CN116425463A - 一种早强耐寒的混凝土材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及混凝土技术领域，具体为一种早强耐寒的混凝土材料及其制备方法。本发明利用硅烷偶联剂对聚多巴胺包裹氮化硼纳米片、二氧化硅和氧化铁的复合材料进行电荷改性，并通过静电作用自组装得到混凝土改性填料。改性填料分散性良好，能够起到混凝土补强、防裂的效果。复合材料表层的纳米二氧化硅能与水泥水化生成的氢氧化钙进行二次水化反应，导致周围钙离子浓度下降，进一步提高氮化硼的分散性；表层二氧化硅随着二次水化反应减少后，内部的纳米氧化铁可以将水化产物吸附在周围形成新的柱状网络，从而提高混凝土的密实度，进一步改善混凝土的强度和韧性。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，具体为一种早强耐寒的混凝土材料及其制备方法。
背景技术
混凝土是一种土木工程材料，它由胶凝材料、颗粒状集料、水以及其他的外加剂和掺和料按照一定的比例混合，经过搅拌成型、养护硬化而得到。混凝土的原料来源广泛，售价低廉，生产工艺相对简单，因此其市场需求量较大，不仅在土木建筑行业中具有重要的应用价值，也是造船、机械、海洋开发等领域中的关键材料。
水泥混凝土是路面施工常用材料，尽管与沥青混凝土相比具有价格优势，但水泥混凝土存在早期强度低的问题，铺筑后所需要的保湿养护2～3周才能达到道路交通通行要求，对居民的出行和社会生产造成很大的困扰。此外，在实际应用中，气温对混凝土中的水分具有影响作用，当气温在0～4℃时，水的活性较差，水泥的水化反应缓慢；当气温在0℃以下时，水会凝结成冰，由于没有足够的液态水参与水化反应，混凝土难以达到要求强度；水结成冰后体积膨胀，对混凝土内部结构遭到永久性破化，造成不必要的浪费。
发明内容
本发明的目的在于提供一种早强耐寒的混凝土材料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
步骤1：使用盐酸多巴胺对六方氮化硼纳米片进行包裹；
步骤2：制备复合材料；
步骤3：取聚多巴胺包裹氮化硼纳米片加入至γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中得到改性氮化硼；复合材料加入3-氨丙基三乙氧基硅烷中得到改性复合材料；将改性氮化硼、改性复合材料进行自组装得到混凝土改性填料；
步骤4：将水泥、卵石、人工砂、早强剂、聚羧酸减水剂、水、混凝土改性填料、抗冻剂混合搅拌得到所述早强耐寒的混凝土材料。
进一步的，步骤1中，聚多巴胺包裹氮化硼纳米片的具体制备方法为：按重量计，取0.6～1份三羟甲基氨基甲烷加入500～600份纯水中，使用稀盐酸调节pH至7.5～8.5；加入1～1.5份盐酸多巴胺，充分搅拌溶解后，加入2～4份六方氮化硼纳米片，超声处理后在50～60℃下静置24～30h；真空抽滤并使用纯水冲洗固体，重复3次，真空干燥。
进一步的，步骤2中，复合材料的具体制备方法为：按重量计，取3～5份纳米氧化铁分散于100～150份无水乙醇中，超声处理1～2h，加入氨水调节pH值至8～8.5得到组分I；取200～210份正硅酸乙酯加入至300～400份无水乙醇中，加入210～270份纯水，搅拌得到组分II；将上述组分I与组分II混合，在70～85℃下反应6～8h，离心、洗涤、干燥。
进一步的，步骤3中，改性氮化硼的具体制备方法为：按重量计，取0.2～0.5份聚多巴胺包裹氮化硼纳米片加入至3～5份γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中，在60～70℃、氮气环境下反应8～10h。
进一步的，步骤3中，改性复合材料的具体制备方法为：按重量计，取2～3份复合材料加入5～10份3-氨丙基三乙氧基硅烷中，超声处理0.5～1h后在80～95℃、氮气环境下回流24h，抽滤、回流、干燥。
进一步的，步骤3中混凝土改性填料的制备方法具体为：将改性氮化硼、改性复合材料分别分散在乙醇中，向改性氮化硼分散液中加入改性复合材料分散液，在80～90℃下自组装10～12h，干燥得到混凝土改性填料。
进一步的，步骤3中，所述混凝土改性填料中，按重量计，40～50％改性复合材料、50～60％改性氮化硼。
进一步的，步骤4中，所述早强耐寒的混凝土材料中，各组分含量，按重量计，320～360份水泥、800～870份卵石、580～640份人工砂、14～26份早强剂、7～19份聚羧酸减水剂、150～180份水、20～36份混凝土改性填料、15～20份抗冻剂。
进一步的，所述卵石的粒径为5～6mm；所述人工砂的细度模数为2.4～2.8。
进一步的，所述早强剂为氯化钙、石膏、水玻璃、铝酸钠、碳酸钠中的一种或多种。
进一步的，所述抗冻剂为乙二醇丁醚醋酸酯、四氯化碳、甲酰胺中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明通过向混凝土中加入混凝土改性填料制备得到了一种早强耐寒的混凝土材料。本发明选用六方氮化硼纳米片，先利用盐酸多巴胺在碱性条件下自聚合的特点，在六方氮化硼纳米片上形成聚多巴胺层，提高分散性；再使用二氧化硅包裹在纳米氧化铁上得到复合材料，最后采用硅烷偶联剂改性得到带有不同电荷的改性六方氮化硼和改性复合材料，通过静电作用将复合材料负载到六方氮化硼纳米片表面得到混凝土改性填料。
在本发明中，改性填料主要通过物理和化学方式对混凝土进行改性。其中，选用导热性能优异的六方氮化硼纳米片不仅可以直接提高混凝土的力学性能，还能降低混凝土内部温度梯度，减轻温度应力，避免产生温度裂痕。而复合材料表层的纳米二氧化硅能与水泥水化生成的氢氧化钙进行二次水化反应，导致周围钙离子浓度下降，有利于提高氮化硼的分散性；当表层二氧化硅随着二次水化反应减少后，内部的纳米氧化铁可以将水化产物吸附在周围形成新的柱状网络，从而提高混凝土的密实度，进一步改善混凝土的强度和韧性。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
本发明中所用材料及其来源：三羟甲基氨基甲烷(CAS号：77-86-1)、盐酸多巴胺(CAS号：62-31-7)、正硅酸乙酯(CAS号：78-10-4)、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(CAS号：2530-83-8)、3-氨丙基三乙氧基硅烷(CAS号：919-30-2)、氯化钙(CAS号：10043-52-4)、四氯化碳(CAS号：56-23-5)均来自阿拉丁；六方氮化硼纳米片来自方舟新材料，类别N，规格特级，纯度≥99％，粒度50～500nm；纳米氧化铁来自金雷纳米材料，货号JL-Fe2O3-AN20；聚羧酸减水剂来自弘马新材料，货号T0-J800-4。
实施例1
步骤1：取0.6g三羟甲基氨基甲烷加入500g纯水中，使用稀盐酸调节pH至7.5；加入1g盐酸多巴胺，充分搅拌溶解后，加入2g六方氮化硼纳米片，超声处理后在50℃下静置24h；真空抽滤并使用纯水冲洗固体，重复3次，真空干燥后，将获得聚多巴胺包裹氮化硼纳米片；
步骤2：取3g纳米氧化铁分散于100g无水乙醇中，超声处理1h，加入氨水调节pH值至8得到组分I；取200g正硅酸乙酯加入至300g无水乙醇中，加入210g纯水，搅拌得到组分II；将上述组分I与组分II混合，在70℃下反应6h，离心、洗涤、干燥后得到复合材料；
步骤3：取0.2g聚多巴胺包裹氮化硼纳米片加入至3gγ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中，在60℃、氮气环境下反应8h得到改性氮化硼；取2g复合材料加入5g 3-氨丙基三乙氧基硅烷中，超声处理0.5h后在80℃、氮气环境下回流24h，抽滤、回流、干燥得到改性复合材料；将改性氮化硼和改性复合材料分别分散在乙醇中，向改性氮化硼分散液中加入改性复合材料分散液，在80℃下自组装10h，干燥得到混凝土改性填料；所述混凝土改性填料中，按重量计，40％改性复合材料、60％改性氮化硼；
步骤4：将320g水泥、800g卵石、580g人工砂、14g氯化钙、7g聚羧酸减水剂、150g水、20g混凝土改性填料、15g四氯化碳混合搅拌得到所述早强耐寒的混凝土材料。
实施例2
步骤1：取0.61g三羟甲基氨基甲烷加入500g纯水中，使用稀盐酸调节pH至7.5；加入1.1g盐酸多巴胺，充分搅拌溶解后，加入2.3g六方氮化硼纳米片，超声处理后在50℃下静置25h；真空抽滤并使用纯水冲洗固体，重复3次，真空干燥后，将获得聚多巴胺包裹氮化硼纳米片；
步骤2：取3.5g纳米氧化铁分散于105g无水乙醇中，超声处理1h，加入氨水调节pH值至8得到组分I；取200g正硅酸乙酯加入至320g无水乙醇中，加入215g纯水，搅拌得到组分II；将上述组分I与组分II混合，在75℃下反应6.5h，离心、洗涤、干燥后得到复合材料；
步骤3：取0.25g聚多巴胺包裹氮化硼纳米片加入至3.2gγ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中，在60℃、氮气环境下反应8h得到改性氮化硼；取2.2g复合材料加入5.5g 3-氨丙基三乙氧基硅烷中，超声处理0.5h后在80℃、氮气环境下回流24h，抽滤、回流、干燥得到改性复合材料；将改性氮化硼和改性复合材料分别分散在乙醇中，向改性氮化硼分散液中加入改性复合材料分散液，在80℃下自组装10h，干燥得到混凝土改性填料；所述混凝土改性填料中，按重量计，42％改性复合材料、58％改性氮化硼；
步骤4：将330g水泥、820g卵石、585g人工砂、15g氯化钙、9g聚羧酸减水剂、155g水、21g混凝土改性填料、16g四氯化碳混合搅拌得到所述早强耐寒的混凝土材料。
实施例3
步骤1：取0.75g三羟甲基氨基甲烷加入540g纯水中，使用稀盐酸调节pH至7.8；加入1.3g盐酸多巴胺，充分搅拌溶解后，加入2.6g六方氮化硼纳米片，超声处理后在55℃下静置26h；真空抽滤并使用纯水冲洗固体，重复3次，真空干燥后，将获得聚多巴胺包裹氮化硼纳米片；
步骤2：取3.5g纳米氧化铁分散于120g无水乙醇中，超声处理1.5h，加入氨水调节pH值至8.3得到组分I；取20g正硅酸乙酯加入至350g无水乙醇中，加入225g纯水，搅拌得到组分II；将上述组分I与组分II混合，在80℃下反应7h，离心、洗涤、干燥后得到复合材料；
步骤3：取0.3g聚多巴胺包裹氮化硼纳米片加入至3.8gγ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中，在65℃、氮气环境下反应9h得到改性氮化硼；取2.5g复合材料加入6g 3-氨丙基三乙氧基硅烷中，超声处理0.75h后在85℃、氮气环境下回流24h，抽滤、回流、干燥得到改性复合材料；将改性氮化硼和改性复合材料分别分散在乙醇中，向改性氮化硼分散液中加入改性复合材料分散液，在85℃下自组装11h，干燥得到混凝土改性填料；所述混凝土改性填料中，按重量计，45％改性复合材料、55％改性氮化硼；
步骤4：将330g水泥、840g卵石、600g人工砂、21g氯化钙、13g聚羧酸减水剂、160g水、28g混凝土改性填料、16g四氯化碳混合搅拌得到所述早强耐寒的混凝土材料。
实施例4
步骤1：取0.8g三羟甲基氨基甲烷加入560g纯水中，使用稀盐酸调节pH至8；加入1.26g盐酸多巴胺，充分搅拌溶解后，加入3.3g六方氮化硼纳米片，超声处理后在55℃下静置28h；真空抽滤并使用纯水冲洗固体，重复3次，真空干燥后，将获得聚多巴胺包裹氮化硼纳米片；
步骤2：取4.1g纳米氧化铁分散于125g无水乙醇中，超声处理1.5h，加入氨水调节pH值至8.3得到组分I；取200g正硅酸乙酯加入至370g无水乙醇中，加入250g纯水，搅拌得到组分II；将上述组分I与组分II混合，在80℃下反应7h，离心、洗涤、干燥后得到复合材料；
步骤3：取0.35g聚多巴胺包裹氮化硼纳米片加入至4.3gγ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中，在65℃、氮气环境下反应9h得到改性氮化硼；取2.6g复合材料加入7.3g 3-氨丙基三乙氧基硅烷中，超声处理0.75h后在90℃、氮气环境下回流24h，抽滤、回流、干燥得到改性复合材料；将改性氮化硼和改性复合材料分别分散在乙醇中，向改性氮化硼分散液中加入改性复合材料分散液，在85℃下自组装11h，干燥得到混凝土改性填料；所述混凝土改性填料中，按重量计，46％改性复合材料、54％改性氮化硼；
步骤4：将335g水泥、835g卵石、610g人工砂、20g氯化钙、13g聚羧酸减水剂、150～180g水、20～36g混凝土改性填料、17g四氯化碳混合搅拌得到所述早强耐寒的混凝土材料。
实施例5：
步骤1：取0.85g三羟甲基氨基甲烷加入600g纯水中，使用稀盐酸调节pH至8.5；加入1.4g盐酸多巴胺，充分搅拌溶解后，加入3.5g六方氮化硼纳米片，超声处理后在60℃下静置30h；真空抽滤并使用纯水冲洗固体，重复3次，真空干燥后，将获得聚多巴胺包裹氮化硼纳米片；
步骤2：取5g纳米氧化铁分散于140g无水乙醇中，超声处理2h，加入氨水调节pH值至8.5得到组分I；取210g正硅酸乙酯加入至400g无水乙醇中，加入260g纯水，搅拌得到组分II；将上述组分I与组分II混合，在85℃下反应7.5h，离心、洗涤、干燥后得到复合材料；
步骤3：取0.4g聚多巴胺包裹氮化硼纳米片加入至4.8gγ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中，在65℃、氮气环境下反应9.5h得到改性氮化硼；取2.8g复合材料加入8.5g 3-氨丙基三乙氧基硅烷中，超声处理0.8h后在85℃、氮气环境下回流24h，抽滤、回流、干燥得到改性复合材料；将改性氮化硼和改性复合材料分别分散在乙醇中，向改性氮化硼分散液中加入改性复合材料分散液，在90℃下自组装12h，干燥得到混凝土改性填料；所述混凝土改性填料中，按重量计，49％改性复合材料、54％改性氮化硼；
步骤4：将350g水泥、860g卵石、630g人工砂、19g氯化钙、15g聚羧酸减水剂、175g水、34g混凝土改性填料、18g四氯化碳混合搅拌得到所述早强耐寒的混凝土材料。
实施例6
步骤1：取1g三羟甲基氨基甲烷加入600g纯水中，使用稀盐酸调节pH至8.5；加入1.5g盐酸多巴胺，充分搅拌溶解后，加入4g六方氮化硼纳米片，超声处理后在60℃下静置30h；真空抽滤并使用纯水冲洗固体，重复3次，真空干燥后，将获得聚多巴胺包裹氮化硼纳米片；
步骤2：取5g纳米氧化铁分散于150g无水乙醇中，超声处理2h，加入氨水调节pH值至8.5得到组分I；取210g正硅酸乙酯加入至400g无水乙醇中，加入270g纯水，搅拌得到组分II；将上述组分I与组分II混合，在85℃下反应8h，离心、洗涤、干燥后得到复合材料；
步骤3：取0.5g聚多巴胺包裹氮化硼纳米片加入至5gγ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中，在70℃、氮气环境下反应10h得到改性氮化硼；取3g复合材料加入10g 3-氨丙基三乙氧基硅烷中，超声处理1h后在95℃、氮气环境下回流24h，抽滤、回流、干燥得到改性复合材料；将改性氮化硼和改性复合材料分别分散在乙醇中，向改性氮化硼分散液中加入改性复合材料分散液，在90℃下自组装12h，干燥得到混凝土改性填料；所述混凝土改性填料中，按重量计，50％改性复合材料、50％改性氮化硼；
步骤4：将360g水泥、870g卵石、640g人工砂、26g氯化钙、19g聚羧酸减水剂、180g水、36g混凝土改性填料、20g四氯化碳混合搅拌得到所述早强耐寒的混凝土材料。
对比例1
不加入混凝土改性填料，其余条件与实施例1保持一致。
对比例2
将聚多巴胺包裹氮化硼纳米片与复合材料直接共混，其余条件与实施例2保持一致。
对比例3
将纳米二氧化硅和纳米氧化铁直接共混加入，其余条件与实施例3保持一致。
实验：
将实施例1～6和对比例1～3中制备的混凝土浆料浇筑至50mm*50mm*50mm的模具中养护7天得到方砖样品，并对其性能进行测试，结果如下表所示。
按照GB/T50081-2019进行抗折强度和抗压强度试验进行测试。
结论：实施例1～6数据表明，本发明制备的凝土材料力学性能良好。以实施例1为参照，对比例1数据表明，加入本发明制备的混凝土改性填料能够缩短混凝土的初凝和终凝时间，提高混凝土的抗折强度与抗压强度。以实施例2～3为参照，对比例2～3数据表明，将聚多巴胺包裹氮化硼纳米片、二氧化硅、氧化铁三种物质通过物理方式直接共混的效果不佳，这主要是因为将复合材料与聚多巴胺包裹氮化硼纳米片自组织后，负载在氧化铁表面的二氧化硅能够与水泥水化生成的氢氧化钙进行二次水化反应后，周围钙离子浓度下降，能够提高氮化硼纳米片层的分散性；氧化铁表面的二氧化硅随着二次水化反应不断减少，氧化铁能够将水化产物吸附在周围形成新的柱状网络，与氮化硼纳米片层产生协同作用，显著改善混凝土的力学强度。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种早强耐寒的混凝土材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：使用盐酸多巴胺对六方氮化硼纳米片进行包裹；
步骤2：制备复合材料；
步骤3：取聚多巴胺包裹氮化硼纳米片加入至γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中得到改性氮化硼；复合材料加入3-氨丙基三乙氧基硅烷中得到改性复合材料；将改性氮化硼、改性复合材料进行自组装得到混凝土改性填料；
步骤4：将水泥、卵石、人工砂、早强剂、聚羧酸减水剂、水、混凝土改性填料、抗冻剂混合搅拌得到所述早强耐寒的混凝土材料。
2.根据权利要求1所述的一种早强耐寒的混凝土材料的制备方法，其特征在于：步骤1中，所述聚多巴胺包裹氮化硼纳米片的具体制备方法为：取三羟甲基氨基甲烷加入纯水中，使用稀盐酸调节pH至7.5～8.5；加入盐酸多巴胺，充分搅拌溶解后，加入六方氮化硼纳米片，超声处理后在50～60℃下静置24～30h；真空抽滤并使用纯水冲洗固体，重复3次，真空干燥后。
3.根据权利要求1所述的一种早强耐寒的混凝土材料的制备方法，其特征在于：步骤2中，所述复合材料的具体制备方法为：取纳米氧化铁分散无水乙醇中，超声处理1～2h，加入氨水调节pH值至8～8.5得到组分I；取正硅酸乙酯加入至无水乙醇中，加入纯水，搅拌得到组分II；将上述组分I与组分II混合，在70～85℃下反应6～8h，离心、洗涤、干燥后得到复合材料。
4.根据权利要求1所述的一种早强耐寒的混凝土材料的制备方法，其特征在于：步骤3中，所述改性氮化硼的具体制备方法为：取聚多巴胺包裹氮化硼纳米片加入至γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷中，在60～70℃、氮气环境下反应8～10h得到改性氮化硼。
5.根据权利要求1所述的一种早强耐寒的混凝土材料的制备方法，其特征在于：步骤3中，所述改性复合材料的具体制备方法为：取复合材料加入到3-氨丙基三乙氧基硅烷中，超声处理0.5～1h后在80～95℃、氮气环境下回流24h，抽滤、回流、干燥得到改性复合材料。
6.根据权利要求1所述的一种早强耐寒的混凝土材料的制备方法，其特征在于：步骤3中，所述混凝土改性填料的制备方法具体为：将改性氮化硼分散在乙醇中得到改性氮化硼分散液，将改性复合材料分散在乙醇中得到改性复合材料分散液；向改性氮化硼分散液中加入改性复合材料分散液，在80～90℃下自组装10～12h，干燥得到混凝土改性填料。
7.根据权利要求1所述的一种早强耐寒的混凝土材料的制备方法，其特征在于：步骤3中，所述混凝土改性填料中，按重量计，40～50％改性复合材料、50～60％改性氮化硼。
8.根据权利要求1所述的一种早强耐寒的混凝土材料的制备方法，其特征在于：步骤4中，所述早强耐寒的混凝土材料中，各组分含量，按重量计，320～360份水泥、800～870份卵石、580～640份人工砂、14～26份早强剂、7～19份聚羧酸减水剂、150～180份水、20～36份混凝土改性填料、15～20份抗冻剂。
9.根据权利要求1所述的一种早强耐寒的混凝土材料的制备方法，其特征在于：所述早强剂为氯化钙、石膏、水玻璃、铝酸钠、碳酸钠中的一种或多种；所述抗冻剂为乙二醇丁醚醋酸酯、四氯化碳、甲酰胺中的一种或多种。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的一种早强耐寒的混凝土材料的制备方法之别得到的混凝土材料。
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