CN116063025B - 一种建筑用复合矿物掺合料及其制备方法 - Google Patents

一种建筑用复合矿物掺合料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种建筑用复合矿物掺合料及其制备方法，本发明对碳纳米管进行改性，通过在碳纳米管的表面引入二硫代氨基，有利于碳纳米管在水泥体系中均匀分散，减少了碳纳米管的团聚，同时引入的二硫代氨基对Ca2+具有良好的吸附能力，能够吸附水泥水化过程中产生的Ca2+，使得碳纳米管周围的Ca(OH)2优先成核，避免Ca(OH)2局部生长成为大晶体，同时改性碳纳米管充当了C‑S‑H的成核基体，可降低成核位垒，加快水化反应速度，从而提高了水泥的早期强度；利用十七氟癸基三甲氧基硅烷与聚丙烯纤维进行反应，提高了聚丙烯纤维的分散性能，进而提高水泥的力学性能，同时十七氟癸基三甲氧基硅烷作为疏水剂，加入到水泥基材料中，能够提高水泥基材料的疏水抗渗性能。

Description

一种建筑用复合矿物掺合料及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种建筑用复合矿物掺合料及其制备方法。
背景技术
近年来，水泥成为我国基础设施建设及国家重点工程建设所大量运用的一类建筑材料，为国民经济增长和社会的进步发挥了重要作用；与此同时，近几年来随着经济水平及科学技术的发展，水泥行业也在迈向绿色高效环保来发展；矿物掺合料应用于水泥工程符合绿色高效的要求，同时也是粉煤灰、工业矿渣等利用的主要途径。
水泥由于其结构特性，会存在大量的毛细孔和细小裂缝，并非完全致密的结构，容易渗水，抗渗性能和力学性能不佳，水泥用复合矿物掺合料是以工业废渣和天然矿物等为主要原料，经过粉磨加工，按一定的配比，经充分混合均匀而获得的一种混凝土用新型掺合料，用以等量取代混凝土中的水泥，而且使用复合矿物掺合料可以大大提高水泥的质量和性能。
用于水泥中的矿物掺合料主要是粉煤灰、硅灰、矿粉这几类，掺合料所具有的形态效应、微集料效应及活性效应可改善混凝土的工作性能，有大量文献指出在混凝土中粉煤灰取代部分水泥不仅可以减少温度裂缝的数量，而且可降低大体积混凝土水化热，增强混凝土的工作性能，此外大量使用矿物掺合料可有效降低工业废料的浪费，合理利用矿物掺合料。
中国专利文献CN102757193A公开了一种混凝土用复合掺合料，由粉煤灰、硅灰、粒化高炉矿渣粉、元明粉、羟丙基甲基纤维素、UEA膨胀剂、聚羧酸减水剂、柠檬酸、硼酸、葡萄糖酸钠、磷酸钠、酒石酸钠、碳酸钙、碳酸锂、甲酸钙、乙酸钙、纤维素醚制备而成，该掺合料虽然能提高水泥强度，改善混凝土和易性，但成分复杂，力学性能和抗渗性能仍有待提高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种建筑用复合矿物掺合料及其制备方法，所制备得到的复合矿物掺合料可以大大提高水泥的力学性能和抗渗性能。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种建筑用复合矿物掺合料的制备方法，包括如下步骤：
（1）将羟基化碳纳米管分散在去离子水中，调节溶液的pH为9-12，然后向其中加入聚乙烯亚胺和环氧氯丙烷，加热搅拌反应，待反应完成后，将反应产物进行洗涤、干燥，得到氨基化碳纳米管；
（2）将氨基化碳纳米管分散在去离子水中，调节溶液的pH为10-12，然后向其中加入二硫化碳，搅拌反应，待反应完成后，将反应产物进行洗涤、干燥，得到二硫代氨基改性碳纳米管；
（3）将预处理聚丙烯纤维加入到无水乙醇和水的混合溶液中，然后向其中加入十七氟癸基三甲氧基硅烷，在40-60℃下搅拌反应2-3h，待反应完成后，将反应产物进行过滤、洗涤、干燥，得到改性聚丙烯纤维；
（4）将粉煤灰、矿渣粉、硅灰、二硫代氨基改性碳纳米管和改性聚丙烯纤维混合均匀，随后进行研磨粉碎，研磨至全部通过250目筛，即得到复合矿物掺合料。
优选的，步骤（1）中，所述羟基化碳纳米管的制备方法如下：将碳纳米管分散在氢氧化钠溶液中，在60-90℃下加热搅拌4-8h，然后经过滤、洗涤、干燥，即得到羟基化碳纳米管。
优选的，步骤（1）中，羟基化碳纳米管、聚乙烯亚胺和环氧氯丙烷的质量比为8-10:4-6:3-5。
优选的，步骤（1）中，加热搅拌反应温度为50-80℃，加热搅拌反应时间为2-3h。
优选的，步骤（2）中，氨基化碳纳米管和二硫化碳的质量比为6-10:2-4。
优选的，步骤（2）中，搅拌反应的温度为25-40℃，搅拌反应的时间为2-4h。
优选的，步骤（3）中，所述预处理聚丙烯纤维的制备方法如下：将聚丙烯纤维加入到双氧水溶液中浸渍，浸渍完成后，经过滤、洗涤、干燥，得到预处理聚丙烯纤维。
优选的，步骤（3）中，预处理聚丙烯纤维和十七氟癸基三甲氧基硅烷的质量比为8-12:3-5。
优选的，步骤（4）中，粉煤灰、矿渣粉、硅灰、二硫代氨基改性碳纳米管和改性聚丙烯纤维的质量比为40-60:25-40:10-15:3-5:2-4。
本发明还提供由上述制备方法所制备得到的建筑用复合矿物掺合料。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）本发明对碳纳米管进行改性，通过在碳纳米管的表面引入二硫代氨基，有利于碳纳米管在水泥体系中均匀分散，减少了碳纳米管的团聚，同时引入的二硫代氨基对Ca2+具有良好的吸附能力，能够吸附水泥水化过程中产生的Ca2+，使得碳纳米管周围的Ca(OH)2优先成核，避免Ca(OH)2局部生长成为大晶体，同时改性碳纳米管充当了C-S-H的成核基体，可降低成核位垒，加快水化反应速度，从而提高了水泥的早期强度。
（2）聚丙烯纤维具有质地柔软、单丝抗拉强度高的特点，本发明先对聚丙烯纤维进行表面活化处理，提高了聚丙烯纤维的反应活性，然后与十七氟癸基三甲氧基硅烷进行反应，提高了聚丙烯纤维的分散性能，将其加入到水泥混凝土中，能够提高水泥的力学性能，同时十七氟癸基三甲氧基硅烷作为疏水剂，加入到水泥基材料中，能够提高水泥基材料的疏水抗渗性能。
实施方式
以下通过具体较佳实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明并不仅限于以下的实施例。
需要说明的是，无特殊说明外，本发明中涉及到的化学试剂均通过商业渠道购买。
本发明中所使用的碳纳米管为多壁碳纳米管，直径为60-100nm，长度为1-2μm；
聚乙烯亚胺购自武汉博莱特化工有限公司，CAS号：25987-06-8；
聚丙烯纤维购自山东恒泰新材料科技有限公司；
粉煤灰购自灵寿县海滨矿产品贸易有限公司，目数：325目；
矿渣粉为s95级，购自灵寿县海滨矿产品贸易有限公司；
硅灰购自河南玖泰冶金材料有限公司，粒径为0.1-0.3μm。
实施例
一种建筑用复合矿物掺合料的制备方法，包括如下步骤：
（1）将10g碳纳米管分散在250mL，1mol/L氢氧化钠溶液中，在60℃下加热搅拌8h，然后经过滤、洗涤、干燥，得到羟基化碳纳米管；
（2）将8g羟基化碳纳米管分散在250mL去离子水中，调节溶液的pH为9，然后向其中加入4g聚乙烯亚胺和3g环氧氯丙烷，在50℃下加热搅拌反应3h，待反应完成后，将反应产物进行洗涤、干燥，得到氨基化碳纳米管；
（3）将6g氨基化碳纳米管分散在150mL去离子水中，调节溶液的pH为10，然后向其中加入2g二硫化碳，在25℃下搅拌反应4h，待反应完成后，将反应产物进行洗涤、干燥，得到二硫代氨基改性碳纳米管；
（4）将10g聚丙烯纤维加入到250mL，10wt%双氧水溶液中浸渍3h，浸渍完成后，经过滤、洗涤、干燥，得到预处理聚丙烯纤维；
（5）将8g预处理聚丙烯纤维加入到150mL无水乙醇和50mL水的混合溶液中，然后向其中加入3g十七氟癸基三甲氧基硅烷，在40℃下搅拌反应3h，待反应完成后，将反应产物进行过滤、洗涤、干燥，得到改性聚丙烯纤维；
（6）将40g粉煤灰、25g矿渣粉、10g硅灰、3g二硫代氨基改性碳纳米管和2g改性聚丙烯纤维混合均匀，随后进行研磨粉碎，研磨至全部通过250目筛，即得到复合矿物掺合料。
实施例
一种建筑用复合矿物掺合料的制备方法，包括如下步骤：
（1）将10g碳纳米管分散在250mL，1mol/L氢氧化钠溶液中，在90℃下加热搅拌4h，然后经过滤、洗涤、干燥，得到羟基化碳纳米管；
（2）将10g羟基化碳纳米管分散在250mL去离子水中，调节溶液的pH为12，然后向其中加入6g聚乙烯亚胺和5g环氧氯丙烷，在80℃下加热搅拌反应2h，待反应完成后，将反应产物进行洗涤、干燥，得到氨基化碳纳米管；
（3）将10g氨基化碳纳米管分散在150mL去离子水中，调节溶液的pH为12，然后向其中加入4g二硫化碳，在40℃下搅拌反应2h，待反应完成后，将反应产物进行洗涤、干燥，得到二硫代氨基改性碳纳米管；
（4）将10g聚丙烯纤维加入到250mL，10wt%双氧水溶液中浸渍3h，浸渍完成后，经过滤、洗涤、干燥，得到预处理聚丙烯纤维；
（5）将12g预处理聚丙烯纤维加入到150mL无水乙醇和50mL水的混合溶液中，然后向其中加入5g十七氟癸基三甲氧基硅烷，在60℃下搅拌反应2h，待反应完成后，将反应产物进行过滤、洗涤、干燥，得到改性聚丙烯纤维；
（6）将60g粉煤灰、30g矿渣粉、15g硅灰、5g二硫代氨基改性碳纳米管和3g改性聚丙烯纤维混合均匀，随后进行研磨粉碎，研磨至全部通过250目筛，即得到复合矿物掺合料。
实施例
一种建筑用复合矿物掺合料的制备方法，包括如下步骤：
（1）将10g碳纳米管分散在250mL，1mol/L氢氧化钠溶液中，在80℃下加热搅拌5h，然后经过滤、洗涤、干燥，得到羟基化碳纳米管；
（2）将9g羟基化碳纳米管分散在250mL去离子水中，调节溶液的pH为10，然后向其中加入5g聚乙烯亚胺和4g环氧氯丙烷，在60℃下加热搅拌反应2h，待反应完成后，将反应产物进行洗涤、干燥，得到氨基化碳纳米管；
（3）将8g氨基化碳纳米管分散在150mL去离子水中，调节溶液的pH为11，然后向其中加入3g二硫化碳，在30℃下搅拌反应3h，待反应完成后，将反应产物进行洗涤、干燥，得到二硫代氨基改性碳纳米管；
（4）将10g聚丙烯纤维加入到250mL，10wt%双氧水溶液中浸渍3h，浸渍完成后，经过滤、洗涤、干燥，得到预处理聚丙烯纤维；
（5）将10g预处理聚丙烯纤维加入到150mL无水乙醇和50mL水的混合溶液中，然后向其中加入4g十七氟癸基三甲氧基硅烷，在50℃下搅拌反应2h，待反应完成后，将反应产物进行过滤、洗涤、干燥，得到改性聚丙烯纤维；
（6）将50g粉煤灰、40g矿渣粉、12g硅灰、4g二硫代氨基改性碳纳米管和4g改性聚丙烯纤维混合均匀，随后进行研磨粉碎，研磨至全部通过250目筛，即得到复合矿物掺合料。
实施例
一种建筑用复合矿物掺合料的制备方法，包括如下步骤：
（1）将10g碳纳米管分散在250mL，1mol/L氢氧化钠溶液中，在70℃下加热搅拌6h，然后经过滤、洗涤、干燥，得到羟基化碳纳米管；
（2）将8g羟基化碳纳米管分散在250mL去离子水中，调节溶液的pH为10，然后向其中加入6g聚乙烯亚胺和4g环氧氯丙烷，在60℃下加热搅拌反应2h，待反应完成后，将反应产物进行洗涤、干燥，得到氨基化碳纳米管；
（3）将9g氨基化碳纳米管分散在150mL去离子水中，调节溶液的pH为10，然后向其中加入3g二硫化碳，在30℃下搅拌反应3h，待反应完成后，将反应产物进行洗涤、干燥，得到二硫代氨基改性碳纳米管；
（4）将10g聚丙烯纤维加入到250mL，10wt%双氧水溶液中浸渍3h，浸渍完成后，经过滤、洗涤、干燥，得到预处理聚丙烯纤维；
（5）将9g预处理聚丙烯纤维加入到150mL无水乙醇和50mL水的混合溶液中，然后向其中加入3g十七氟癸基三甲氧基硅烷，在50℃下搅拌反应3h，待反应完成后，将反应产物进行过滤、洗涤、干燥，得到改性聚丙烯纤维；
（6）将50g粉煤灰、35g矿渣粉、14g硅灰、3g二硫代氨基改性碳纳米管和4g改性聚丙烯纤维混合均匀，随后进行研磨粉碎，研磨至全部通过250目筛，即得到复合矿物掺合料。
一种建筑用复合矿物掺合料的制备方法，包括如下步骤：
（1）将10g聚丙烯纤维加入到250mL，10wt%双氧水溶液中浸渍3h，浸渍完成后，经过滤、洗涤、干燥，得到预处理聚丙烯纤维；
（2）将10g预处理聚丙烯纤维加入到150mL无水乙醇和50mL水的混合溶液中，然后向其中加入4g十七氟癸基三甲氧基硅烷，在50℃下搅拌反应2h，待反应完成后，将反应产物进行过滤、洗涤、干燥，得到改性聚丙烯纤维；
（3）将50g粉煤灰、40g矿渣粉、12g硅灰、4g碳纳米管和4g改性聚丙烯纤维混合均匀，随后进行研磨粉碎，研磨至全部通过250目筛，即得到复合矿物掺合料。
一种建筑用复合矿物掺合料的制备方法，包括如下步骤：
（1）将10g碳纳米管分散在250mL，1mol/L氢氧化钠溶液中，在80℃下加热搅拌5h，然后经过滤、洗涤、干燥，得到羟基化碳纳米管；
（2）将9g羟基化碳纳米管分散在250mL去离子水中，调节溶液的pH为10，然后向其中加入5g聚乙烯亚胺和4g环氧氯丙烷，在60℃下加热搅拌反应2h，待反应完成后，将反应产物进行洗涤、干燥，得到氨基化碳纳米管；
（3）将8g氨基化碳纳米管分散在150mL去离子水中，调节溶液的pH为11，然后向其中加入3g二硫化碳，在30℃下搅拌反应3h，待反应完成后，将反应产物进行洗涤、干燥，得到二硫代氨基改性碳纳米管；
（4）将50g粉煤灰、40g矿渣粉、12g硅灰、4g二硫代氨基改性碳纳米管和4g聚丙烯纤维混合均匀，随后进行研磨粉碎，研磨至全部通过250目筛，即得到复合矿物掺合料。
将实施例1-4和对比例1-2所制备的矿物掺合料替代30%质量的水泥后，水泥为普通硅酸盐PO42.5水泥，按照GB/T 17671《水泥胶砂强度检验方法》测试抗压强度，按照GB/T50082-2009《混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行抗渗性能测试，试验结果如下表所示：
Figure SMS_1
最后需要说明的是：以上实施例不以任何形式限制本发明。对本领域技术人员来说，在本发明基础上，可以对其作一些修改和改进。因此，凡在不偏离本发明精神的基础上所做的任何修改或改进，均属于本发明要求保护的范围之内。

Claims (4)

1.一种建筑用复合矿物掺合料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将羟基化碳纳米管分散在去离子水中，调节溶液的pH为9-12，然后向其中加入聚乙烯亚胺和环氧氯丙烷，加热搅拌反应，待反应完成后，将反应产物进行洗涤、干燥，得到氨基化碳纳米管；
（2）将氨基化碳纳米管分散在去离子水中，调节溶液的pH为10-12，然后向其中加入二硫化碳，搅拌反应，待反应完成后，将反应产物进行洗涤、干燥，得到二硫代氨基改性碳纳米管；
（3）将预处理聚丙烯纤维加入到无水乙醇和水的混合溶液中，然后向其中加入十七氟癸基三甲氧基硅烷，在40-60℃下搅拌反应2-3h，待反应完成后，将反应产物进行过滤、洗涤、干燥，得到改性聚丙烯纤维；
（4）将粉煤灰、矿渣粉、硅灰、二硫代氨基改性碳纳米管和改性聚丙烯纤维混合均匀，随后进行研磨粉碎，研磨至全部通过250目筛，即得到复合矿物掺合料；
其中，步骤（1）中，所述羟基化碳纳米管的制备方法如下：将碳纳米管分散在氢氧化钠溶液中，在60-90℃下加热搅拌4-8h，然后经过滤、洗涤、干燥，即得到羟基化碳纳米管；
羟基化碳纳米管、聚乙烯亚胺和环氧氯丙烷的质量比为8-10:4-6:3-5；
步骤（2）中，氨基化碳纳米管和二硫化碳的质量比为6-10:2-4；
步骤（3）中，所述预处理聚丙烯纤维的制备方法如下：将聚丙烯纤维加入到双氧水溶液中浸渍，浸渍完成后，经过滤、洗涤、干燥，得到预处理聚丙烯纤维；
预处理聚丙烯纤维和十七氟癸基三甲氧基硅烷的质量比为8-12:3-5；
步骤（4）中，粉煤灰、矿渣粉、硅灰、二硫代氨基改性碳纳米管和改性聚丙烯纤维的质量比为40-60:25-40:10-15:3-5:2-4。
2.根据权利要求1所述的建筑用复合矿物掺合料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，加热搅拌反应温度为50-80℃，加热搅拌反应时间为2-3h。
3.根据权利要求1所述的建筑用复合矿物掺合料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，搅拌反应的温度为25-40℃，搅拌反应的时间为2-4h。
4.如权利要求1-3任一项所述制备方法所制备得到的建筑用复合矿物掺合料。
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