基于钙质砂的固化材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及混凝土固化材料技术领域，尤其涉及一种基于钙质砂的固化材料及其制备方法。


背景技术：

2.钙质砂主要是由珊瑚、贝壳及藻类等海洋生物的残骸经过物理、化学和生物作用过程而形成的，其主要成分是碳酸盐沉积物，caco3含量达95％以上。钙质砂多产于岛礁，在之前的岛礁建设过程中，往往以钙质砂作为骨料，掺入水泥等其他物质，制备混凝土，进而用于工程建设。然而，在这些工程建设项目中，发生了许多工程灾害问题，例如：难以现场成桩、现场浇筑混凝土强度不足和复合地基失效等问题。研究认为，这主要是由于钙质砂特定的理化性能所引起的。如钙质砂中不仅含有大量的有机质，而且受海陆环境交替影响，成分十分复杂。并且钙质砂的颗粒级配也与一般软土不同，导致其工程性质也较为特殊。此外，特殊地理环境下形成的吹填钙质砂多含有对混凝土有腐蚀作用的氯离子，危害混凝土的持久性能。因此，现有岛礁工程建设均不采用钙质砂作为骨料，而从外地运输建筑材料，大幅提升了建设成本。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于钙质砂的固化材料，其固化强度高，且成本低。
4.本发明还要解决的技术问题在于，提供一种基于钙质砂的固化材料的制备方法。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于钙质砂的固化材料，其包括以下重量份的组分：
6.钙质砂80～88份，水泥11～19份，聚丙烯纤维0.1～1份，氧化石墨烯0.03～0.2份。
7.作为上述技术方案的改进，包括以下重量份的组分：
8.钙质砂82～86份，水泥14～18份，聚丙烯纤维0.5～0.8份，氧化石墨烯0.04～0.16份。
9.作为上述技术方案的改进，包括以下重量份的组分：
10.钙质砂84.35份，水泥15份，聚丙烯纤维0.6份，氧化石墨烯0.15份。
11.作为上述技术方案的改进，所述氧化石墨烯的厚度为1～10nm。
12.作为上述技术方案的改进，所述氧化石墨烯包括第一氧化石墨烯、第二氧化石墨烯和第三氧化石墨烯；
13.所述第一氧化石墨烯的厚度为1～5nm，所述第二氧化石墨烯的厚度为3～8nm，所述第三氧化石墨烯的厚度为5～10nm。
14.作为上述技术方案的改进，所述第一氧化石墨烯、第二氧化石墨烯和第三氧化石墨烯的用量比为1：(1～1.5)：(0.5～1)。
15.作为上述技术方案的改进，所述聚丙烯纤维的直径为19～47μm，长度为1～10mm，
其比重为0.85～0.92。
16.作为上述技术方案的改进，所述钙质砂的重度为12～20kn/m3，粘聚力标准值为4～6，内摩擦角标准值为28～35，压缩模量为8～12mpa，渗透系数为7～10
×
10-2
cm/s，承载力特征值为180～200kpa。
17.相应的，本发明还公开了一种上述的基于钙质砂的固化材料的制备方法，其包括：将钙质砂80～88份，水泥11～19份，聚丙烯纤维0.1～1份，氧化石墨烯0.03～0.2份混合均匀，即得。
18.实施本发明，具有如下有益效果：
19.本发明的固化材料，其配方为钙质砂80～88份，水泥11～19份，聚丙烯纤维0.1～1份，氧化石墨烯0.03～0.2份；通过引入氧化石墨烯、聚丙烯纤维，有效提升了固化材料的固化强度，使得钙质砂可应用在固化材料之中。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
21.本发明提供了一种基于钙质砂的固化材料，其包括以下重量份的组分：
22.钙质砂80～88份，水泥11～19份，聚丙烯纤维0.1～1份，氧化石墨烯0.03～0.2份。
23.其中，钙质砂的主要力学性能指标为：钙质砂的重度为12～20kn/m3，粘聚力标准值为4～6，内摩擦角标准值为28～35，压缩模量为8～12mpa，渗透系数为7～10
×
10-2
cm/s，承载力特征值为180～200kpa。钙质砂的用量为80～88份，示例性的为81份、82份、83份、84份、85份、86份或87份，但不限于此。优选的，钙质砂的用量为82～86份，进一步优选为84.35份。
24.其中，水泥为主要的胶凝材料。具体的，在本发明中，水泥可选用pc32.5水泥，但不限于此。水泥的用量为11～19份，示例性的为12份、13份、14份、15份、16份或17份，但不限于此。优选的，水泥的用量为14～18份；进一步优选为15份。
25.其中，聚丙烯纤维具有较高的抗拉能力和较大的弹性模量。在本发明中，其主要可可以显著增强固化材料的抗冲击能力、抗渗透能力，并且保证固化材料内有害离子(cl-等)锈蚀金属物质。具体的，在本发明中，聚丙烯纤维的直径为19～47μm，长度为1～10mm，其比重为0.85～0.92。此规格的聚丙烯纤维可更好的与钙质砂、氧化石墨烯协同。具体的，聚丙烯纤维的用量为0.1份，示例性的为0.2份、0.3份、0.4份、0.5份、0.6份、0.7份或0.8份，但不限于此。优选的，聚丙烯纤维的用量为0.1～1份，示例性的为0.2份、0.3份、0.4份、0.5份、0.6份、0.7份、0.8份或0.9份，但不限于此。优选的，聚丙烯纤维的用量为0.5～0.8份；进一步优选为0.5份。
26.其中，氧化石墨烯的二维纳米片状结构提供了与水泥和混凝土集料相互作用的额外维度，且水化过程中氧化石墨烯中的含氧基团可以帮助其与水泥相互作用，从而增加水泥基中硅酸钙胶凝物质的含量，从而提升固化强度。氧化石墨烯的用量为0.03～0.2份，若其用量＞0.2份，则氧化石墨烯薄片会相互聚集，弱化固化材料的各项性能。若氧化石墨烯的用量＜0.03份，则难以有效提升固化强度。示例性的，氧化石墨烯的用量为0.04份、0.06份、0.08份、0.1份、0.12份、0.14份、0.16份或0.18份，但不限于此。优选的，氧化石墨烯的用
量为0.04～0.16份；更优选的为0.15份。
27.具体的，本发明中氧化石墨烯为单层或叠层结构，其厚度为1～10nm；该厚度范围的氧化石墨烯可更好地与水泥、聚丙烯纤维协同。优选的，在本发明配方中包含三种不同厚度的氧化石墨烯，即厚度为1～5nm的第一氧化石墨烯，厚度为3～8nm的第二氧化石墨烯和厚度为5～10nm的第三氧化石墨烯。第一氧化石墨烯、第二氧化石墨烯和第三氧化石墨烯的用量比为1：(1～1.5)：(0.5～1)；示例性的为1:1:1、1:1.2:0.8、1：1.2:0.5、1:1.4:0.7，但不限于此。优选的，三者的用量比为1:1.2:0.8。
28.下面以具体实施例进一步说明本发明：
29.以下实施例与对比例中，水泥均采用pc32.5水泥。钙质砂取自海南省三沙市南海岛礁地区，为松散未胶结的砂颗粒，其颜色偏白。钙质砂中含有珊瑚碎屑，因此白色砂颗粒中会出现一些红色颗粒。钙质砂物理基本力学指标如下表所示。
[0030][0031]
实施例1
[0032]
本实施例提供了一种基于钙质砂的固化材料，其配方为：
[0033]
钙质砂88份，水泥11份，聚丙烯纤维0.8份，氧化石墨烯0.2份。
[0034]
其中，聚丙烯纤维的直径为5～8μm，其长度为50～80mm；氧化石墨烯的厚度为1～1.5nm。
[0035]
其制备方法为：将钙质砂、水泥、聚丙烯纤维、氧化石墨烯混合均匀，然后加水调节至含水率为30％，即得。
[0036]
实施例2
[0037]
本实施例提供了一种基于钙质砂的固化材料，其配方为：
[0038]
钙质砂81份，水泥18份，聚丙烯纤维0.9份，氧化石墨烯0.1份。
[0039]
其中，聚丙烯纤维的直径为20～30μm，其长度为30～40mm；氧化石墨烯的厚度为6～9nm。
[0040]
其制备方法为：将钙质砂、水泥、聚丙烯纤维、氧化石墨烯混合均匀，然后加水调节至含水率为30％，即得。
[0041]
实施例3
[0042]
本实施例提供了一种基于钙质砂的固化材料，其配方为：
[0043]
钙质砂81份，水泥18份，聚丙烯纤维0.9份，氧化石墨烯0.1份。
[0044]
其中，聚丙烯纤维的直径为20～30μm，其长度为5～6mm；氧化石墨烯的厚度为6～9nm。
[0045]
其制备方法为：将钙质砂、水泥、聚丙烯纤维、氧化石墨烯混合均匀，然后加水调节至含水率为30％，即得。
[0046]
实施例4
[0047]
本实施例提供了一种基于钙质砂的固化材料，其配方为：
[0048]
钙质砂83.75份，水泥15.5份，聚丙烯纤维0.6份，氧化石墨烯0.15份。
[0049]
其中，聚丙烯纤维的直径为20～30μm，其长度为5～6mm；氧化石墨烯的厚度为6～9nm。
[0050]
其制备方法为：将钙质砂、水泥、聚丙烯纤维、氧化石墨烯混合均匀，然后加水调节至含水率为30％，即得。
[0051]
实施例5
[0052]
本实施例提供了一种基于钙质砂的固化材料，其配方为：
[0053]
钙质砂83.75份，水泥15.5份，聚丙烯纤维0.6份，氧化石墨烯0.15份。
[0054]
其中，聚丙烯纤维的直径为20～30μm，其长度为20～30mm；氧化石墨烯的厚度为10～15nm。
[0055]
其制备方法为：将钙质砂、水泥、聚丙烯纤维、氧化石墨烯混合均匀，然后加水调节至含水率为30％，即得。
[0056]
实施例6
[0057]
本实施例提供了一种基于钙质砂的固化材料，其配方为：
[0058]
钙质砂83.75份，水泥15.5份，聚丙烯纤维0.6份，氧化石墨烯0.15份。
[0059]
其中，聚丙烯纤维的直径为20～30μm，其长度为4～6mm；氧化石墨烯包括厚度为1～3nm的第一氧化石墨烯，厚度为5～7nm的第二氧化石墨烯和厚度为8～10nm的第三氧化石墨烯；三者比例为1:1:1。
[0060]
其制备方法为：将钙质砂、水泥、聚丙烯纤维、氧化石墨烯混合均匀，然后加水调节至含水率为30％，即得。
[0061]
实施例7
[0062]
本实施例提供了一种基于钙质砂的固化材料，其配方为：
[0063]
钙质砂83.75份，水泥15.5份，聚丙烯纤维0.6份，氧化石墨烯0.15份。
[0064]
其中，聚丙烯纤维的直径为20～30μm，其长度为4～6mm；氧化石墨烯包括厚度为1～3nm的第一氧化石墨烯，厚度为5～7nm的第二氧化石墨烯和厚度为8～10nm的第三氧化石墨烯；三者比例为1:1.2:0.8。
[0065]
其制备方法为：将钙质砂、水泥、聚丙烯纤维、氧化石墨烯混合均匀，然后加水调节至含水率为30％，即得。
[0066]
实施例8
[0067]
本实施例提供了一种基于钙质砂的固化材料，其配方为：
[0068]
钙质砂84.35份，水泥15份，聚丙烯纤维0.6份，氧化石墨烯0.15份。
[0069]
其中，聚丙烯纤维的直径为20～30μm，其长度为4～6mm；氧化石墨烯包括厚度为1～3nm的第一氧化石墨烯，厚度为5～7nm的第二氧化石墨烯和厚度为8～10nm的第三氧化石墨烯；三者比例为1:1.2:0.8。
[0070]
其制备方法为：将钙质砂、水泥、聚丙烯纤维、氧化石墨烯混合均匀，然后加水调节至含水率为30％，即得。
[0071]
对比例1
[0072]
本对比例提供一种基于钙质砂的固化材料，其配方为：
[0073]
钙质砂75份，水泥24份，聚丙烯纤维1份。
[0074]
其中，聚丙烯纤维的直径为20～30μm，其长度为4～6mm。
[0075]
其制备方法为：将钙质砂、水泥、聚丙烯纤维混合均匀，然后加水调节至含水率为30％，即得。
[0076]
对比例2
[0077]
本对比例提供一种基于钙质砂的固化材料，其配方为：
[0078]
钙质砂75份，水泥24份，氧化石墨烯1份。
[0079]
其中，氧化石墨烯包括厚度为1～3nm的第一氧化石墨烯，厚度为5～7nm的第二氧化石墨烯和厚度为8～10nm的第三氧化石墨烯；三者比例为1:1.2:0.8。
[0080]
将钙质砂、水泥、聚丙烯纤维、氧化石墨烯混合均匀，然后加水调节至含水率为30％，即得。
[0081]
对比例3
[0082]
本对比例提供一种基于钙质砂的固化材料，其配方为：
[0083]
钙质砂75份，水泥22.5份，聚丙烯纤维2份，氧化石墨烯0.5份。
[0084]
其中，聚丙烯纤维的直径为20～30μm，其长度为4～6mm；氧化石墨烯包括厚度为1～3nm的第一氧化石墨烯，厚度为5～7nm的第二氧化石墨烯和厚度为8～10nm的第三氧化石墨烯；三者比例为1:1.2:0.8。
[0085]
其制备方法为：将钙质砂、水泥、聚丙烯纤维、氧化石墨烯混合均匀，然后加水调节至含水率为30％，即得。
[0086]
对比例4
[0087]
本对比例提供一种基于钙质砂的固化材料，其配方为：
[0088]
钙质砂75份，水泥22.5份，聚丙烯纤维2份，氧化石墨烯0.5份。
[0089]
其中，聚丙烯纤维的直径为20～30μm，其长度为4～6mm；氧化石墨烯包括厚度为1～3nm的第一氧化石墨烯，厚度为5～7nm的第二氧化石墨烯和厚度为8～10nm的第三氧化石墨烯；三者比例为1:1.2:0.8。
[0090]
其制备方法为：将钙质砂、水泥、聚丙烯纤维、氧化石墨烯混合均匀，然后加水调节至含水率为30％，即得。
[0091]
将实施例1-8、对比例1-4的固化材料做测试。其中，抗压强度、渗透系数测试方法参《水泥土配合比设计规程》(jgj/f 233-2011)。冻融循环损失率的测试方法参见mt/t 593.4；具体测试结果如下：
[0092][0093]
由以上表格可以看出，本发明中基于钙质砂的固化材料，其抗压强度(无侧限，单轴)≥10.7mpa，渗透系数≤3.34
×
10-6
cm/s，冻融循环10次后抗压强度损失率≤8.35％。通过实施例与对比例1～4的对比说明，若不掺入聚丙烯纤维或氧化石墨烯，或变更配方，使得其不在本发明所要求的范围内，则无法达到本发明的技术效果。
[0094]
以上所述是发明的优选实施方式，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润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。