一种石墨烯/纤维复合材料改性的混凝土及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种石墨烯/纤维复合材料改性的混凝土，其含有石墨烯/聚合物纤维复合材料。本发明专利技术将石墨烯/聚合物纤维复合材料作为混凝土的改性剂，能够使石墨烯均匀分散在混凝土中，解决了石墨烯在块体材料中易团聚的问题。本发明专利技术制备的改性混凝土的机械性能，包括耐冲击性、拉伸性能和弯曲性能大大提高。作为建筑用料质量良好、成分均匀、易于产业化。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯/纤维复合材料改性的混凝土及其制备方法
本专利技术涉及复合材料
，具体涉及一种石墨烯/纤维复合材料改性的混凝土，以及该改性混凝土的制备方法。
技术介绍
混凝土广泛地应用于工业与民用建筑、桥梁、港口等土木工程领域。据报道，自2011以来全世界年均生产36亿吨水泥，其中百分之五十五以上来自中国。混凝土具有较高抗压强度，但具有高脆性、抗拉强度低、延性与韧性较差、易开裂和低抗渗透性能，在机械荷载和环境荷载等因素的共同作用下，其耐久性能降低，结构提前破坏或失效。同时，绿色及可持续发展是时代的必然，大量使用混凝土，需要生产大量水泥，严重影响环境。世界各国科学家开展了广泛的研究，寻求解决这些问题的方法和途径。目前主要通过降低水灰比、添加纤维和添加微细矿物质成分等方式对混凝土进行改性。然而，上述添加成分无法从根本上改善凝胶微观结构，因而对提高混凝土强度和耐久性的作用有限。石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，例如高抗拉强度、大比例表面积和大的表面积。由于石墨烯表面存在褶皱，能够与水泥凝胶产生了机械自锁，石墨烯与混凝土内部裂纹之间的强共同作用抑制了裂纹的扩展。因此石墨烯促进了水泥水化以及强界面作用力的形成，从根本上提高混凝土的抗拉强度、抗折强度、抗压强度等。同时，适当掺入石墨烯改善了混凝土的微观孔结构，提高普通混凝土抗氯离子渗透、抗碳化和抗冻性能等。但是目前，难以解决石墨烯在混凝土中的分散问题。鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种石墨烯/纤维复合材料改性的混凝土。本专利技术的第二目的在于提供该改性混凝土的制备方法。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：本专利技术涉及一种石墨烯/纤维复合材料改性的混凝土，其含有石墨烯/聚合物纤维复合材料。优选地，所述石墨烯/聚合物纤维复合材料在所述改性混凝土中的质量百分含量为0.5％～5％。优选地，所述聚合物纤维选自聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇纤维中的至少一种。优选地，所述改性混凝土由以下重量份的原料制备得到：优选地，所述硅酸盐水泥为强度等级52.5或以上的硅酸盐水泥。优选地，所述工业废渣选自硅灰、矿渣、粉煤灰、高岭土、沸石粉和尾矿粉中的至少一种。优选地，所述减水剂为减水率不小于35％的减水剂。优选地，所述消泡剂为有机硅液体和/或聚二甲基硅氧烷。优选地，所述细骨料选自粒径小于2.5mm的黄砂、石英砂和尾砂中的至少一种。优选地，所述石墨烯/聚合物纤维复合材料通过以下方法制备得到：[1]将石墨粉与硝酸钠混合，得到混合物；[2]在冰水浴中，向浓硫酸中加入步骤[1]得到的混合物，搅拌混合后加入高锰酸钾；[3]将步骤[2]得到的反应体系从冰水浴中移除，并升温至35℃，保温30～50min；[4]向步骤[3]得到的反应体系加入双氧水溶液，反应2小时后过滤，将滤渣烘干得到氧化石墨烯；[5]将所述氧化石墨烯分散在水中后，加入聚合物纤维后进行水热反应，反应结束后得到石墨烯/聚合物纤维复合材料。优选地，步骤[1]和步骤[2]中，石墨粉、硝酸钠、浓硫酸、高锰酸钾的加入比例为(1～2g)：(1～2g)：(20～25ml)：(2～3g)。优选地，步骤[5]中，氧化石墨烯与聚合物纤维的质量比为(20～30):(70～80)，水热反应的条件为150～200℃下反应6～12小时。本专利技术还涉及所述改性混凝土的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)将硅酸盐水泥、工业废渣和细骨料混合均匀，得到混合物；(2)将减水剂和消泡剂溶解在水中，得到混合溶液；(3)将步骤(2)得到的混合溶液加入到步骤(1)得到的混合物内，搅拌混合均匀后，加入石墨烯/聚合物纤维复合材料，继续搅拌混合均匀后，得到改性混凝土；(4)将所述改性混凝土浇筑在模具中，振实成型后进行养护。本专利技术的有益效果：本专利技术将石墨烯/聚合物纤维复合材料作为混凝土的改性剂。其中，聚合物纤维既具有增韧的作用，又可以作为石墨烯的载体，解决了石墨烯在混凝土中的分散性问题。石墨烯可以提高混凝土内部的导电性，也可以作为纳米粒子填充在混凝土的内部缝隙中，提高了混凝土的整体强度。本专利技术制备的改性混凝土的机械性能，包括耐冲击性、拉伸性能和弯曲性能大大提高。作为建筑用料质量良好、成分均匀、易于产业化。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本专利技术所保护的范围。本专利技术实施例涉及一种石墨烯/纤维复合材料改性的混凝土，在改性混凝土中含有石墨烯/聚合物纤维复合材料，能够提高混凝土的机械性能。在本专利技术的一个实施例中，石墨烯/聚合物纤维复合材料在改性混凝土中的质量百分含量为0.5％～5％。在本专利技术的一个实施例中，聚合物纤维选自聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇纤维中的至少一种。上述纤维为束状的合成纤维，拉开后呈网络状，也可以切成长度为10～60mm的纤维段使用。上述聚合物纤维能有效地控制混凝土/砂浆塑性收缩、干缩、温度变化等因素引起的微裂纹，防止及抑制混凝土原生裂缝的形成和发展，大大改善混凝土/砂浆的防裂抗渗性能、抗冲磨性能，增加混凝土的韧性，从而提高混凝土的使用寿命。在本专利技术的一个实施例中，改性混凝土由以下重量份的原料制备得到：进一步地，使用的硅酸盐水泥为强度等级≥52.5的硅酸盐水泥。进一步地，使用的工业废渣选自硅灰、矿渣、粉煤灰、高岭土、沸石粉和尾矿粉中的至少一种，上述工业废渣的粒径在微米级。加入工业废渣不仅可以变废为宝，降低硅酸盐水泥的用量，还能够缩短混凝土的凝结时间，提高其抗压和抗折强度。进一步地，使用的减水剂为减水率不小于35％的减水剂。在水泥用量不变的条件下，减水剂能够减少拌合用水量，提高混凝土强度。按材料分包括木质素磺酸盐类减水剂、多环芳香族盐类减水剂和水溶性树脂磺酸盐类减水剂。进一步地，使用的消泡剂为有机硅液体和/或聚二甲基硅氧烷。使用消泡剂可以有效控制水泥砂浆体系内泡沫的产生，使混凝土构件更加致密光亮。有助于载体和起泡体系的结合和抑制泡沫生成，且可以降低成本。进一步地，使用的细骨料选自粒径小于2.5mm的黄砂、石英砂和尾砂中的至少一种。细骨料是与粗骨料相对的建筑材料，为粒径通常在4.75mm以下的粒状松散材料。细骨料在混凝土中起到骨架或填充作用。由于石墨烯具有高的比表面积、突出的导热性能和力学性能及其非凡的电子传递性能等一系列优异的性质，如果将石墨烯作为润滑型材料掺入混凝土中，可以降低其内部的摩擦系数，有效提高其强度、韧度、耐磨性及抗腐蚀性。然而由于层间范德华力的作用导致石墨烯很容易发生团聚甚至堆叠，因而失去超大比表面积和二维结构所具有的优势。申请人研究发现，如果将石墨烯与聚合物纤维进行复合，再将得到的石墨烯/聚合物纤维复合材料作为混凝土的添加剂，可以改善石墨烯在混凝土中的分散性，发挥石墨烯的界面作用。在本专利技术的一个实施例中，石墨烯/聚合物纤维复合材料通过以下方法制备得到：[1]将石墨粉与硝酸钠混合，得到混合物。[2]在冰水浴中，向浓硫酸中加入步骤[1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯/纤维复合材料改性的混凝土，其特征在于，其含有石墨烯/聚合物纤维复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/纤维复合材料改性的混凝土，其特征在于，其含有石墨烯/聚合物纤维复合材料。2.根据权利要求1所述的改性混凝土，其特征在于，所述石墨烯/聚合物纤维复合材料在所述改性混凝土中的质量百分含量为0.5％～5％。3.根据权利要求1所述的改性混凝土，其特征在于，所述聚合物纤维选自聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇纤维中的至少一种。4.根据权利要求1所述的改性混凝土，其特征在于，所述改性混凝土由以下重量份的原料制备得到：5.根据权利要求4所述的改性混凝土，其特征在于，所述工业废渣选自硅灰、矿渣、粉煤灰、高岭土、沸石粉和尾矿粉中的至少一种。6.根据权利要求4所述的改性混凝土，其特征在于，所述细骨料选自粒径小于2.5mm的黄砂、石英砂和尾砂中的至少一种。7.根据权利要求1所述的改性混凝土，其特征在于，所述石墨烯/聚合物纤维复合材料通过以下方法制备得到：[1]将石墨粉与硝酸钠混合，得到混合物；[2]在冰水浴中，向浓硫酸中加入步骤[1]得到的混合物，搅拌混合后加入高锰酸钾；[3]将步骤[2]得到的反应体系从冰水浴中移除，并升温至35℃，保温30～50min；[...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭思瑶，乔晓立，聂蕊，金祖权，王鹏刚，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37