一种石墨烯增强混凝土及其制备方法

1.本发明涉建筑材料领域，尤其涉及一种石墨烯增强混凝土及其制备方法。


背景技术：

2.混凝土是工程中各类基础设施建设使用最广泛的工程材料，钢筋混凝土结构广泛应用于土木、水利、港口、桥梁等各个领域。而混凝土会在自然条件和建筑使用中遭到破坏，如冻融破坏使混凝土膨胀，碳化和氯离子侵蚀影响混凝土ph值和基底之间的粘接，外层的剥落缺失使混凝土内层的钢筋锈蚀，减少了抗承载能力和使用寿命。虽然随着新型工程材料的出现，将来还会出现许多新的结构形式，但钢筋混凝土结构的优越性及其广泛适用性，在短期内还难以被取代。


技术实现要素：

3.针对的上述问题，本发明提供一种石墨烯增强混凝土，包括如下重量份的组分：水泥150-200份、水60-120份、石墨烯1.5-60份、粗沙500-650份和细沙300-400份。
4.具体地，本发明混凝土采用po42.5级别的低等级硅酸盐水泥，增强其强度的石墨烯含水量为20wt％，平面尺寸为10μm，厚度为20nm；本发明石墨烯增强混凝土添加的粗沙粒径为10-20mm，细沙粒径为2-5mm。
5.本发明石墨烯增强混凝土由于添加了石墨烯，使其具有抗氯离子和防碳化的能力，降低服役环境对材料损伤，石墨烯具有很强吸附性，能吸附去除重金属离子和有机污染物，使工程材料具有净化环境的作用。与普通混凝土相比，本发明石墨烯增强混凝土内部晶体上下交错重叠，堆积密实，减少了内部的空隙，石墨烯可改变水泥水化产物的形状，形成雪花状的晶体结构，该结构相互交叉形成叠层状，填充晶体的空隙，并通过冻融试验及碳化试验证明石墨烯产生的填充效应减少了水分子、氯离子和二氧化碳气体等进入，提高了混凝土的耐久性。本发明制备方法操作简单，易于工业化施工，无需额外的设备辅助施工，施工误差小且保持产品成型。
6.本发明还涉及上述石墨烯增强混凝土的制备方法，具体操作为：将石墨烯混于8-12倍重量的水中，搅拌3min后常温下静置2min，得石墨烯悬浊液，备用；将水泥和部分石墨烯悬浊液混合，石墨烯悬浊液的用量为石墨烯占水泥重量30％-40％为基准，加入到搅拌机中搅拌15-35s，加入粗沙，搅拌20s后加入细沙，搅拌20s后加入剩余石墨烯悬浊液，再搅拌30s，得混合浆；将混合浆倒入模具中，将模具置于振动台上振动1-3min，常温下静置24h脱模，放入混凝土养护箱中，温度22℃、湿度95％下养护28天，即得。
附图说明
7.图1为实施例1所得石墨烯增强混凝土的钨灯丝扫描电子显微镜的晶体微表面形貌；
8.图2为实施例2所得石墨烯增强混凝土的钨灯丝扫描电子显微镜的晶体微表面形
貌；
9.图3为实施例6所得石墨烯增强混凝土的钨灯丝扫描电子显微镜的晶体微表面形貌；
10.图4为对比例1所得混凝土的钨灯丝扫描电子显微镜的晶体微表面形貌。
具体实施方式
11.以下结合实例对本发明进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
12.本发明所用水泥、石墨烯和沙均为采购；本发明实验中模具尺寸为100mm
×
100mm
×
100mm。
13.检测所用设备为：
14.1、标准养护箱型号为yh-40，设置温度为22度，湿度设为95％；
15.2、抗压强度检测仪为无锡东仪牌dy-2008型的液压伺服机，测试最大压力速度为200kn/s，选用实验标准《普通混凝土力学性能试验方法标准gb/t50081-2016》按照0.5mpa/s进行抗压实验；
16.3、tescanvega型号的钨灯丝扫描电子显微镜进行晶体微表面观察，放大倍数为2500～5000倍。
17.实施例1
18.一种石墨烯增强混凝土，包括如下重量份的组分：po42.5硅酸盐水泥200份、水120份、含水量20wt％，平面尺寸10μm，厚度20nm的石墨烯60份、径为20mm的粗沙500份和粒径为2mm的细沙300份。
19.实施例2
20.一种石墨烯增强混凝土，包括如下重量份的组分：po42.5硅酸盐水泥150份、水80份、含水量20wt％，平面尺寸10μm，厚度20nm的石墨烯1.5份、径为15mm的粗沙500份和粒径为5mm的细沙380份。
21.实施例3
22.一种石墨烯增强混凝土，包括如下重量份的组分：po42.5硅酸盐水泥160份、水60份、含水量20wt％，平面尺寸10μm，厚度20nm的石墨烯12份、径为15mm的粗沙550份和粒径为3mm的细沙400份。
23.实施例4
24.一种石墨烯增强混凝土，包括如下重量份的组分：po42.5硅酸盐水泥180份、水90份、含水量20wt％，平面尺寸10μm，厚度20nm的石墨烯24份、径为10mm的粗沙600份和粒径为2.5mm的细沙320份。
25.实施例5
26.一种石墨烯增强混凝土，包括如下重量份的组分：po42.5硅酸盐水泥190份、水100份、含水量20wt％，平面尺寸10μm，厚度20nm的石墨烯38份、径为15mm的粗沙580份和粒径为4mm的细沙360份。
27.实施例6
28.一种石墨烯增强混凝土，包括如下重量份的组分：po42.5硅酸盐水泥150份、水80
份、含水量20wt％，平面尺寸10μm，厚度20nm的石墨烯46份、径为15mm的粗沙500份和粒径为5mm的细沙380份。
29.实施例1-6石墨烯增强混凝土的制备方法为：1)将石墨烯混于8-12倍重量的水中，搅拌3min后常温下静置2min，得石墨烯悬浊液，备用；2)将水泥和部分石墨烯悬浊液混合，石墨烯悬浊液的用量为石墨烯占水泥重量30％-40％为基准，加入到搅拌机中搅拌15-35s，加入粗沙，搅拌20s后加入细沙，搅拌20s后加入剩余石墨烯悬浊液，再搅拌30s，得混合浆；3)将混合浆倒入模具中，将模具置于振动台上振动1-3min，常温下静置24h脱模，放入混凝土养护箱中，温度22℃、湿度95％下养护28天。
30.对比例1
31.一种混凝土组合物，为实施例1去除石墨烯的组分构成。
32.将实施例1-6和对比例1所得混凝土进行性能检测，结果如表1所示。
33.表1.实施例1-6和对比例1混凝土性能检测
[0034][0035][0036]
图1-图4分别为实施例1、实施例2、实施例6和对比例1所得混凝土的钨灯丝扫描电子显微镜的晶体微表面形貌，从图中可以观察到，普通混凝土gc0具有较大的体积孔隙度，并含有大量针状和棒状水泥水化产物，如aft、afm、ca(oh)2和c-s-h凝胶，而石墨烯纳米粒子可以填充空隙并促进水化产物的生长，改变水化晶体的形状和大小，不会与水化产物发生反应。从图1和图2中可以看出，与普通混凝土试件(如图4)相比，石墨烯混凝土试件的水化产物更致密，微观结构更均匀，可以使得混凝土的抗压力学性能明显提高。但是，添加超过0.3％的gnp与其他混凝土成分混合性差，分布不均匀，甚至结团(如图3)，从而在混凝土中形成薄弱区域，因此，石墨烯质量分数的不断增加并不能进一步提高混凝土的力学强度。当石墨烯质量分数较小时，石墨烯颗粒以孤立或小的集体形式存在，具有较大的颗粒间距和较少的搭接接头，这对混凝土的力学性能影响性较小。
[0037]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。