备
(1)水：无机胶凝材料：砂：石子的质量比为0.2:1:2:3，其中水为自来水；砂为天然砂，细度模数为2.5；石子为卵石，粒径为5-15mm连续级配；
(2)称料：根据各组分的质量配比，精确称取各组分；
(3)将称量好的无机胶凝材料、砂、石等材料放入搅拌锅内干搅3分钟；然后加入水，继续搅拌5min，制备得到混凝土混合料；
(4)将混合料置于试模中振捣密实并压实抹平，并覆盖一层保鲜膜养护1天后脱模，再采用塑料薄膜完全密封包裹，置于混凝土标准养护箱养护28天，制备出透波混凝土。
6.根据GJB7954-2012《雷达透波材料透波率测试方法》测试电磁透波混凝土试件28天的透射率，测试使用的电磁波频段为5G频段(4.5GHz-6.0GHz)；根据GB/T 50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试所得电磁透波混凝土28天的抗压强度。
试验结果
实例1-4分别设置一组对照组，对照组的水与胶凝材料的比值、砂石的种类、成型、养护和试验方法与实例相同。对照组的胶凝材料为PO·42.5普通硅酸盐水泥，并且不添加专用外加剂。对照组与实例的测试结果如表1所示。
表1新型无机胶凝材料制备的电磁透波混凝土28天相关指标
Figure BDA0003232167520000081
由上表1所知，本发明创新性采用玻璃粉、高铝粉煤灰替代PO·42.5普通硅酸盐水泥，和自制的专用外加剂，制备出的实例1-4无机胶凝材料的电磁波透射率和强度明显高于对照组。且实例1-4在5G频段下的电磁透波率均超过70％，混凝土的抗压强度均不低于40MPa。说明本发明提供的一种高电磁透波率混凝土的无机胶凝材料的制备方法，能够很好的改善混凝土的电磁透波性能，还能提升混凝土的强度，在改善5G移动信号方面具有很高的推广和实用价值。

Claims (5)

1.一种用于制备高电磁透波率混凝土的无机胶凝材料，其特征在于：主要组分和专用外加剂包括：
1）. 无机胶凝材料由PO·42.5普通硅酸盐水泥、玻璃粉和高铝粉煤灰组成，三者的质量占比分别为：
（1）PO·42.5普通硅酸盐水泥的质量占比：50%-60%；
（2）玻璃粉的质量占比：28%-35%；
（3）高铝粉煤灰的质量占比：5%-22%；
其中，上述三种主要组分质量占比之和为100%；
2）. 专用外加剂组分是：
（1）聚羧酸减水剂与无机胶凝材料的质量比：0.5%-1%；
（2）硅铝酸镁与无机胶凝材料的质量比：1%-2%；
（3）十二烷基苯磺酸钠与无机胶凝材料的质量比：0.5%-1%；
（4）纳米氮化硼管与无机胶凝材料的质量比：0.5%-1.5%；
其中，聚羧酸减水剂：硅酸镁铝：十二烷基苯磺酸钠的质量比为1:2:1。
2.根据权利要求1的无机胶凝材料，其特征在于：所述的玻璃粉粒径为100目-200目，二氧化硅含量不低于70%，氧化铁含量不高于0.15%；所述的高铝粉煤灰氧化铝含量不低于65%，氧化铁含量不高于1.5%。
3.根据权利要求1的无机胶凝材料，其特征在于：所述的聚羧酸减水剂减水率为45%；所述的硅铝酸镁粒径为200目-300目，纯度98%以上；所述十二烷基苯磺酸钠纯度为98%以上；所述的纳米氮化硼管的直径为2nm-5nm，长度为5μm -30μm。
4.一种如权利要求1所述的无机胶凝材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
（1）称料：根据各组分的质量配比，精确称取各组分；
（2）制备专用外加剂：将聚羧酸减水剂、硅酸镁铝、十二烷基苯磺酸钠、纳米氮化硼管均匀搅拌5min，转速为100r/min，制备得到专用外加剂；
（3）将PO·42.5普通硅酸盐水泥、玻璃粉和高铝粉煤灰置于搅拌机内混合搅拌均匀，再加入专用外加剂，混合搅拌10min。
5.如权利要求1所述无机胶凝材料的应用，其特征在于：配置混凝土时，所用水与胶凝材料的比值为0.2-0.25。
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