CN115140981A - 高性能石墨钢纤维混凝土及其制备方法 - Google Patents

高性能石墨钢纤维混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高性能石墨钢纤维混凝土及其制备方法，包含以下材料组分：水泥、硅灰、标准砂、钢纤维、减水剂、石墨、水，其中水泥：硅灰：标准砂：减水剂：水＝1：0.11：0.72：0.01：0.20。本发明的高性能石墨钢纤维混凝土具有高力学性能、高耐久性、高工作性、高导热性能以及高密实度等优点，在高性能混凝土中掺入钢纤维和石墨形成高性能石墨纤维混凝土，一方面钢纤维可提高混凝土的抗折强度，另一方面石墨和钢纤维可改善混凝土的导热性能性能。高性能石墨钢纤维混凝土具有优异力学性能的同时，具有工作性能好、导热性能好等显著优势。

Description

高性能石墨钢纤维混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种高性能石墨钢纤维混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土是土木工程领域中最常用的建筑材料之一，传统混凝土材料在保证其抗压强度的同时存在抗折性能差、耐磨性能差、导热性差等缺陷。普通混凝土导热系数约为1～2W/m·K，热量传递作用较差，石墨的导热系数约为150W/m·K，在混凝土中掺加导热性能良好的石墨可以有效提高混凝土的导热系数，由于石墨质软、强度不高且石墨与水泥材料的亲水性不同等原因，使得水泥与石墨之间的界面结合力较小，从而导致石墨混凝土力学性能变差，现有技术与研究中的石墨钢纤维混凝土抗压强度普遍为30～50MPa，对于一些高层建筑结构、大跨度桥梁结构以及某些特种结构，现有技术无法满足其同时具备高导热性及高承载力的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述背景技术的不足，提供一种高性能石墨钢纤维混凝土及其制备方法。本发明的高性能石墨钢纤维混凝土具有高力学性能、高耐久性、高工作性、高导热性能以及高密实度等优点，在高性能混凝土中掺入钢纤维和石墨形成高性能石墨纤维混凝土，一方面钢纤维可提高混凝土的抗折强度，另一方面石墨和钢纤维可改善混凝土的导热性能性能。高性能石墨钢纤维混凝土具有优异力学性能的同时，具有工作性能好、导热性能好等显著优势。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明提供一种高性能石墨钢纤维混凝土，包含以下材料组分：水泥、硅灰、标准砂、钢纤维、减水剂、石墨、水，其中水泥：硅灰：标准砂：减水剂：水＝1：0.11：0.72：0.01：0.20。
优选的，所述石墨掺量为混凝土总质量的4～8％。
进一步优选的，所述石墨掺量为混凝土总质量的4％。
优选的，所述石墨粒径为20～40目。
优选的，所述钢纤维体积掺量为混凝土体积的1～2％。
进一步优选的，所述钢纤维体积掺量为混凝土体积的2％。
优选的，所述钢纤维选用直径为13mm的镀铜钢纤维。
优选的，所述硅灰粒径为0.1～0.3μm，比表面积为20～28m2/g，其中SiO2含量大于96％。
优选的，所述减水剂选用聚羧酸减水剂。
第二方面，本发明提供一种制备高性能石墨钢纤维混凝土的方法，包括：
S1、按设定配比称取水泥、硅灰、标准砂、石墨、减水剂、钢纤维以及水；
S2、将水泥、硅灰、标准砂、石墨加入水泥胶砂搅拌锅进行搅拌，搅拌均匀后将水倒入搅拌锅内继续搅拌；
S3、缓慢将粉质减水剂倒入搅拌锅内，得到石墨混凝土基体；
S4、继续搅拌，同时均匀向搅拌锅中加入称量好的钢纤维，浇筑试件，脱模后标准养护即得本发明的高性能石墨钢纤维混凝土。
所述混凝土基体采用超高性能混凝土制备原理进行配制。
所述超高性能混凝土制备原理为采用去除粗骨料，高胶凝材料含量，并通过使用高效聚羧酸减水剂来降低水胶比的方式来实现高强度。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
现有技术中石墨纤维混凝土的28d抗压强度25～45MPa，导热系数1.2～2.7W/m·K，本发明中高性能石墨纤维混凝土28d抗压强度为105～113MPa，最高可达113MPa；58d导热系数为2.63～2.79W/m·K，最高可达2.79W/m·K，在保证混凝土具有优异导热性能的同时，大幅提高了石墨纤维混凝土的抗压强度。
通过优化配合比设计提高混凝土强度，石墨、钢纤维在混凝土中互相搭接形成导热通道，导热通道可以使得热量快速传递，达到提高混凝土导热系数的目的。
附图说明
图1为本发明石墨掺量为4％时不同钢纤维掺量混凝土抗压强度对比图；
图2为本发明石墨掺量为4％时不同钢纤维掺量混凝土导热系数对比图；
图3为本发明未掺钢纤维时不同石墨掺量混凝土抗压强度对比图；
图4为本发明未掺钢纤维时不同石墨掺量混凝土导热系数对比图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是不能理解为对本专利的限制，仅作举例而已。
下述实施例中所述试验方法或测试方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均从常规商业途径获得，或以常规方法制备。
石墨粒径选择说明如下：
在未掺钢纤维条件下，进行石墨粒径选择实验。
石墨粒径选择三种不同粒径：连续粒径范围20～40目，单一粒径320目，单一粒径2000目进行试验对比。
(1)混凝土中掺加2000目石墨粉后28d抗压强度仅58.4MPa，无法达到高承载力要求。
(2)混凝土中掺加320目石墨粉后测得流动度为190mm，工作性能较差，现场施工浇筑困难。28d抗压强度为76.5MPa，强度未满足高承载力要求。
(3)混凝土中掺加20～40目石墨粉后流动度在225～250mm范围内，具有良好的工作性能。石墨质量掺量为4～8％时28d抗压强度可见附图3，28d抗压强度均在90MPa以上，且导热系数在2.51～2.85W/m·K，具有优良导热性能。
新拌混凝土流动度实验参考规范GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》，且无需振捣。
石墨和钢纤维掺量选择说明如下：
图1及图3中抗压强度参考规范GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检测方法》。
图1为石墨掺量为4％时不同钢纤维掺量混凝土抗压强度对比图。从图1中可以看出：单掺4％石墨的混凝土28d抗压强度为97.1MPa；掺4％石墨及1％钢纤维的混凝土28d抗压强度为105.9MPa；掺4％石墨及2％钢纤维的混凝土28d抗压强度为113.1MPa。图1说明钢纤维的加入可以提高石墨混凝土的抗压强度，掺加2％钢纤维的石墨纤维混凝土相较于未掺加钢纤维的石墨混凝土抗压强度提高了16.5％。
图3为未掺钢纤维时不同石墨掺量混凝土抗压强度对比图。从图3中可以看出：未掺加石墨及钢纤维的混凝土基体28d抗压强度为113.3MPa；单掺4％石墨的混凝土28d抗压强度为97.1MPa；单掺8％石墨的混凝土28d抗压强度为91.5MPa。图3说明石墨的加入会降低混凝土基体的抗压强度，但各组抗压强度均在90MPa以上。
图2及图4中导热系数采用QTM-500快速导热仪测定。
图2为石墨掺量为4％时不同钢纤维掺量混凝土导热系数对比图。从图2中可以看出：单掺4％石墨的混凝土导热系数为2.51W/m·K；掺4％石墨及1％钢纤维的混凝土导热系数为2.63W/m·K；掺4％石墨及2％钢纤维的混凝土导热系数为2.79W/m·K。图2说明钢纤维的加入可以提高石墨混凝土的导热系数，掺加2％钢纤维的石墨纤维混凝土相较于未掺加钢纤维的石墨混凝土导热系数提高了11.1％。
图4为未掺钢纤维时不同石墨掺量混凝土导热系数对比图。从图4中可以看出：未掺加石墨及钢纤维的混凝土基体28d抗压强度为1.94W/m·K；单掺4％石墨的混凝土28d抗压强度为2.51W/m·K；单掺8％石墨的混凝土28d抗压强度为2.85W/m·K。图4说明石墨的加入可以提高混凝土的导热系数，掺加8％石墨的石墨混凝土相较于未掺加石墨的混凝土导热系数提高了46.7％。
基于此，本发明石墨掺量控制为混凝土总质量的4～8％，这样可以在确保抗压强度足够的前提下，提高混凝土的导热系数，石墨掺量优选4％。本发明钢纤维掺量为混凝土体积的1～2％，在考虑成本合理的前提下，提高混凝土的抗压强度和导热系数，钢纤维掺量优选2％。
实施例1
本实例中石墨粒径为20～40目，石墨掺量为4％(石墨质量与混凝土总质量之比)，钢纤维掺量为1％(钢纤维体积与混凝土总体积之比)。
混凝土基体组分各质量比如下：水泥：硅灰：标准砂：减水剂：水＝1：0.11：0.72：0.01：0.20。
所述高性能石墨钢纤维混凝土制备步骤：
(1)按配合比称取水泥、硅灰、标准砂、石墨、减水剂、钢纤维以及水；
(2)将水泥、硅灰、标准砂、石墨加入水泥胶砂搅拌锅进行搅拌，搅拌均匀后将水倒入搅拌锅内继续搅拌；
(3)缓慢将粉质减水剂倒入搅拌锅内，得到石墨混凝土基体；
(4)继续搅拌，同时均匀向搅拌锅中加入称量好的钢纤维，浇筑试件，脱模后标准养护即得本发明的高性能石墨钢纤维混凝土。
所述水泥选用P·Ⅰ 52.5硅酸盐水泥，下述实施例相同。
所述高性能石墨钢纤维混凝土抗压强度测试试件尺寸为40mm×40mm×40mm立方体。
所述高性能石墨钢纤维混凝土导热系数测试试件尺寸为40mm×40mm×160mm棱柱体。
所述高性能石墨钢纤维混凝土常温养护1天后拆模，拆模后移入标准养护室养护至测试龄期。
所述流动度测试方法参考GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》，新拌混凝土浆体不振捣条件下测得流动度为265mm。
所述高性能石墨钢纤维混凝土28天抗压强度105.9MPa。
所述高性能石墨钢纤维混凝土56天导热系数为2.63W/m·K。
实施例2
本实例中石墨粒径为20～40目，石墨掺量为4％(石墨质量与混凝土总质量之比)，钢纤维掺量为2％(钢纤维体积与混凝土总体积之比)。
混凝土基体组分各质量比如下：水泥：硅灰：标准砂：减水剂：水＝1：0.11：0.72：0.01：0.20。
所述高性能石墨钢纤维混凝土制备步骤：
(1)按配合比称取水泥、硅灰、标准砂、石墨、减水剂、钢纤维以及水；
(2)将水泥、硅灰、标准砂、石墨加入水泥胶砂搅拌锅进行搅拌，搅拌均匀后将水倒入搅拌锅内继续搅拌；
(3)缓慢将粉质减水剂倒入搅拌锅内，得到石墨混凝土基体；
(4)继续搅拌，同时均匀向搅拌锅中加入称量好的钢纤维，浇筑试件，标准养护即得本发明的高性能石墨钢纤维混凝土。
所述高性能石墨钢纤维混凝土抗压强度测试试件尺寸为40mm×40mm×40mm立方体。
所述高性能石墨钢纤维混凝土导热系数测试试件尺寸为40mm×40mm×160mm棱柱体。
所述高性能石墨钢纤维混凝土常温养护2天后拆模，拆模后移入标准养护室养护至测试龄期。
所述流动度测试方法参考GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》。
所述实例2中，石墨钢纤维混凝土流动度为265mm，28天抗压强度为113.1MPa，56天导热系数为2.79W/m·K。
对比例1
混凝土基体组分各质量比如下：水泥：硅灰：标准砂：减水剂：水＝1：0.11：0.72：0.01：0.20。
所述无石墨钢纤维超高强混凝土制备步骤：
(1)按配合比称取水泥、硅灰、标准砂、减水剂以及水；
(2)将水泥、硅灰、标准砂加入水泥胶砂搅拌锅进行搅拌，搅拌均匀后将水倒入搅拌锅内继续搅拌；
(3)缓慢将粉质减水剂倒入搅拌锅内，得到石墨混凝土基体，常温养护1天后拆模，拆模后移入标准养护室养护至测试龄期。
所述无石墨钢纤维超高强混凝土抗压强度测试试件尺寸为40mm×40mm×40mm立方体。
所述无石墨钢纤维超高强混凝土导热系数测试试件尺寸为40mm×40mm×160mm棱柱体。
所述流动度测试方法参考GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》。
所述对比例1中，混凝土流动度为265mm，28天抗压强度为113.3MPa，56天导热系数为1.94W/m·K。
对比例2
本对比例中石墨粒径为20～40目，石墨掺量为4％(石墨质量与混凝土总质量之比)。
混凝土基体组分各质量比如下：水泥：硅灰：标准砂：减水剂：水＝1：0.11：0.72：0.01：0.20。
所述无钢纤维混凝土制备步骤：
(1)按配合比称取水泥、硅灰、标准砂、石墨、减水剂以及水；
(2)将水泥、硅灰、标准砂、石墨加入水泥胶砂搅拌锅进行搅拌，搅拌均匀后将水倒入搅拌锅内继续搅拌；
(3)缓慢将粉质减水剂倒入搅拌锅内，得到石墨混凝土基体，常温养护1天后得到无钢纤维混凝土，拆模后移入标准养护室养护至测试龄期。
所述无钢纤维混凝土抗压强度测试试件尺寸为40mm×40mm×40mm立方体。
所述无钢纤维混凝土导热系数测试试件尺寸为40mm×40mm×160mm棱柱体。
所述流动度测试方法参考GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》。
所述对比例2中，无钢纤维混凝土流动度为240mm，28天抗压强度为97.1MPa，56天导热系数为2.51W/m·K。
对比例3
本对比例中石墨粒径为20～40目，石墨掺量为8％(石墨质量与混凝土总质量之比)。
混凝土基体组分各质量比如下：水泥：硅灰：标准砂：减水剂：水＝1：0.11：0.72：0.01：0.20。
所述无钢纤维混凝土制备步骤：
(1)按配合比称取水泥、硅灰、标准砂、石墨、减水剂以及水；
(2)将水泥、硅灰、标准砂、石墨加入水泥胶砂搅拌锅进行搅拌，搅拌均匀后将水倒入搅拌锅内继续搅拌；
(3)缓慢将粉质减水剂倒入搅拌锅内，得到石墨混凝土基体，常温养护1天后得到无钢纤维混凝土，拆模后移入标准养护室养护至测试龄期。
所述无钢纤维混凝土抗压强度测试试件尺寸为40mm×40mm×40mm立方体。
所述无钢纤维混凝土导热系数测试试件尺寸为40mm×40mm×160mm棱柱体。
所述流动度测试方法参考GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》。
所述对比例3中，无钢纤维混凝土流动度为225mm，28天抗压强度为91.5MPa，56天导热系数为2.85W/m·K。
对比例4
本对比例中石墨粒径为320目，石墨掺量为4％(石墨质量与混凝土总质量之比)。
混凝土基体组分各质量比如下：水泥：硅灰：标准砂：减水剂：水＝1：0.11：0.72：0.01：0.24。
所述无钢纤维混凝土制备步骤：
(1)按配合比称取水泥、硅灰、标准砂、石墨、减水剂以及水；
(2)将水泥、硅灰、标准砂、石墨加入水泥胶砂搅拌锅进行搅拌，搅拌均匀后将水倒入搅拌锅内继续搅拌；
(3)缓慢将粉质减水剂倒入搅拌锅内，得到石墨混凝土基体，常温养护1天后得到无钢纤维混凝土，拆模后移入标准养护室养护至测试龄期。
所述无钢纤维混凝土抗压强度测试试件尺寸为40mm×40mm×40mm立方体。
所述无钢纤维混凝土导热系数测试试件尺寸为40mm×40mm×160mm棱柱体。
所述流动度测试方法参考GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》。
所述对比例4中，无钢纤维混凝土流动度为190mm，28天抗压强度为76.5MPa，56天导热系数为3.06W/m·K。
从上述实施例1-2及对比例1-4可以得知，对比例1-4中混凝土均无法兼顾高强度、高导热及高工作性能，本发明在加入石墨和钢纤维后，高性能石墨纤维混凝土的28d抗压强度为105～113MPa，最高可达113MPa；58d导热系数为2.63～2.79W/m·K，最高可达2.79W/m·K，本发明相比传统石墨混凝土，在保证混凝土具有优异导热性能的同时，大幅提高了石墨纤维混凝土的抗压强度。
以上，仅为本发明的具体实施方式，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，其余未详细说明的为现有技术。

Claims (10)

1.一种高性能石墨钢纤维混凝土，其特征在于，包含以下材料组分：水泥、硅灰、标准砂、钢纤维、减水剂、石墨、水，其中水泥：硅灰：标准砂：减水剂：水＝1：0.11：0.72：0.01：0.20。
2.根据权利要求1所述的高性能石墨钢纤维混凝土，其特征在于，所述石墨掺量为混凝土总质量的4～8％。
3.根据权利要求2所述的高性能石墨钢纤维混凝土，其特征在于，所述石墨掺量为混凝土总质量的4％。
4.根据权利要求1所述的高性能石墨钢纤维混凝土，其特征在于，所述石墨粒径为20～40目。
5.根据权利要求1所述的高性能石墨钢纤维混凝土，其特征在于，所述钢纤维体积掺量为混凝土体积的1～2％。
6.根据权利要求5所述的高性能石墨钢纤维混凝土，其特征在于，所述钢纤维体积掺量为混凝土体积的2％。
7.根据权利要求1所述的高性能石墨钢纤维混凝土，其特征在于，所述钢纤维选用直径为13mm的镀铜钢纤维。
8.根据权利要求1所述的高性能石墨钢纤维混凝土，其特征在于，所述硅灰粒径为0.1～0.3μm，比表面积为20～28m2/g，其中SiO2含量大于96％。
9.根据权利要求1所述的高性能石墨钢纤维混凝土，其特征在于，所述减水剂选用聚羧酸减水剂。
10.一种制备权利要求1-9任一项所述的高性能石墨钢纤维混凝土的方法，其特征在于，包括：
S1、按设定配比称取水泥、硅灰、标准砂、石墨、减水剂、钢纤维以及水；
S2、将水泥、硅灰、标准砂、石墨加入水泥胶砂搅拌锅进行搅拌，搅拌均匀后将水倒入搅拌锅内继续搅拌；
S3、缓慢将粉质减水剂倒入搅拌锅内，得到石墨混凝土基体；
S4、继续搅拌，同时均匀向搅拌锅中加入称量好的钢纤维，浇筑试件，脱模后标准养护即得本发明的高性能石墨钢纤维混凝土。
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