[發(fā)明專利]一種高韌性混凝土及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410335599.4
• 申請(qǐng)日: 2014-07-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104058676A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-09-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔡思源;蔡慧萍;蔡鳳水;毛祥華;蔣國(guó)平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 宏峰集團(tuán)（福建）有限公司
• 主分類號(hào): C04B28/00
• 分類號(hào): C04B28/00;C04B28/04;C01B31/04
• 代理公司: 福州元?jiǎng)?chuàng)專利商標(biāo)代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學(xué)俊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于建筑材料領(lǐng)域，具體涉及一種高韌性混凝土及其制備方法。

背景技術(shù)

作為當(dāng)今世界上應(yīng)用最為廣泛的建筑材料，混凝土存在抗彎強(qiáng)度較低和脆性高的缺點(diǎn)，導(dǎo)致混凝土在使用中易產(chǎn)生裂縫甚至斷裂，從而嚴(yán)重影響建筑的整體安全和使用壽命。現(xiàn)代建筑中大量存在的一些建筑結(jié)構(gòu)和部位，如高鐵高架橋、大跨度跨海和跨江大橋的橋面、以及地鐵等各類型隧道拱墻，由于其應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜苛刻，必須采用抗彎強(qiáng)度盡可能高的高韌性混凝土材料。為提高混凝土的韌性，鋼筋被較早采用并大量使用至今。之后，力學(xué)性能和增韌效果更好的各類纖維材料，如碳纖維、玻璃纖維、福塔纖維、鋼絲/鋼絲網(wǎng)纖維、聚乙烯醇纖維、聚酯纖維、杜拉纖維等先后被采用，并開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的混凝土產(chǎn)品。

2004年，具有更高強(qiáng)度和硬度的超級(jí)材料——石墨烯(Graphene)，被英國(guó)科學(xué)家Geim A. K.等人發(fā)現(xiàn)后，短短數(shù)年間，石墨烯就超越了之前備受矚目的“超級(jí)纖維”——碳納米管，在全球范圍內(nèi)掀起了巨大的研究熱潮。石墨烯可以看作是單層石墨，其單原子層平面上的每個(gè)碳原子都通過(guò)很強(qiáng)的σ鍵與其他三個(gè)碳原子相連，這些很強(qiáng)的C-C鍵致使石墨烯片層具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)剛性；而石墨烯平面上存在的納米級(jí)微觀扭曲則使其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的Lee C. G.等使用原子尺寸的金屬和鉆石探針對(duì)附在硅微孔上的石墨烯圓片進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種最薄的材料竟然比鉆石還堅(jiān)硬，其理論拉伸強(qiáng)度可達(dá)130 GPa，比最好的結(jié)構(gòu)鋼還高100多倍。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之前的理論研究都證實(shí)，石墨烯是已知的材料中強(qiáng)度最高、硬度最大的。

自石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，其制備方法一直是各領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出化學(xué)還原、機(jī)械剝離、外延晶體生長(zhǎng)和化學(xué)氣相沉積等多種方法。其中，化學(xué)還原法較為成熟，它以氧化石墨為原料，經(jīng)超聲剝離和化學(xué)還原等步驟后即可得到石墨烯。相比價(jià)格昂貴的碳纖維、碳納米管等材料，制備石墨烯的原料價(jià)廉易得，而且制備工藝簡(jiǎn)單，因而石墨烯的成本要低廉得多。

石墨烯結(jié)構(gòu)奇特，力學(xué)性能優(yōu)異，加之成本低廉、易于加工，因此是混凝土最理想的增韌增強(qiáng)材料。但是，石墨烯的比表面積大，比表面能高，片與片之間的范德華力高達(dá)5.9 KJ·mol-1，處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，因此，除非石墨烯片之間被分隔得很好，否則這些因素會(huì)導(dǎo)致石墨烯不可逆地團(tuán)聚形成塊狀聚集體，甚至重新堆疊成石墨從而喪失其所具有的優(yōu)異性能。經(jīng)化學(xué)氧化處理后石墨烯表面含有較多活性官能團(tuán)，如主要出現(xiàn)在邊緣的羧基和羰基，以及主要出現(xiàn)在平面上的羥基和環(huán)氧基團(tuán)，這為石墨烯的化學(xué)改性提供了基礎(chǔ)。為了從根本上改善石墨烯在混凝土中的分散效果，本發(fā)明采用二元醇化合物，通過(guò)迭代反應(yīng)在石墨烯表面引入羥基。這一改性方法能顯著增強(qiáng)石墨烯片層之間的排斥作用，有效阻止片層的重新聚集，從而得到具有水溶性的改性石墨烯，在此基礎(chǔ)上，將改性石墨烯溶解于水后，再與其它材料混合均勻，經(jīng)標(biāo)養(yǎng)后制備得到新型高韌性混凝土。

發(fā)明專利ZL 201010266982.0采用直徑為13μm、長(zhǎng)度為10 mm的短切玄武巖纖維作為增韌材料，制備得到一種高韌性混凝土，其抗彎強(qiáng)度(28d)為4.3-6.5MPa。發(fā)明專利ZL 201210566338.4采用聚丙烯腈纖維和鋼纖維作為增韌材料，制備得到一種高韌性混凝土，其最優(yōu)抗彎強(qiáng)度(28d)為8.6MPa。發(fā)明專利ZL 200910187472.1纖維采用聚乙烯醇纖維、聚乙烯纖維和芳香族聚酰胺纖維作為增韌材料，制備得到一種高韌性纖維混凝土，其抗彎強(qiáng)度(28d)為10-20MPa。發(fā)明專利ZL 201210003519.6采用聚丙烯纖維或玻璃纖維作為增韌材料，制備得到一種高韌性混凝土，其最優(yōu)抗彎強(qiáng)度(28d)為10MPa。發(fā)明專利ZL 200810048960.X采用橡膠粉作為增韌材料，制備得到一種高韌性混凝土，其抗彎強(qiáng)度(28d)為5.05-6.86 MPa。與之比較，本發(fā)明制備的高韌性混凝土抗彎強(qiáng)度(28d)為18-26 MPa，顯著優(yōu)于相關(guān)增韌混凝土制品。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種高韌性混凝土及其制備方法，利用表面帶有羥基的水溶性石墨烯制備高韌性混凝土，所得混凝土在直接拉伸荷載或彎曲荷載作用下都能展示出顯著的應(yīng)變硬化或變形硬化特征，可用于高鐵高架橋、大跨度跨海和跨江大橋的橋面，以及地鐵等各類型隧道拱墻等領(lǐng)域。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種高韌性混凝土，其組成成分及各組分的配比如下：

改性石墨烯0.2-0.5 kg/m³；

水150-175 kg/m³；