[發明專利]用混合納米材料增強的混凝土

有效

• 申請號: 201080064109.1
• 申請日: 2010-12-13
• 公開（公告）號: CN102884018A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: J.A.索托蒙托亞;M.馬蒂內茲阿拉尼斯;M.特洛內斯馬爾多納多;H.特洛內斯馬爾多納多;D.拉米雷茲岡薩雷斯
• 申請（專利權）人: 城市房地產中心公司
• 主分類號: C04B16/12
• 分類號: C04B16/12;C04B28/00;C04B7/02;C01B31/02
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 劉蕾;沙捷

技術領域

本發明涉及增強混凝土，特別是涉及用納米結構材料增強的混凝土。

背景技術

在建筑工業中，有一種常用的復合材料，一種包含其它材料以增加體積和具有優越機械性能的糊狀材料（paste-type?material），這種材料是混凝土。在歷史上，混凝土已經經歷了從磚石粘合到作為超薄結構（slim?and?resistant?strucutres）的主要組成部分的重要變化，例如增強混凝土。

混凝土主要基于其耐受應變的能力或在加壓下的強度以及獲得這種強度（干）所需的時間而具有不同的分類。以這種方式，能獲得正常耐受性的混凝土和高耐受性或快速耐受的混凝土。重點要說的是存在如下的國內和國際的工業：其具有生產的多種材料以與混凝土結合從而使其獲得新的性質。這些材料被稱為添加劑、助流劑、模具阻燃劑、防水劑、空氣填料（air?filler）和應變增強纖維。換言之，混凝土是能夠接納多種外部試劑（添加劑）而不會損害其主要特征（抗壓強度）并提高其主要性能的混合物。

另一方面，近年來已經提高了對開發復合材料的興趣，包括將其特性使得它們用于不同領域的兩種或多種組分組合起來。更近年來，使用納米尺度的材料以制造具有改進性質的納米化合物的興趣高漲。碳納米管是制造納米化合物的極好的候選材料，這是因為其強度可以比鋼材高100倍但卻比其輕六倍。

以上的一個例子是WO2009/099640，其公開了一種制造包含用分散的碳納米管增強的水泥的復合材料的方法，該方法通過以下方式進行：應用超聲并使用表面活性劑以形成碳納米管的液體分散液，并將該分散液與水泥混合從而使碳納米管良好地分散在膠凝材料基質中。

同樣，文獻US2008/0134942公開了在水泥復合物中使用碳納米管，其中使用了水泥、聚集材料、碳納米管和增塑劑。

在不同的碳納米管類型中，不但有根據通過物理和/或化學處理結合到納米管壁上的元素進行的區分，還有單壁結構和多壁結構。例如，碳原子可在壁中被不同元素置換。其中有氮、磷、鉀、硅、氧、硼等。此外，可能有共價結合到納米管壁上的共價基團，特別是甲基、羰基、羥基基團等。通過摻雜或官能化對管表面進行的修飾提高了其表面反應性，這對在納米管和所討論的基質（諸如水泥或混凝土）之間產生強相互作用來說是重要的。

考慮到在正確、均勻和以足夠速率混合時納米結構能改變混凝土基質的整體性質，并且水泥-水+集料的水工構造用混凝土可以接納外部試劑，可以通過加入少量納米材料（例如，0.1-10wt%）來生產具有改進的機械性能的新型納米結構水泥家族。在這點上，重點要說的是Matthew?Brenner在將增強碳納米纖維與碳納米管（純物質）在水泥和混凝土中混合的工作，其中報道了具有這些混合物的樣品相對于沒有這些添加劑的那些樣品在抗壓強度方面得到提高。

上述文獻中沒有一篇使用了經摻雜或官能化的多壁碳納米管，其由于納米管的摻雜或官能化位置而提高了納米管向混凝土的負荷轉移。

通常，混凝土可被認為是結合在一起的一系列孢子型結構從而為化合物提供高強度，這是因為它們具有“刺猬”-樣內部結合，這種結構更好地處理強度，因為刺猬結構并非通過其尖端內部結合，并且在應力下分離，本發明涉及這種結晶結構的整合。當摻雜了這種納米管時，它們變得更具反應性，使得形成了這樣的結合，將孢子型結構與較小尺寸的成分（諸如納米管）如此結合，以這種方式實現雙重效果，在壓縮時將孢子型結構與孢子型結構結合的納米管充當容器，提高了它們的抗壓強度，并且在應力下納米管充當生長于其表面中的孢子型結構之間的張量（tensor）。

根據本發明，混合材料是指加入摻雜納米管（竹型）、SiOx納米棒和納米片（或者SiOx、AlOx納米薄片）。

重點要說的是，當與混凝土混合時，使用摻雜納米管（特別是氮摻雜的納米管），它們促進了SiOx（薄片和棒）的納米結構的生長，將混凝土的機械性質提高了兩倍。當不添加氮摻雜的納米管而是其它納米管（諸如上面引用的文獻中的那些，其中不使用氮摻雜的材料），這些SiOx和AlOx的新結構不會與納米管相互作用。因此，氮摻雜的納米管、SiOx和AlOx薄片和SiOx納米棒的結合形成了新的混合納米材料，其在混凝土中更有耐受性。

在本領域的現狀中，納米管具有完美的結晶網，但本發明的摻雜在納米管中產生瑕疵，因此石墨網是不完美的。

首先，術語“摻雜的納米管”適用于元素在不完美石墨網的結構中的取代，其中摻雜的三種類型是：

第I類：在無任何空位的石墨網中的碳原子取代（被任意可用原子）。