CN114195462A - 氧化石墨烯沙漠砂水泥基复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了氧化石墨烯沙漠砂水泥基复合材料，涉及一种混水泥基复合材料，水泥基复合材料由水泥、水、砂、减水剂和氧化石墨烯组成，所述砂为河砂与沙漠砂组成，沙漠砂的重量占砂总量的50％；其中，按质量百分比计，水泥：水：砂：减水剂：氧化石墨烯＝1000：500：2222.2：2.5～3.4：0.1；所述水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥；所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂。本发明将适量氧化石墨烯掺入沙漠砂水泥基材料中均能使其抗压、抗折强度提高，由0％～0.01％的氧化石墨烯掺入后试块力学提升效果最为明显；0.03％的氧化石墨烯全沙漠砂试块，抗压、抗折强度完全可以比拟标准砂试块；氧化石墨烯的掺入对沙漠砂试块的力学性能提升相对于标准砂试块更为明显。

Description

氧化石墨烯沙漠砂水泥基复合材料

本申请是申请日为2019年04月10日、申请号为201910282999.6、发明名称为《氧化石墨烯沙漠砂水泥基复合材料》的分案申请。

技术领域

本发明属于水泥基复合材料技术领域，尤其涉及氧化石墨烯沙漠砂水泥基复合材料。

背景技术

随着城镇化和基础设施建设的快速发展，工程建设中对粗、中砂的需求量越来越大，现行工程中的粗、中砂均取自于江、河的河床，但新疆的河流数量较少，且分布很不均。大量采砂不但破坏了河床的结构，还造成本就脆弱的新疆生态环境的严重生态危机，另外，很多乡镇地区远离河流，建设用砂的运费也非常高昂。所以，寻求粗、中砂的替代产品对于新疆地区工程建设显得尤为重要，是该领域中广大学者关注的焦点之一。若是能利用沙漠砂替代粗、中砂应用于工程建设中，则是对合理利用自然资源做出了巨大贡献。但沙漠砂颗粒细，比表面积大、不易拌合，用水泥量和需水量大，易离析和分层，抗压、抗折强度低，耐久性差。

国内外对沙漠砂水泥基材料做了大量的研究，通过掺入纤维、粉煤灰、沥青等来改良其性能。得到结论为：C30强度以上水泥砂浆试块随沙漠砂掺量的提高，试块的抗压、抗折强度先提高后降低。但是这些方法仅在宏观尺度通过高强材料阻止裂缝发展或通过降低水泥基材料孔隙率而提高水泥基材料的强度，在微观尺度的裂缝与孔隙依然存在。

关于氧化石墨烯(GO)，其不仅与石墨烯在力学性能相似，也因其表面丰富的含氧官能团可以很好的悬浮于水中而更被大量的研究应用。因此，展开该方面研究必将对沙漠砂混凝土的推广应用起到重要作用。

发明内容

本发明提供了氧化石墨烯沙漠砂水泥基复合材料，本发明提供的复合材料抗折强度高、抗压强度高。

本发明提供了氧化石墨烯沙漠砂水泥基复合材料，氧化石墨烯沙漠砂水泥基复合材料，所述水泥基复合材料由水泥、水、砂、减水剂和氧化石墨烯组成，所述砂由河砂与沙漠砂组成，沙漠砂的重量占砂总量的50％；其中，按质量百分比计，水泥：水：砂：减水剂：氧化石墨烯＝1000：500：2222.2：2.5～3.4：0.1；

所述水泥P.O42.5普通硅酸盐水泥；所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂。本发明将氧化石墨烯引入到沙漠砂水泥基复合材料中，弥补了沙漠砂水泥基复合材料的先天不足，达到甚至超过普通水泥基材料力学和耐久性能等各项指标要求。与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明将适量GO掺入沙漠砂水泥基材料中均能使其抗压、抗折强度提高，由0％～0.01％的GO掺入后试块力学提升效果最为明显；GO的掺入对沙漠砂试块的力学性能提升相对于标准砂试块更为明显。

2)本发明经微观机理分析，合理解释了沙漠砂、GO的相互促进作用以及GO作用机理，为进一步的研究提供了依据。

3)本发明将沙漠砂应用于水泥基材料领域，从保护环境、抑制荒漠化、就地取材、合理利用方面来说，具有积极的经济和现实意义。

本发明还提供了上述技术方案所述氧化石墨烯沙漠砂水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

向搅拌机内依次加入水泥、砂和氧化石墨烯后，干拌均匀，将减水剂加入水中，搅拌均匀，然后缓慢加入搅拌机中，充分搅拌均匀。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或对比例描述中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为本发明试件7d后的抗压强度与沙漠砂掺杂量的关系图，其中试件为实施例1～6、对比例1～6得到的试件；

图2为本发明试件28d后的抗压强度与沙漠砂掺杂量的关系图，其中试件为实施例1～6、对比例1～6得到的试件；

图3为本发明试件7d后的抗折强度与沙漠砂掺杂量的关系图，其中试件为实施例1～6、对比例1～6得到的试件；

图4为本发明试件28d后的抗折强度与沙漠砂掺杂量的关系图，其中试件为实施例1～6、对比例1～6得到的试件；

图5为本发明对比例6、对比例2、实施例4和实施例3的砂浆试块养护至7天后进行的电镜扫描图，其中(a)图为对比例6砂浆试块养护至7天后的SEM图，(b)图为对比例2砂浆试块养护至7天后的SEM图，(c)图为实施例4砂浆试块养护至7天后的SEM图；(d)图为实施例3砂浆试块养护至7天后的SEM图。

具体实施方式

下面结合实施例详细说明本发明。

下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明实施例中涉及的氧化石墨烯沙漠砂水泥基复合材料的试件具体制备方法均如下：

按照水泥：水：砂：减水剂：氧化石墨烯的质量百分比为1000：500：2222.2：2.5～3.4：0.1～0.6称取水泥、水、砂、减水剂和氧化石墨烯，开动搅拌机，向搅拌机内依次加入水泥、砂和氧化石墨烯后，干拌均匀，将减水剂加入水中，搅拌均匀，然后缓慢加入搅拌机中，充分搅拌均匀，然后放到100mm*100mm*400mm的模具中，得到试件试验试件。

实施例1

本发明实施例提供氧化石墨烯沙漠砂水泥基复合材料，所述水泥基复合材料由水泥、水、砂、减水剂和氧化石墨烯组成，所述砂为沙漠砂，即沙漠砂的重量占砂总量的100％；其中，按质量百分比计，水泥：水：砂：减水剂：氧化石墨烯＝1000：500：2222.2：2.8：0.3。

水泥P.O42.5普通硅酸盐水泥，减水剂为聚羧酸高性能减水剂。

实施例2

本发明实施例提供氧化石墨烯沙漠砂水泥基复合材料，所述水泥基复合材料由水泥、水、砂、减水剂和氧化石墨烯组成，所述砂为沙漠砂，即沙漠砂的重量占砂总量的100％；其中，按质量百分比计，水泥：水：砂：减水剂：氧化石墨烯＝1000：500：2222.2：2.5:0.1。

水泥P.O42.5普通硅酸盐水泥，减水剂为聚羧酸高性能减水剂。

实施例3

本发明实施例提供氧化石墨烯沙漠砂水泥基复合材料，所述水泥基复合材料由水泥、水、砂、减水剂和氧化石墨烯组成，所述砂为沙漠砂，即沙漠砂的重量占砂总量的100％；其中，按质量百分比计，水泥：水：砂：减水剂：氧化石墨烯＝1000：500：2222.2：3.4：0.6。

对比例1

对比例1提供的氧化石墨烯沙漠砂水泥基复合材料，所述水泥基复合材料由水泥、水和砂组成，所述砂为沙漠砂，即沙漠砂的重量占砂总量的100％；其中，按质量百分比计，水泥：水：砂＝1000：500：2222.2。

实施例4

本发明实施例提供氧化石墨烯沙漠砂水泥基复合材料，所述水泥基复合材料由水泥、水、砂、减水剂和氧化石墨烯组成，所述砂为河砂与沙漠砂组成，即沙漠砂的重量占砂总量的50％；其中，按质量百分比计，水泥：水：砂：减水剂：氧化石墨烯＝1000：500：2222.2：3.4：0.1。

实施例5

本发明实施例提供氧化石墨烯沙漠砂水泥基复合材料，所述水泥基复合材料由水泥、水、砂、减水剂和氧化石墨烯组成，所述砂为河砂与沙漠砂组成，即沙漠砂的重量占砂总量的50％；其中，按质量百分比计，水泥：水：砂：减水剂：氧化石墨烯＝1000：500：2222.2：2.5：0.1。

实施例6

本发明实施例提供氧化石墨烯沙漠砂水泥基复合材料，所述水泥基复合材料由水泥、水、砂、减水剂和氧化石墨烯组成，所述砂为河砂与沙漠砂组成，即沙漠砂的重量占砂总量的50％；其中，按质量百分比计，水泥：水：砂：减水剂：氧化石墨烯＝1000：500：2222.2：3.4：0.6。

对比例2

对比例2提供的氧化石墨烯沙漠砂水泥基复合材料，所述水泥基复合材料由水泥、水和砂组成，所述砂为河砂与沙漠砂组成，即沙漠砂的重量占砂总量的50％；其中，按质量百分比计，水泥：水：砂＝1000：500：2222.2。

对比例3

对比例3提供氧化石墨烯沙漠砂水泥基复合材料，所述水泥基复合材料由水泥、水、砂、减水剂和氧化石墨烯组成，所述砂为河砂，即沙漠砂的重量占砂总量的0％；其中，按质量百分比计，水泥：水：砂：减水剂：氧化石墨烯＝1000：500：2222.2：3.4：0.3。

对比例4

对比例4提供氧化石墨烯沙漠砂水泥基复合材料，所述水泥基复合材料由水泥、水、砂、减水剂和氧化石墨烯组成，所述砂为河砂，即沙漠砂的重量占砂总量的0％；其中，按质量百分比计，水泥：水：砂：减水剂：氧化石墨烯＝1000：500：2222.2：2.5：0.3。

对比例5

对比例5提供氧化石墨烯沙漠砂水泥基复合材料，所述水泥基复合材料由水泥、水、砂、减水剂和氧化石墨烯组成，所述砂为河砂，即沙漠砂的重量占砂总量的0％；其中，按质量百分比计，水泥：水：砂：减水剂：氧化石墨烯＝1000：500：2222.2：3.4：0.6。

对比例6

对比例6提供的氧化石墨烯沙漠砂水泥基复合材料，所述水泥基复合材料由水泥、水和砂组成，所述砂为河砂成，即沙漠砂的重量占砂总量的0％；其中，按质量百分比计，水泥：水：砂＝1000：500：2222.2。

一、沙漠砂替代率和氧化石墨烯(GO)掺量影响分析

1.1试验设计

基于正交试验分析，进一步研究沙漠砂替代率和GO掺量对GO-沙漠砂水泥基复合材料的抗压和抗折强度影响规律。试件为100mm*100mm*400mm标准胶砂试验试块，具体试验对象为实施例1～6的混凝土和对比例1～6的混凝土。

由于要做100％沙漠砂替代率以及高掺量GO，需水量激增，所以根据实际情况与正交趋势整水灰比为0.5，胶砂比为0.45。用替代率为0、50％、100％的沙漠砂替代标准砂，在同一沙漠砂替代率下，用GO掺量为0、0.01％、0.03％、0.06％的材料制作GO-沙漠砂水泥基复合材料试块。

力学测试后进行回收试样，用于扫描电子显微镜(SEM)表面形貌观察。试验配合比见表1。

表1试验配合比

1.2结果与分析

表2试验结果

由表2以及图1和图2可以看出，总体来说，不管是7天还是28天试件的抗压强度，GO掺量从0.01％～0.03％，强度都是增加的，另从增加斜率可以看出，从掺量0％～0.01％，不管沙漠砂掺量多少，其强度增加幅度都是最大的，而GO掺量从0.01％～0.03％，增长幅度逐渐变缓，掺量到0.06％，强度会急剧下降。这可能是高掺量的GO难以分散而产生絮凝，另外其增粘增稠现象更为明显，需水量增加，对沙漠砂水泥复合材料浆体工作性有一定的影响。

对于试件28天的抗压强度情况，相对GO掺量为0％的空白样，GO掺入量为0.01％～0.03％时，对比例3和对比例4试件抗压强度分别提高30.87％、50.99％，实施例5和实施例4试件抗压强度分别提高31.03％、53.9％，实施例2和实施例1试件抗压强度分别提高42.92％、77.8％。当GO掺量为0.03％时，各组数据均增加了50％以上，尤其是100％沙漠砂掺量(实施例1)时更为显著，其甚至比标准砂(对比例6)抗压强度提高了46.8％。因此，在100％沙漠砂掺量情况掺加少量的GO，其抗压强度完全能达到甚至超过普通砂的强度。

由图3和图4可以看出，总体来说，不管是7天还是28天的抗折强度，GO掺量在0.01％增加幅度较大，随后当GO掺量从0.01％～0.03％时增长幅度逐渐变缓。与抗压强度增长幅度一样，当GO掺量由0.01％～0.03％，100％沙漠砂掺量的试件强度增加都比另外两组显著，尤其是掺量为0.01％时，提高更为显著。对比7天与28天抗折强度增长幅度，发现7天的增长幅度整体偏大，这反映了GO提高早期抗折强度的作用。

对于28天情况，相对GO掺量为0％的空白样，GO掺入量为0.01％～0.03％时，实施例5和实施例4试件抗折强度提高32.12％、42.67％；实施例5和实施例4抗折强度提高31.19％、52.12％；实施例2和实施例1抗折强度提高53.67％、82.11％。100％沙漠砂掺量(实施例1)时，其比标准砂(对比例6)抗折强度提高了35.62％。

与抗压强度增长幅度对比发现：沙漠砂替代率越高，GO掺量为0.03％时的抗压、抗折强度增长幅度均越大，且梯度明显；当GO掺量从0.01％～0.03％时，100％沙漠砂掺量强度提升均最为显著，且当GO掺量为0.03％时的抗压、抗折强度均大于标准砂(对比例6)组值35％以上；无论GO掺量为多少，50％沙漠砂替代率时抗压、抗折强度均最高。

由此我们可以推测GO可以提高GO-沙漠砂水泥基材料力学性能，且对早期抗折强度提升更加明显。难能可贵是对于100％沙漠砂掺量的实施例1-3组的强度提升最显著，该发现可为全沙漠水泥基材料研究做进一步探索。

1.3微观结构分析

为研究GO对沙漠砂水泥基砂浆力学性能的影响机理，对对比例6、对比例2、实施例4和实施例3的砂浆试块养护至7天进行电镜扫描。由图5(a)图可以看出对比例6(0％GO-标准砂)试块中有大量细长的针状晶体，且较为稀松、不够紧密、水化产物少，容易产生空洞。由(b)图可以看出50％沙漠砂试块中水化产物形态有所改变，针状物相对减少，凝胶增多。推测关于凝胶增多是因为沙漠砂的火山灰效应，古尔班通古特沙漠砂中大量的活性SiO₂与水泥水化产物碱性Ca(OH)₂发生水化反应，促进生成水化硅酸钙(C-S-H)凝胶，C-S-H使试块更加密实、强度更高。由(c)图可以看出，其相对于(b)图有了更多、更为密实的水化产物，且因GO的加入而基本未见了针状钙矾石产物的生成，取而代之的是团聚物。研究其机理可归结为GO片层靠表面含有的大量活性基团促进水化晶体的生长，另外GO对水化产物的形状也具有模板调节作用，使其更易以相互嵌入、聚集等方式形成聚合体。由(d)图可看出GO对水化产物受力破坏时的拉结作用，GO本身很高的力学性能可以阻止沙漠砂纳米微裂缝的延伸。另外也可看出GO增加至0.06％时，水化产物未能充分发展为整体，孔隙率变大，密实度下降，影响强度。另一方面过量的沙漠砂使得凝胶材料相对不足，水化产物相对减少，不能更好的包裹细骨料，也容易产生裂缝。

本发明可以得出适量GO掺入沙漠砂水泥基材料中均能使其抗压、抗折强度提高，由0％～0.01％的GO掺入后试块力学提升效果最为明显；0.03％的GO全沙漠砂试块，抗压、抗折强度完全可以比拟标准砂试块；GO的掺入对沙漠砂试块的力学性能提升相对于标准砂试块更为明显。经微观机理分析，合理解释了沙漠砂、GO的相互促进作用以及GO作用机理，为进一步的研究提供了依据。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.氧化石墨烯沙漠砂水泥基复合材料，其特征在于，所述水泥基复合材料由水泥、水、砂、减水剂和氧化石墨烯组成，所述砂由河砂与沙漠砂组成，沙漠砂的重量占砂总量的50％；其中，按质量比计，水泥：水：砂：减水剂：氧化石墨烯＝1000：500：2222.2：2.5～3.4：0.1；

所述水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥；

所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂。

2.权利要求1所述氧化石墨烯沙漠砂水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

向搅拌机内依次加入水泥、砂和氧化石墨烯后，干拌均匀，将减水剂加入水中，搅拌均匀，然后缓慢加入搅拌机中，充分搅拌均匀。

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