CN115636641A - 一种高抗渗氧化石墨烯混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及混凝土工程材料的技术领域，具体涉及一种高抗渗氧化石墨烯混凝土及其制备方法，按照单方用量计，原料的用量为：水泥200～280kg/m3、超细掺合料150～230kg/m3、尾矿砂780～860kg/m3、级配碎石1010～1090kg/m3、高效减水剂4.5～9kg/m3、保坍剂0.2～0.6kg/m3、抗渗组分8～12kg/m3、氧化石墨烯溶液0.2～0.4kg/m3，水灰比控制范围0.35～0.40。本发明采用分散良好的氧化石墨烯溶液作为原料加入混凝土中，可为水泥水化产物提供结晶所必需的晶核，使水化产物晶体细化，促进水化反应长期稳定进行，从而提高水化度，减少混凝土内部孔隙率，优化孔结构，使体系更加致密均匀，从而大幅提高混凝土的强度，并改善抗渗性能。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土工程材料的技术领域，具体涉及一种高抗渗氧化石墨烯混凝土及其制备方法。
背景技术
水利工程是我国国民经济和社会发展的重要基础工程，如港口、水库、大坝、堤防和涵闸等，承担着输运、蓄水、发电、排洪、排涝等重要任务。水利工程受汛期、季节气候及环境条件的影响显著，这就要求水利工程混凝土材料具有高力学性能、高抗渗性和长寿命的特殊性能。而普通混凝土存在脆性大、微裂缝和渗透等缺陷，导致其在使用过程中性能下降，使用寿命缩短，不能满足大型的重要水利工程的需求。
在混凝土中掺入外加剂，可以降低水灰比，调控水泥水化历程，改善内部孔结构，优化水泥基材料的化学组成，从而提高混凝土的力学性能和耐久性。石墨烯是一种新型的二维纳米材料，不仅具有非常高的抗拉强度和弹性模量，而且其纳米效应的作用，可以作为水化产物结晶的晶核片，促进水泥的水化。氧化石墨烯的强界面作用可以改善混凝土结构内部的界面过渡区，提高混凝土的力学性能，其填充于混凝土的微观孔结构中，可以阻止氯离子的迁移和渗透。
然而，由于氧化石墨烯比表面积大，易絮凝，且制造成本非常高，难以在混凝土领域大规模推广应用。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种高抗渗氧化石墨烯混凝土，可以在超低氧化石墨烯掺量的情况下，大幅提高水利工程混凝土的强度和抗渗性，延长水利工程混凝土的使用寿命。
本发明的目的之二在于提供一种高抗渗氧化石墨烯混凝土的制备方法，制备工艺简便，易于调节。
本发明实现目的之一所采用的方案是：一种高抗渗氧化石墨烯混凝土，按照单方用量计，原料的用量为：水泥200～280kg/m3、超细掺合料150～230kg/m3、尾矿砂780～860kg/m3、级配碎石1010～1090kg/m3、高效减水剂4.5～9kg/m3、保坍剂0.2～0.6kg/m3、抗渗组分8～12kg/m3、氧化石墨烯溶液0.2～0.4kg/m3，水灰比控制范围0.35～0.40。
优选地，所述抗渗组分以重量百分比计包括：憎水剂8％～16％、微膨胀剂24％～32％、渗透结晶材料54％～62％。
优选地，所述憎水剂为硬脂酸钙、硬脂酸锌、四甲基硅烷和醋酸乙烯/叔碳酸乙烯共聚物中的两种或两种以上任意比例的混合物；所述微膨胀剂为高岭土与石膏按照2～3：1的比例在600～700℃煅烧25～30min得到的硫铝酸钙类膨胀剂和菱镁矿在850～900℃煅烧25～30min得到的镁基膨胀剂按1：1的比例配制的混合膨胀剂；所述渗透结晶材料为乙二胺四乙酸二钠、一缩二丙二醇和羟丙基甲基纤维素按1：2：4比例配制的混合物。
本发明的抗渗组分通过憎水剂、微膨胀剂和渗透结晶材料的协同作用，进一步提高混凝土的抗渗性。憎水剂的憎水基团有效阻止混凝土结构表面的水分及有害离子向混凝土内部迁移，微膨胀剂可以补偿混凝土凝结硬化过程中产生的体积收缩，渗透结晶材料可以渗透于混凝土内部的孔隙和微裂缝中，与水化产物氢氧化钙发生二次水化反应，反生产物填充于孔隙和微裂缝中，增加混凝土的密实度，封锁水分和有害离子的迁移通道，从而大幅提高混凝土的抗渗透性能和耐久性，满足工程混凝土材料的特殊要求。
优选地，所述水泥为矿渣硅酸水泥和粉煤灰硅酸盐水泥中的任意一种。
优选地，所述超细掺合料为比表面积为600～800m2/kg的偏高岭土、沸石粉和微硅粉中的两种按任意比例混合而成；所述尾矿砂为细度模数为2.5～2.9的铁尾矿砂或铜尾矿砂，含粉量不大于5％。
优选地，所述级配碎石为5～31.5mm连续级配玄武岩碎石。
优选地，所述高效减水剂为聚羧酸高效减水剂和三聚氰胺系高效减水剂中的任意一种。
优选地，所述保坍剂为三聚磷酸钠、葡萄糖酸钠和柠檬酸钠中的任意一种。
优选地，所述氧化石墨烯溶液为将氧化石墨烯分散在水中得到的浓度为0.5％～1.0％的悬浊液，所述氧化石墨烯为用浓硫酸和高锰酸钾与石墨粉末经氧化反应之后，得到的在边缘有衍生羧酸基及在平面上主要为酚羟基和环氧基团的石墨薄片。
本发明实现目的之二所采用的方案是：一种所述的高抗渗氧化石墨烯混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照配比依次将级配碎石、尾矿砂、水泥、超细掺合料、保坍剂、抗渗组分搅拌至混合均匀；
(2)将高效减水剂、氧化石墨烯溶液加入水中，形成分散均匀的溶液后加入到步骤(1)得到的混合物中，继续搅拌混合均匀后，即可进行混凝土的浇筑施工。
本发明具有以下优点和有益效果：
本发明的高抗渗氧化石墨烯混凝土可以在超低氧化石墨烯掺量的情况下，大幅提高水利工程混凝土的强度和抗渗性，延长水利工程混凝土的使用寿命。
本发明通过氧化石墨烯的增强作用，大幅提高工程混凝土的强度，同时辅以抗渗组分的作用，降低混凝土内部孔隙率，提高混凝土的抗渗性，保证工程混凝土结构的功能型和安全性，用尾矿砂代替天然砂作为细骨料，消纳固体废弃物，成本低，环境友好，适合推广应用。
本发明采用分散良好的氧化石墨烯溶液作为原料加入混凝土中，可为水泥水化产物提供结晶所必需的晶核，使水化产物晶体细化，促进水化反应长期稳定进行，从而提高水化度，明显减少混凝土内部孔隙率，优化孔结构，使体系更加致密均匀，从而大幅提高混凝土的强度，并改善抗渗性能。
本发明的制备方法，制备工艺简便，易于调节。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
以下实施例中如无具体说明，采用的试剂为市售工业产品或化学试剂。
以下实施例中，使用的原料为：水泥为河南孟电集团水泥有限公司的42.5级矿渣硅酸盐水泥；超细掺合料为比表面积不低于600m2/kg的偏高岭土、沸石粉和微硅粉中的两种按任意比例混合而成；尾矿砂为细度模数为2.6的铁尾矿砂，含粉量4.5％，表观密度2725kg/m3；级配碎石为5～31.5mm连续级配玄武岩碎石，针片状含量5.1％，压碎值7.2％，表观密度2750kg/m3；高效减水剂为西卡聚羧酸系高效减水剂，固含量21％，减水率28％；保坍剂为三聚磷酸钠、葡萄糖酸钠和柠檬酸钠中的一种；抗渗组分包括憎水剂、微膨胀剂和渗透结晶材料，其中，所述的憎水剂为硬脂酸钙、硬脂酸锌、四甲基硅烷和醋酸乙烯/叔碳酸乙烯共聚物中的两种或两种以上任意比例的混合物；所述微膨胀剂为高岭土与石膏按照2：1的比例在600℃煅烧25min得到的硫铝酸钙类膨胀剂和菱镁矿在850℃煅烧30min得到的镁基膨胀剂按1：1的比例配制的混合膨胀剂；所述渗透结晶材料为乙二胺四乙酸二钠、一缩二丙二醇和羟丙基甲基纤维素按1：2：4比例配制的混合物；氧化石墨烯溶液为用浓硫酸中的高锰酸钾与石墨粉末经氧化反应之后，得到棕色的在边缘有衍生羧酸基及在平面上主要为酚羟基和环氧基团的石墨薄片，在水中超声分散60min得到的浓度为0.5％的悬浊液。
高抗渗氧化石墨烯混凝土的制备方法，包括如下步骤：按照配合比依次将级配碎石、尾矿砂、水泥、超细掺合料、保坍剂、抗渗组分加入搅拌机中，干拌2～3min，混合均匀；将高效减水剂、氧化石墨烯溶液加入水中，形成分散均匀的溶液后加入搅拌机中，继续搅拌3～4min，即可进行混凝土的浇筑施工。
实施例1
一种高抗渗氧化石墨烯混凝土配合比见表1。
表1实施例1高抗渗氧化石墨烯混凝土配合比(kg/m3)
其中，超细掺合料包括：偏高岭土100kg，微硅粉120kg；保坍剂为三聚磷酸钠；抗渗组分为：憎水剂1.28kg，微膨胀剂1.92kg，渗透结晶材料4.8kg。其中，憎水剂为：硬脂酸钙0.6kg，四甲基硅烷0.68kg。
实施例2
一种高抗渗氧化石墨烯混凝土配合比见表2。
表2实施例2高抗渗氧化石墨烯混凝土配合比(kg/m3)
其中，超细掺合料包括：偏高岭土150kg，沸石粉50kg；保坍剂为葡萄糖酸钠；抗渗组分为：憎水剂1.26kg，微膨胀剂2.52kg，渗透结晶材料5.22kg。其中，憎水剂为：硬脂酸锌0.36kg，醋酸乙烯/叔碳酸乙烯共聚物0.9kg。
实施例3
一种高抗渗氧化石墨烯混凝土配合比见表3。
表3实施例3高抗渗氧化石墨烯混凝土配合比(kg/m3)
其中，超细掺合料包括：沸石粉60kg，微硅粉120kg；保坍剂为柠檬酸钠；抗渗组分为：憎水剂1.2kg，微膨胀剂3.2kg，渗透结晶材料5.6kg。其中，憎水剂为：四甲基硅烷0.48kg，醋酸乙烯/叔碳酸乙烯共聚物0.72kg。
实施例4
一种高抗渗氧化石墨烯混凝土配合比见表4。
表4实施例4高抗渗氧化石墨烯混凝土配合比(kg/m3)
其中，超细掺合料包括：偏高岭土40kg，微硅粉120kg；保坍剂为三聚磷酸钠；抗渗组分为：憎水剂1.54kg，微膨胀剂3.52kg，渗透结晶材料5.94kg。其中，憎水剂为：硬脂酸钙0.24kg，四甲基硅烷0.62kg，醋酸乙烯/叔碳酸乙烯共聚物0.68kg。
实施例5
一种高抗渗氧化石墨烯混凝土配合比见表5。
表5实施例5高抗渗氧化石墨烯混凝土配合比(kg/m3)
其中，超细掺合料包括：偏高岭土110kg，微硅粉40kg；保坍剂为柠檬酸钠；抗渗组分为：憎水剂1.2kg，微膨胀剂3.6kg，渗透结晶材料7.2kg。其中，憎水剂为：硬脂酸锌0.15kg，四甲基硅烷0.85kg，醋酸乙烯/叔碳酸乙烯共聚物0.2kg。
对比例
普通水利工程混凝土配合比见表6。
表6对比例混凝土配合比(kg/m3)
对实施例1-4和对比例提供的混凝土进行测试，结果见表7。
表7实施例1-5和对比例提供的混凝土性能测试结果
具体的性能测试参见标准SL352-2006《水工混凝土试验规程》、GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》和GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》。
上述结果表明：本实施例所得高抗渗氧化石墨烯混凝土的力学性能和耐久性均显著优于普通混凝土，并且养护至28d龄期时未有裂缝出现。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高抗渗氧化石墨烯混凝土，其特征在于：按照单方用量计，原料的用量为：水泥200～280kg/m3、超细掺合料150～230kg/m3、尾矿砂780～860kg/m3、级配碎石1010～1090kg/m3、高效减水剂4.5～9kg/m3、保坍剂0.2～0.6kg/m3、抗渗组分8～12kg/m3、氧化石墨烯溶液0.2～0.4kg/m3，水灰比控制范围0.35～0.40。
2.根据权利要求1所述的高抗渗氧化石墨烯混凝土，其特征在于：所述抗渗组分以重量百分比计包括：憎水剂8％～16％、微膨胀剂24％～32％、渗透结晶材料54％～62％。
3.根据权利要求2所述的高抗渗氧化石墨烯混凝土，其特征在于：所述憎水剂为硬脂酸钙、硬脂酸锌、四甲基硅烷和醋酸乙烯/叔碳酸乙烯共聚物中的两种或两种以上任意比例的混合物；所述微膨胀剂为高岭土与石膏按照2～3：1的比例在600～700℃煅烧25～30min得到的硫铝酸钙类膨胀剂和菱镁矿在850～900℃煅烧25～30min得到的镁基膨胀剂按1：1的比例配制的混合膨胀剂；所述渗透结晶材料为乙二胺四乙酸二钠、一缩二丙二醇和羟丙基甲基纤维素按1：2：4比例配制的混合物。
4.根据权利要求1所述的高抗渗氧化石墨烯混凝土，其特征在于：所述水泥为矿渣硅酸水泥和粉煤灰硅酸盐水泥中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的高抗渗氧化石墨烯混凝土，其特征在于：所述超细掺合料为比表面积为600～800m2/kg的偏高岭土、沸石粉和微硅粉中的两种按任意比例混合而成；所述尾矿砂为细度模数为2.5～2.9的铁尾矿砂或铜尾矿砂，含粉量不大于5％。
6.根据权利要求1所述的高抗渗氧化石墨烯混凝土，其特征在于：所述级配碎石为5～31.5mm连续级配玄武岩碎石。
7.根据权利要求1所述的高抗渗氧化石墨烯混凝土，其特征在于：所述高效减水剂为聚羧酸高效减水剂和三聚氰胺系高效减水剂中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的高抗渗氧化石墨烯混凝土，其特征在于：所述保坍剂为三聚磷酸钠、葡萄糖酸钠和柠檬酸钠中的任意一种。
9.根据权利要求1所述的高抗渗氧化石墨烯混凝土，其特征在于：所述氧化石墨烯溶液为将氧化石墨烯分散在水中得到的浓度为0.5％～1.0％的悬浊液，所述氧化石墨烯为用浓硫酸和高锰酸钾与石墨粉末经氧化反应之后，得到的在边缘有衍生羧酸基及在平面上主要为酚羟基和环氧基团的石墨薄片。
10.一种如权利要求1-9中任一项所述的高抗渗氧化石墨烯混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按照配比依次将级配碎石、尾矿砂、水泥、超细掺合料、保坍剂、抗渗组分搅拌至混合均匀；
(2)将高效减水剂、氧化石墨烯溶液加入水中，形成分散均匀的溶液后加入到步骤(1)得到的混合物中，继续搅拌混合均匀后，即可进行混凝土的浇筑施工。
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| CN108117335A (zh) * | 2017-12-19 | 2018-06-05 | 佛山科学技术学院 | 一种掺粉煤灰的氧化石墨烯混凝土及其制备方法 |
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