本发明专利技术公开了一种高韧性混凝土及其制备方法，所述高韧性混凝土配方为：改性石墨烯0.2-0.5kg/m3，水150-175kg/m3，水泥395-415kg/m3，粉煤灰45-60kg/m3，矿渣粉20-35kg/m3，碎石1000-1100kg/m3，细集料600-700kg/m3，减水剂4.5-7kg/m3；所述改性石墨烯为表面带有羟基的水溶性石墨烯，其中羟基含量为0.005%-0.012%。利用此改性石墨烯制备高韧性混凝土时，可先将改性石墨烯溶解于水形成石墨烯水溶液，然后再与其他的混凝土制备材料混合均匀，标养后得到新型高韧性混凝土在直接拉伸荷载或弯曲荷载作用下都能展示出显著的应变硬化或变形硬化特征，可用于高铁高架桥、大跨度跨海和跨江大桥的桥面，以及地铁等各类型隧道拱墙等领域，本发明专利技术科技含量高，具有较好的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于建筑材料领域，具体涉及。
技术介绍
作为当今世界上应用最为广泛的建筑材料，混凝土存在抗弯强度较低和脆性高的 缺点，导致混凝土在使用中易产生裂缝甚至断裂，从而严重影响建筑的整体安全和使用寿 命。现代建筑中大量存在的一些建筑结构和部位，如高铁高架桥、大跨度跨海和跨江大桥的 桥面、以及地铁等各类型隧道拱墙，由于其应力环境复杂苛刻，必须采用抗弯强度尽可能高 的高韧性混凝土材料。为提高混凝土的韧性，钢筋被较早采用并大量使用至今。之后，力学 性能和增韧效果更好的各类纤维材料，如碳纤维、玻璃纤维、福塔纤维、钢丝/钢丝网纤维、 聚乙烯醇纤维、聚酯纤维、杜拉纤维等先后被采用，并开发出相应的混凝土产品。 2004年，具有更高强度和硬度的超级材料-石墨烯（Graphene)，被英国科学家 GeimA. K.等人发现后，短短数年间，石墨烯就超越了之前备受瞩目的超级纤维--碳 纳米管，在全球范围内掀起了巨大的研究热潮。石墨烯可以看作是单层石墨，其单原子层平 面上的每个碳原子都通过很强的σ键与其他三个碳原子相连，这些很强的C-C键致使石 墨烯片层具有优异的结构刚性；而石墨烯平面上存在的纳米级微观扭曲则使其结构更加稳 定。美国哥伦比亚大学的Lee C. G.等使用原子尺寸的金属和钻石探针对附在硅微孔上的 石墨烯圆片进行测试时发现，这种最薄的材料竟然比钻石还坚硬，其理论拉伸强度可达130 GPa，比最好的结构钢还高100多倍。这一实验结果与之前的理论研究都证实，石墨烯是已 知的材料中强度最高、硬度最大的。 自石墨烯被发现以来，其制备方法一直是各领域的研究重点，现已开发出化学还 原、机械剥离、外延晶体生长和化学气相沉积等多种方法。其中，化学还原法较为成熟，它以 氧化石墨为原料，经超声剥离和化学还原等步骤后即可得到石墨烯。相比价格昂贵的碳纤 维、碳纳米管等材料，制备石墨烯的原料价廉易得，而且制备工艺简单，因而石墨烯的成本 要低廉得多。 石墨烯结构奇特，力学性能优异，加之成本低廉、易于加工，因此是混凝土最理想 的增韧增强材料。但是，石墨烯的比表面积大，比表面能高，片与片之间的范德华力高达5. 9 KJ · mol-1，处于热力学不稳定状态，因此，除非石墨烯片之间被分隔得很好，否则这些因素 会导致石墨烯不可逆地团聚形成块状聚集体，甚至重新堆叠成石墨从而丧失其所具有的优 异性能。经化学氧化处理后石墨烯表面含有较多活性官能团，如主要出现在边缘的羧基和 羰基，以及主要出现在平面上的羟基和环氧基团，这为石墨烯的化学改性提供了基础。为 了从根本上改善石墨烯在混凝土中的分散效果，本专利技术采用二元醇化合物，通过迭代反应 在石墨烯表面引入羟基。这一改性方法能显著增强石墨烯片层之间的排斥作用，有效阻止 片层的重新聚集，从而得到具有水溶性的改性石墨烯，在此基础上，将改性石墨烯溶解于水 后，再与其它材料混合均匀，经标养后制备得到新型高韧性混凝土。 专利技术专利ZL 201010266982. 0采用直径为13 μ m、长度为10 mm的短切玄武岩纤 维作为增韧材料，制备得到一种高韧性混凝土，其抗弯强度（28d)为4.3-6. 5MPa。专利技术专 利ZL 201210566338. 4采用聚丙烯腈纤维和钢纤维作为增韧材料，制备得到一种高韧性混 凝土，其最优抗弯强度（28d)为8. 6MPa。专利技术专利ZL 200910187472. 1纤维采用聚乙烯 醇纤维、聚乙烯纤维和芳香族聚酰胺纤维作为增韧材料，制备得到一种高韧性纤维混凝土， 其抗弯强度（28d)为10-20MPa。专利技术专利ZL 201210003519. 6采用聚丙烯纤维或玻璃纤 维作为增韧材料，制备得到一种高韧性混凝土，其最优抗弯强度（28d)为lOMPa。专利技术专 利ZL 200810048960. X采用橡胶粉作为增韧材料，制备得到一种高韧性混凝土，其抗弯强度 (28d)为5. 05-6. 86 MPa。与之比较，本专利技术制备的高韧性混凝土抗弯强度（28d)为18-26 MPa，显著优于相关增韧混凝土制品。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，利用表面带有羟基的水 溶性石墨烯制备高韧性混凝土，所得混凝土在直接拉伸荷载或弯曲荷载作用下都能展示出 显著的应变硬化或变形硬化特征，可用于高铁高架桥、大跨度跨海和跨江大桥的桥面，以及 地铁等各类型隧道拱墙等领域。 为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案： 一种高韧性混凝土，其组成成分及各组分的配比如下： 改性石墨烯0. 2-0. 5 kg/m3 ; 水 150-175 kg/m3 ; 水泥 395-415 kg/m3 ; 粉煤灰 45-60kg/m3 ; 矿渣粉 20-35 kg/m3 ; 碎石 1000-1100kg/m3 ; 细集料 600-700 kg/m3 ; 减水剂 4. 5-7 kg/m3 ; 所述改性石墨烯为表面带有羟基的水溶性石墨烯，其中羟基含量为〇. 005 %_0. 012%。 所述改性石墨烯的制备方法包括以下步骤： 1) 在0-2°C下，将200目的天然鳞片石墨加入到浓硫酸中，搅拌2h ;然后缓慢加入过硫 酸钾和五氧化二磷，20°C下搅拌4 h后，升温到40°C再搅拌24h ;然后缓慢加入80 L水搅拌 2 h，再缓慢加入质量分数为30%的双氧水，得到有亮黄色颗粒物的悬浊液；将亮黄色颗粒物 离心分离，用水洗净后，60°C下真空干燥12 h，得到氧化石墨烯； 2) 将氧化石墨烯加入到10 L氯化亚砜中，80 °C下回流搅拌24 h，然后离心分离，经丙 酮洗净后，室温下真空干燥12 h，得到表面含酰氯基团的石墨烯； 3) 将表面含酰氯基团的石墨烯、1，3_丙二胺分别加入到5 LN，Ν' -二甲基甲酰胺中， 在氮气保护下，80°C下搅拌24 h，然后减压蒸除Ν，Ν' -二甲基甲酰胺，用水洗净后，室温下 真空干燥24 h，得到表面带氨基的石墨烯； 4) 将表面带氨基的石墨烯，三聚氯氰，在0_3°C下分别加入到四氢呋喃中，搅拌反应24 h，然后减压蒸除四氢呋喃，经乙醚洗净后，10_15°C下真空干燥24 h，得到表面含三嗪环的 石墨烯； 5)将表面含三嗪环的石墨烯，在Ν，Ν' -二甲基甲酰胺中搅拌溶解后，40°C下在5-10 h 内将其缓慢滴加到溶解有1，3-丙二醇的Ν，Ν'-二甲基甲酰胺溶液中，滴加完毕后于45°C恒 温反应12-24 h，再升温至90°C恒温反应24-48 h，减压蒸除溶剂，经蒸馏水洗净后，在50°C 下真空干燥24 h，得到所述改性石墨烯。 所述水泥为42. 5级普通硅酸盐水泥； 所述粉煤灰为I级粉煤灰，其比表面积大于400 cm2/g，密度为2. 6-2. 8 g/cm3 ; 所述矿渣粉为S105矿渣粉，其比表面积大于350 cm2/g，密度不小于2. 8 g/cm3 ; 所述碎石采用堆密度为1600-1800 kg/m3、压碎值6-9%、吸水率0. 4-0. 6%的玄武岩碎 石；所述玄武岩碎石由5-10 mm、10-20 mm和20-25 mm的三种分级颗粒组成，其质量百分比 分别为 40%、50%、10% ; 所述细集料为天然河砂，其堆密度为15本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高韧性混凝土，其特征在于：所述高韧性混凝土的组成成分及各组分的配比如下：改性石墨烯 0.2‑0.5 kg/m3； 水 150‑175 kg/m3；水泥 395‑415 kg/m3；粉煤灰 45‑60kg/m3；矿渣粉 20‑35 kg/m3；碎石 1000‑1100kg/m3；细集料 600‑700 kg/m3；减水剂 4.5‑7 kg/m3；所述改性石墨烯为表面带有羟基的水溶性石墨烯，其中羟基含量为0.005 %‑0.012%。
【技术特征摘要】
1. 一种高韧性混凝土，其特征在于：所述高韧性混凝土的组成成分及各组分的配比如 下： 改性石墨烯0. 2-0. 5 kg/m3 ; 水 150-175 kg/m3 ; 水泥 395-415 kg/m3 ; 粉煤灰 45-60kg/m3 ; 矿渣粉 20-35 kg/m3 ; 碎石 1000-1100kg/m3 ; 细集料 600-700 kg/m3 ; 减水剂 4. 5-7 kg/m3 ; 所述改性石墨烯为表面带有羟基的水溶性石墨烯，其中羟基含量为〇. 005 %_0. 012%。2. 根据权利要求1所述高韧性混凝土，其特征在于：所述改性石墨烯的制备方法包括 以下步骤： 1) 在0-2°C下，将200目的天然鳞片石墨加入到浓硫酸中，搅拌2h ;然后缓慢加入过硫 酸钾和五氧化二磷，20°C下搅拌4 h后，升温到40°C再搅拌24h ;然后缓慢加入80 L水搅拌 2 h，再缓慢加入质量分数为30%的双氧水，得到有亮黄色颗粒物的悬浊液；将亮黄色颗粒物 离心分离，用水洗净后，60°C下真空干燥12 h，得到氧化石墨烯； 2) 将氧化石墨烯加入到10 L氯化亚砜中，80 °C下回流搅拌24 h，然后离心分离，经丙 酮洗净后，室温下真空干燥12 h，得到表面含酰氯基团的石墨烯； 3) 将表面含酰氯基团的石墨烯、1，3-丙二胺分别加入到Ν，Ν' -二甲基甲酰胺中，在氮 气保护下，80°C下搅拌24 h，然后减压蒸除Ν，Ν' -二甲基甲酰胺，用水洗净后，室温下真空 干燥24 h，得到表面带氨基的石墨烯； 4) 将表面带氨基的石墨烯，三聚氯氰，在0_3°C下分别加入到四氢呋喃中，搅拌反应24 h，然后减压蒸除四氢呋喃，经乙醚洗净后，10_15°C下真空干燥24 h，得到表面含三嗪环的 石墨烯； 5) 将表面含三嗪环的石墨烯，在Ν，Ν' -二甲基甲酰胺中搅拌溶解后，4...
【专利技术属性】
技术研发人员：蔡思源，蔡慧萍，蔡凤水，毛祥华，蒋国平，
申请(专利权)人：宏峰集团福建有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35
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