CN115231880A - 煤系偏高岭土-氧化石墨烯水泥砂浆复合材料及制备方法 - Google Patents

煤系偏高岭土-氧化石墨烯水泥砂浆复合材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于非金属元素的无机材料技术领域,具体涉及一种煤系偏高岭土‑氧化石墨烯水泥砂浆复合材料及制备方法;所述水泥砂浆复合材料包括以下重量份配比的原料:水泥100~90份,标准砂200份,氧化石墨烯0.06份,煤系偏高岭土0~10份且不为0,减水剂0.11~0.32份;所述复合材料的原料中水胶比为0.4;本发明CMK对于掺GO的水泥砂浆具有提高氧化石墨烯的分散的作用,CMK还有助于提高GO混合水泥砂浆中GO与水化产物的界面结合力,CMK在GO混合水泥砂浆中,既可以发挥GO的成核效应,又能发挥CMK的火山灰活性,促进水泥的二次水化,在强度方面表现出明显的协同效应和增益效果。

Description

煤系偏高岭土-氧化石墨烯水泥砂浆复合材料及制备方法
技术领域
本发明属于非金属元素的无机材料技术领域,具体涉及一种煤系偏高岭土-氧化石墨烯水泥砂浆复合材料及制备方法。
背景技术
氧化石墨烯是一种层状由亲水氧化石墨烯(GO)片组成的纳米材料,具有丰富的含氧官能团、优异的力学性能以及很大的比表面积,受到了各研究领域的广泛关注。已有研究学者也尝试运用GO来改善水泥基复合材料的各项性能,并且取得了显著的成果。但是,稳定的GO水溶液在加入水泥浆体后,水泥水化释放的钙离子(Ca2+)与氧化石墨烯表面功能团之间会发生螯合作用,从而造成GO团聚。团聚后GO的弹性模量和抗拉强度均大幅下降,这将使GO在水泥基材料中的增强效果大打折扣。因此,实现氧化石墨烯在水泥基体中的良好分散是提高水泥砂浆性能的关键因素。
机械搅拌、超声波分散是分散纳米材料最常用的方法。超声波分散GO的原理是利用超声波探头提供足够的能量通过高局部剪切力分解GO纳米片,并且GO团聚体会因为在超声过程中气泡的形成和破裂而得到进一步分散。但是,探针超声直接作用的弊端是:(1)高强度的超声会导致GO纳米片层发生变形,从而造成GO粗糙度和堆叠程度的加剧,降低了其形态特性。(2)超声作用使GO上可用于进一步化学转化的官能团数量显著减少,不利于GO对水泥基复合材料的增韧效果。(3)超声波只能促进GO在水中的短暂分散,由于熵的增加或水泥碱性环境中Ca2+的交联效应,GO倾向于在水泥基质中重新聚集。专利CN103130436A和专利CN109400038A提供了使用分散剂、减水剂等化学表面活性剂协助生产氧化石墨烯增强水泥基复合材料的方法,这些方法虽可以在一定程度上改善了GO的分散,但缺点是分散作用十分局限,不能使GO在水泥基复合材料中达到理想的分散效果,并未从根本上解决带负电的GO在含有大量Ca2+的碱性水泥基复合材料中的分散问题。
偏高岭土MK(Al2O3:2SiO2)是一种天然火山灰材料,可与水泥水化产物发生火山灰反应生成二次C-S-H凝胶,有助于增强水泥复合材料的力学强度和耐久性,并且其成本低、易获取。煤系偏高岭土(CMK)是煤系高岭土在600-900℃温度下煅烧制成的,在中国有着丰富的资源,主要赋存于煤层顶部或底部,伴生煤矸石或单独形成的矿层。由于疏于开发,CMK通常被作为废料丢弃,造成了严重的环境污染和资源浪费。因此,如果能将煤系偏高岭土替代部分水泥,不仅能够通过减少水泥消耗从而降低二氧化碳排放减少能耗,而且能够充分发挥煤系偏高岭土的作用从而减少环境污染和资源浪费。
发明内容
本发明克服现有技术的不足,提供一种煤系偏高岭土-氧化石墨烯水泥砂浆复合材料及制备方法,旨在克服氧化石墨烯分散性差及其增强水泥砂浆力学性能有限的不足。本发明提出了一种实现氧化石墨烯在水泥砂浆中良好分散的简单高效的新方法。运用技术手段制备出稳定的煤系偏高岭土-氧化石墨烯悬浊液,并将其与水泥、标准砂等混合制备得到具备高性能的水泥砂浆材料。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案为:一种煤系偏高岭土-氧化石墨烯水泥砂浆复合材料,包括以下重量份配比的原料:水泥100~90份,标准砂200份,氧化石墨烯0.06份,煤系偏高岭土0~10份且不为0,减水剂0.11~0.32份;所述复合材料的原料中水胶比为0.4。
本发明中创新性的将煤系偏高岭土运用于水泥基材料中,通过运用煤系偏高岭土来分散氧化石墨烯,这一方法在促进氧化石墨烯在水泥基材料中良好分散的同时也在一定程度上提升了煤系偏高岭土的活性,从而达到的增强水泥砂浆复合材料力学性能及耐久性的作用。
一种煤系偏高岭土-氧化石墨烯水泥砂浆复合材料的制备方法,包括以下步骤:
A、煤系偏高岭土-氧化石墨烯悬浮液的制备
A1、使用超声波分散仪对稀释的氧化石墨烯溶液和减水剂进行超声,确保氧化石墨烯分散良好;
A2、将煤系偏高岭土与超声分散后的氧化石墨烯溶液混合搅拌得到稳定分散的煤系偏高岭土-氧化石墨烯悬浮液;
B、煤系偏高岭土-氧化石墨烯水泥砂浆复合材料制备
B1、将标准砂加入搅拌漏斗中,将煤系偏高岭土-氧化石墨烯悬浮液加入搅拌锅中,加入水泥,将锅放在固定架上,上升至固定位置,低速搅拌30s,第二个30s开始时均匀加入沙子,再高速搅拌30s;
B2、停止搅拌机,让浆体静置90s,在此期间,迅速将聚集在锅侧和叶片上的的任何材料刮到锅内;然后在此间隔的剩余时间内,用盖子盖住锅;
B3、高速搅拌60s完成;
B4、混合水泥砂浆后,将新鲜的水泥砂浆倒入钢模中,用标准振动台压实,然后用聚乙烯纳米片密封模具以防止水分逸出。
进一步的,步骤A1中超声振幅20%,且超声在冰浴条件下进行,超声时间为10min。
进一步的,步骤A2中使用磁力搅拌机搅拌,磁力搅拌机以500 r/min的速度搅拌5min。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果:
第一,CMK部分代替水泥,一方面可以发挥CMK的火山灰活性,促进水泥的二次水化,将对强度贡献低的氢氧化钙晶体转换为强度贡献高的水化硅酸钙(水化硅铝酸钙)等水化产物,另一方面可以通过减少水泥消耗,降低二氧化碳排放,减少能耗,从而减少环境污染和资源浪费。
第二,氧化石墨烯在富含Ca2+的环境极易发生团聚,而CMK在富含Ca2+的环境中没有团聚现象,因此CMK可以通过范德华力与GO纳米片发生物理吸附,通过机械分散CMK而达到分散GO的目的,更大的发挥GO的模板作用。
第三,CMK在掺GO混合水泥砂浆中,硅铝酸盐水化产物、水泥中的钙离子和GO的官能团羟基建立了稳固的“笼子”结构,阻止了界面水分子的自由扩散,从而稳定了水泥水化产物与GO的连接,提高GO混合水泥砂浆中GO与水化产物的界面结合力。并且CMK在掺GO混合水泥砂浆中具有填充孔隙,起到连接和修复水泥基体中的裂缝和改善界面过渡区(ITZ)的性能的作用。
第四,CMK在掺GO混合水泥砂浆中,既可以发挥GO的成核效应,促进水泥水化程度,又能发挥CMK的火山灰活性,促进水泥的二次水化,在强度方面发挥了明显的协同效应和增益效果。
第五,由于CMK为片状结构,其在掺GO的水泥砂浆中起到阻挡氯离子通过的作用,提高了混合砂浆的耐久性能。
附图说明
图1是CMK的SEM示意图。
图2是实施例样品在28d养护龄期抗折强度示意图。
图3是实施例样品在28d养护龄期抗压强度示意图。
图4是实施例样品在28d养护龄期氯离子渗透系数示意图。
图5是实施例样品M在28d养护龄期的SEM示意图。
图6是实施例样品MG6在28d养护龄期的SEM示意图。
图7是实施例样品MGC6在28d养护龄期的SEM示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例
煤系偏高岭土-氧化石墨烯水泥砂浆复合材料,原料:水泥P.O 42.5、标准砂、氧化石墨烯、煤系偏高岭土、减水剂(聚羧酸系减水剂)的质量比为 (100~90):200:0.06:(0~10):(0.11~0.32),所述复合材料的原料中水胶比为0.4。
上述煤系偏高岭土-氧化石墨烯水泥砂浆复合材料的制备方法,如下:
A.煤系偏高岭土-氧化石墨烯悬浮液的制备
A1、使用超声波分散仪(超声振幅20%)对稀释的 GO 溶液和减水剂进行超声(冰浴),超声时间为10 min,以确保GO分散良好。
A2、若使用 CMK,则在此阶段将其与超声分散后的GO溶液混合,使用磁力搅拌机以500 r/min 的速度搅拌 5 min,从而得到稳定分散的煤系偏高岭土-氧化石墨烯悬浮液。
B.煤系偏高岭土-氧化石墨烯的水泥砂浆复合材料制备
B1、将标准砂加入搅拌漏斗中,将GO混合溶液加入搅拌锅中,加入水泥,将锅放在固定架上,上升至固定位置。低速搅拌30 s,第二个30 s开始时均匀加入沙子,再高速搅拌30s。
B2、停止搅拌机,让浆体静置90 s。在此期间,迅速将可能聚集在锅侧和叶片上的任何材料刮到锅内;然后在此间隔的剩余时间内,用盖子盖住锅。
B3、高速搅拌60 s完成。
B4、混合水泥砂浆后,将新鲜的水泥砂浆倒入钢模中,用标准振动台压实。然后用聚乙烯纳米片密封模具以防止水分逸出。
采用上述的水泥砂浆复合材料的原料及配比进行实验,具体实验的样品的组分配比和结果如下表1:
表1样品的配合比
Figure 39623DEST_PATH_IMAGE001
M:未掺GO及CMK的水泥砂浆样品,
MGn:仅掺n%GO的水泥砂浆样品,
MCn:仅掺n%CMK的水泥砂浆样品,
MGCn:掺0.06wt%GO和n%CMK的混合水泥砂浆样品。
由图1可以清楚的看到煤系偏高岭土为片状结构。
图2和图3是样品在28d养护龄期抗折和抗压强度示意图,可以看出,CMK在GO水泥砂浆抗折和抗压强度都明显优于单独CMK改性水泥砂浆和单独GO改性水泥砂浆的抗折和抗压强度,这表明CMK在掺有GO水泥砂浆强度上具有明显的增益作用;在28d养护龄期下,在掺入0.06wt%GO中用6wt.%CMK代替水泥的复合水泥砂浆的抗折和抗压强度最佳,分别可以达到13.84 MPa和70.57MPa。
图4是样品在28d养护龄期氯离子渗透系数示意图,可以明显看到,在掺GO的水泥砂浆中加入CMK,可以提高混合水泥砂浆的抗氯离子渗透的能力,提高耐久性。这与煤系偏高岭土的片状结构有关。
图5-图7是样品在28d养护龄期的SEM示意图。图5、图6、图7分别为样品M、MG6、MGC6三个样品的SEM图,可以看到MGC6样品的ITZ明显比样品M和MG6更加致密,表明CMK加入GO水泥砂浆中,有助于提高GO与水泥水化产物之间的界面结合力。

Claims (4)

1.一种煤系偏高岭土-氧化石墨烯水泥砂浆复合材料,其特征在于,包括以下重量份配比的原料:水泥100~90份,标准砂200份,氧化石墨烯0.06份,煤系偏高岭土0~10份且不为0,减水剂0.11~0.32份;所述复合材料的原料中水胶比为0.4。
2.根据权利要求1所述的一种煤系偏高岭土-氧化石墨烯水泥砂浆复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
A、煤系偏高岭土-氧化石墨烯悬浮液的制备
A1、使用超声波分散仪对稀释的氧化石墨烯溶液和减水剂进行超声,确保氧化石墨烯分散良好;
A2、将煤系偏高岭土与超声分散后的氧化石墨烯溶液混合搅拌得到稳定分散的煤系偏高岭土-氧化石墨烯悬浮液;
B、煤系偏高岭土-氧化石墨烯水泥砂浆复合材料制备
B1、将标准砂加入搅拌漏斗中,将煤系偏高岭土-氧化石墨烯悬浮液加入搅拌锅中,加入水泥,将锅放在固定架上,上升至固定位置,低速搅拌30s,第二个30s开始时均匀加入沙子,再高速搅拌30s;
B2、停止搅拌机,让浆体静置90s,在此期间,迅速将聚集在锅侧和叶片上的任何材料刮到锅内;然后在此间隔的剩余时间内,用盖子盖住锅;
B3、高速搅拌60s完成;
B4、混合水泥砂浆后,将新鲜的水泥砂浆倒入钢模中,用标准振动台压实,然后用聚乙烯纳米片密封模具以防止水分逸出。
3.根据权利要求2所述的一种煤系偏高岭土-氧化石墨烯水泥砂浆复合材料的制备方法,其特征在于,步骤A1中超声振幅20%,且超声在冰浴条件下进行,超声时间为10min。
4.根据权利要求2所述的一种煤系偏高岭土-氧化石墨烯水泥砂浆复合材料的制备方法,其特征在于,步骤A2中使用磁力搅拌机搅拌,磁力搅拌机以500 r/min的速度搅拌5min。
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