一种基于多壁碳纳米管的水泥基复合材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及水泥材料技术领域，特别是涉及一种基于多壁碳纳米管的水泥基复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.水泥混凝土结构是目前世界上使用最为广泛的一种结构形式。随着现代工程结构的大型化，高层化，多功能化，作为最大量使用的结构材料，水泥混凝土也逐渐由传统仅具有承载能力的结构材料向绿色、可持续、高强高性能化、超复合化、超耐久性、智能化等方向发展。
3.其中，导电水泥材料因具有导电性能，且又不失混凝土在技术和性能上的优势使其具有广阔的发展领域和应用空间。导电水泥是指由凝胶材料(通常为水泥)、导电材料、介电骨料、水以及其他外加剂等组分，按照一定的配合比混合而成的复合材料。
4.现有技术中的导电水泥材料，虽然导电性能得到了提升，但材料的抗压强度较差，限制了导电水泥材料的发展和应用。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种基于多壁碳纳米管的水泥基复合材料及其制备方法。
6.本发明的技术解决方案如下：
7.一种基于多壁碳纳米管的水泥基复合材料，按重量份计包括以下组分：
8.水泥850～950份；
9.细砂750～800份；
10.硅粉350～400份；
11.丁苯橡胶乳液220～250份；
12.多壁碳纳米管5～10份；
13.碳纤维40～50份；
14.减水剂10～15份；
15.消泡剂5～8份；
16.石墨20～30份。
17.本发明的一种具体实施方式，按重量份计包括以下组分：
18.水泥880～920份；
19.细砂760～790份；
20.硅粉360～390份；
21.丁苯橡胶乳液230～240份；
22.多壁碳纳米管6～9份；
23.碳纤维42～48份；
24.减水剂11～14份；
25.消泡剂6～7份；
26.石墨22～28份。
27.本发明的一种具体实施方式，按重量份计包括以下组分：
28.水泥900份；
29.细砂780份；
30.硅粉370份；
31.丁苯橡胶乳液235份；
32.多壁碳纳米管7份；
33.碳纤维45份；
34.减水剂12份；
35.消泡剂6.5份；
36.石墨25份。
37.本发明的一种具体实施方式，还包括以下附加技术特征至少其中之一：
38.所述多壁碳纳米管的外径为10～20nm；
39.所述多壁碳纳米管中羧基的占比为2.5～3wt％。
40.本发明的一种具体实施方式，按重量百分比计，所述硅粉的成分配比为：95.3～96.5％sio2、0.5～0.8％fe2o3、1.7～2.2％mgo、1.1～1.8％so3。
41.本发明的一种具体实施方式，还包括以下附加技术特征至少其中之一：
42.所述减水剂为聚羧酸高效减水剂；
43.所述消泡剂为聚羧酸消泡剂。
44.本发明的一种具体实施方式，所述消泡剂的ph为7～8。
45.本发明的一种具体实施方式，所述丁苯橡胶乳液的固含量为54～58％。
46.本发明的一种具体实施方式，所述细砂的粒径≤1.15mm。
47.一种基于多壁碳纳米管的水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
48.将多壁碳纳米管加入到丁苯橡胶乳液中，加水搅拌；
49.在65～70℃的水浴中超声处理1～1.5小时，在超声过程中，每隔20min搅拌一次，每次搅拌持续2min，以制成丁苯橡胶乳液/多壁碳纳米管悬浮液；
50.将水泥、细砂、硅粉、石墨、碳纤维倒入胶砂搅拌机中干搅拌2～5min，
51.向搅拌机中加入减水剂和水，继续搅拌5～10min；
52.再向搅拌机中加入丁苯橡胶乳液/多壁碳纳米管悬浮液和消泡剂，继续搅拌5～10min；
53.将混合料倒入的钢模中，填满模具后置于振动台上振动1～3min；
54.对模具中的混合物加压以排除气泡，然后刮平表面，于养护室内养护24～36h；
55.脱模，养护28～30d，完成基于多壁碳纳米管的水泥基复合材料的制备。
56.本发明至少具有以下有益效果之一：
57.本发明提供的基于多壁碳纳米管的水泥基复合材料具有较好的导电性能和抗压强度，其中，石墨、碳纤维能够提供良好的导电能力，丁苯橡胶乳液和多壁碳纳米管在水泥中具有良好的分散性，丁苯橡胶乳液和多壁碳纳米管作为一个复合基体能够改善水泥的水
化过程，同时，丁苯橡胶乳液与水泥反应后，水泥水化产物能够包裹住多壁碳纳米管，同时多壁碳纳米管由于具有较大的长径比，因此可以获得较大的粘结面积，有利于增强界面粘结强度，增强水泥的力学强度，最终使该材料具有较好的导电性能和抗压强度。
具体实施方式
58.下面用具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不仅局限于以下具体实施例。
59.实施例一
60.一种基于多壁碳纳米管的水泥基复合材料，按重量份计包括以下组分：
61.水泥880份；
62.细砂780份；
63.硅粉350份；
64.丁苯橡胶乳液230份；
65.多壁碳纳米管6份；
66.碳纤维40份；
67.减水剂12份；
68.消泡剂5份；
69.石墨20份。
70.其中，所述多壁碳纳米管的外径为15～20nm。
71.其中，所述多壁碳纳米管中羧基的占比为2.5～3wt％。
72.其中，按重量百分比计，所述硅粉的成分配比为：95.3％sio2、0.8％fe2o3、2.2％mgo、1.7％so3。
73.其中，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
74.其中，所述消泡剂为聚羧酸消泡剂。
75.其中，所述消泡剂的ph为7.5。
76.其中，所述丁苯橡胶乳液的固含量为56％。
77.其中，所述细砂的粒径≤1.15mm。
78.本实施例的基于多壁碳纳米管的水泥基复合材料的制备方法，如下：
79.将称取的多壁碳纳米管加入到称取好的丁苯橡胶乳液中，加20份水搅拌；
80.在65℃的水浴中超声处理1小时，在超声过程中，每隔20min搅拌一次，每次搅拌持续2min，以制成丁苯橡胶乳液/多壁碳纳米管悬浮液；
81.将称量好的水泥、细砂、硅粉、石墨、碳纤维倒入胶砂搅拌机中干搅拌2min，
82.向搅拌机中加入减水剂和380份水，继续搅拌5min；
83.再向搅拌机中加入丁苯橡胶乳液/多壁碳纳米管悬浮液和消泡剂，继续搅拌5min；
84.将混合料倒入的钢模中，填满模具后置于振动台上振动1min；
85.对模具中的混合物加压以排除气泡，然后刮平表面，于养护室内养护24h；
86.脱模，养护28d，完成基于多壁碳纳米管的水泥基复合材料的制备。
87.实施例二
88.一种基于多壁碳纳米管的水泥基复合材料，按重量份计包括以下组分：
89.水泥850份；
90.细砂800份；
91.硅粉390份；
92.丁苯橡胶乳液20份；
93.多壁碳纳米管5份；
94.碳纤维45份；
95.减水剂15份；
96.消泡剂8份；
97.石墨25份。
98.其中，所述多壁碳纳米管的外径为10～18nm。
99.其中，所述多壁碳纳米管中羧基的占比为2.5～3wt％。
100.其中，按重量百分比计，所述硅粉的成分配比为：95.8％sio2、0.7％fe2o3、2.1％mgo、1.4％so3。
101.其中，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
102.其中，所述消泡剂为聚羧酸消泡剂。
103.其中，所述消泡剂的ph为7。
104.其中，所述丁苯橡胶乳液的固含量为54％。
105.其中，所述细砂的粒径≤1.15mm。
106.本实施例的基于多壁碳纳米管的水泥基复合材料的制备方法，如下：
107.将称取的多壁碳纳米管加入到称取好的丁苯橡胶乳液中，加20份水搅拌；
108.在66℃的水浴中超声处理1小时，在超声过程中，每隔20min搅拌一次，每次搅拌持续2min，以制成丁苯橡胶乳液/多壁碳纳米管悬浮液；
109.将称量好的水泥、细砂、硅粉、石墨、碳纤维倒入胶砂搅拌机中干搅拌3min，
110.向搅拌机中加入减水剂和380份水，继续搅拌6min；
111.再向搅拌机中加入丁苯橡胶乳液/多壁碳纳米管悬浮液和消泡剂，继续搅拌6min；
112.将混合料倒入的钢模中，填满模具后置于振动台上振动2min；
113.对模具中的混合物加压以排除气泡，然后刮平表面，于养护室内养护28h；
114.脱模，养护28d，完成基于多壁碳纳米管的水泥基复合材料的制备。
115.实施例三
116.一种基于多壁碳纳米管的水泥基复合材料，按重量份计包括以下组分：
117.水泥950份；
118.细砂750份；
119.硅粉400份；
120.丁苯橡胶乳液250份；
121.多壁碳纳米管10份；
122.碳纤维47份；
123.减水剂10份；
124.消泡剂7份；
125.石墨28份。
126.其中，所述多壁碳纳米管的外径为16～19nm。
127.其中，所述多壁碳纳米管中羧基的占比为2.5～3wt％。
128.其中，按重量百分比计，所述硅粉的成分配比为：96.2％sio2、0.6％fe2o3、1.9％mgo、1.3％so3。
129.其中，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
130.其中，所述消泡剂为聚羧酸消泡剂。
131.其中，所述消泡剂的ph为8。
132.其中，所述丁苯橡胶乳液的固含量为54％。
133.其中，所述细砂的粒径≤1.15mm。
134.本实施例的基于多壁碳纳米管的水泥基复合材料的制备方法，如下：
135.将称取的多壁碳纳米管加入到称取好的丁苯橡胶乳液中，加20份水搅拌；
136.在68℃的水浴中超声处理1.4小时，在超声过程中，每隔20min搅拌一次，每次搅拌持续2min，以制成丁苯橡胶乳液/多壁碳纳米管悬浮液；
137.将称量好的水泥、细砂、硅粉、石墨、碳纤维倒入胶砂搅拌机中干搅拌4min，
138.向搅拌机中加入减水剂和380份水，继续搅拌9min；
139.再向搅拌机中加入丁苯橡胶乳液/多壁碳纳米管悬浮液和消泡剂，继续搅拌10min；
140.将混合料倒入的钢模中，填满模具后置于振动台上振动3min；
141.对模具中的混合物加压以排除气泡，然后刮平表面，于养护室内养护36h；
142.脱模，养护30d，完成基于多壁碳纳米管的水泥基复合材料的制备。
143.实施例四
144.一种基于多壁碳纳米管的水泥基复合材料，按重量份计包括以下组分：
145.水泥900份；
146.细砂770份；
147.硅粉360份；
148.丁苯橡胶乳液245份；
149.多壁碳纳米管9份；
150.碳纤维50份；
151.减水剂11份；
152.消泡剂6份；
153.石墨30份。
154.其中，所述多壁碳纳米管的外径为10～17nm。
155.其中，所述多壁碳纳米管中羧基的占比为2.5～3wt％。
156.其中，按重量百分比计，所述硅粉的成分配比为：96.5％sio2、0.5％fe2o3、1.7％mgo、1.3％so3。
157.其中，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。
158.其中，所述消泡剂为聚羧酸消泡剂。
159.其中，所述消泡剂的ph为7。
160.其中，所述丁苯橡胶乳液的固含量为58％。
161.其中，所述细砂的粒径≤1.15mm。
162.本实施例的基于多壁碳纳米管的水泥基复合材料的制备方法，如下：
163.将称取的多壁碳纳米管加入到称取好的丁苯橡胶乳液中，加20份水搅拌；
164.在70℃的水浴中超声处理1.5小时，在超声过程中，每隔20min搅拌一次，每次搅拌持续2min，以制成丁苯橡胶乳液/多壁碳纳米管悬浮液；
165.将称量好的水泥、细砂、硅粉、石墨、碳纤维倒入胶砂搅拌机中干搅拌4min，
166.向搅拌机中加入减水剂和380份水，继续搅拌9min；
167.再向搅拌机中加入丁苯橡胶乳液/多壁碳纳米管悬浮液和消泡剂，继续搅拌9min；
168.将混合料倒入的钢模中，填满模具后置于振动台上振动2min；
169.对模具中的混合物加压以排除气泡，然后刮平表面，于养护室内养护32h；
170.脱模，养护29d，完成基于多壁碳纳米管的水泥基复合材料的制备。
171.对比例1
172.与实施例1的区别在于：不加组分丁苯橡胶乳液、多壁碳纳米管，其他与实施例1相同。
173.对比例2
174.与实施例1的区别在于：不加组分石墨、碳纤维，其他与实施例1相同。
175.测试
176.测定实施例1～4以及对比例1～2制得的水泥基复合材料30d龄期的电阻，并计算其电阻率；并通过压力试验机测试实施例1～4以及对比例1～2制得的水泥基复合材料30d龄期的抗压强度，受压面积为50mm
×
50m，结果如表1所示：
177.表1
[0178][0179]
上表对比了上述四个实施例和现有技术中的水泥基复合材料在相同测试条件下，30d龄期的电阻率以及抗压强度，从表1中可以明显看出，采用本发明四个实施例的基于多壁碳纳米管的水泥基复合材料的电阻率明显低于现有技术，且抗压强度明显优于现有技术，性能优异，因此，相比现有技术，本发明制得的水泥基复合材料具有较好的导电性能和抗压强度。
[0180]
将实施例1与对比例1～2比较可以看出，对比例1(未添加丁苯橡胶乳液、多壁碳纳米管)的电阻率与实施例1相当，但抗压强度明显低于实施例1，由此说明，是否添加丁苯橡胶乳液、多壁碳纳米管会影响水泥的力学强度；对比例2(未添加石墨、碳纤维)的电阻率明显大于实施例1，但抗压强度与实施例1相当，由此说明，是否添加石墨、碳纤维会影响水泥的导电性能，本发明是通过石墨、碳纤维能够提供良好的导电能力，丁苯橡胶乳液和多壁碳纳米管在水泥中具有良好的分散性，丁苯橡胶乳液和多壁碳纳米管作为一个复合基体能够改善水泥的水化过程，同时，丁苯橡胶乳液与水泥反应后，水泥水化产物能够包裹住多壁碳纳米管，同时多壁碳纳米管由于具有较大的长径比，因此可以获得较大的粘结面积，有利于增强界面粘结强度，增强水泥的力学强度，最终使该材料具有较好的导电性能和抗压强度。
[0181]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。