专利名称：具有高阻尼性能的水泥材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种水泥材料及制备方法，尤其是一种具有高阻尼性能的水泥材料及其制备方法。
背景技术：
高强、高阻尼复合材料是未来建筑材料发展的一个重要方向，水泥基材料是其中使用最广、用量最大的建筑材料之一。水泥是水硬性胶凝材料，它在各种建筑工程中都有着极广的应用，如水利、房屋、道桥、海洋开发等，常用来制备混凝土、砂浆及水泥混凝土制品。 而高阻尼水泥材料可以消耗传入其内部的振动能量，减轻台风、地震、风振、爆炸冲击等所引起的振动损伤，显著提高建筑物的抗地质灾害能力。为此，人们试图通过在水泥基材料中添加一些物料来提高水泥的阻尼性能，如2009年《混凝土》杂志第6期(总第236期)第 7 9页报道了题为“水泥基阻尼材料的研究进展”的文章。该文公开了普通水泥基材料 (主要由水泥、粗骨料、细骨料、水、外加剂五部分组成)、橡胶颗粒及橡胶粉、乳液、纤维、界面改性对水泥基材料阻尼性能的影响。由该文章可知，这些物料的添加虽有助于水泥基材料阻尼性能的提高，却同时是以牺牲其刚度和强度为代价的。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种在不降低其强度的同时还具有高阻尼性能的水泥材料。本发明要解决的另一个技术问题为提供一种具有高阻尼性能的水泥材料的制备方法。为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为具有高阻尼性能的水泥材料由水泥和添加物组成，特别是，所述水泥与所述添加物间的重量比为1 0. 1 0. 8 ；所述添加物为具有La3_xAxLi5+sTa2_YBY012化学式组成的钽酸镧锂基陶瓷颗粒，化学式中的A为镧位掺杂物，其为钡(Ba)或钙(Ca)或钾(K)或稀土元素，χ为0 1. 25，B为钽位掺杂物，其为铟(In)或钒(V)或铋(Bi)或铌(Nb)或钨(W)或碲(Te)，y为0 1. 25 ；所述钽酸镧锂基陶瓷颗粒的粒径为1 1. 5 μ m。作为具有高阻尼性能的水泥材料的进一步改进，所述的稀土元素为镨，或钕，或 乙，或铺，或衫，或为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为具有高阻尼性能的水泥材料的制备方法包括固相反应法，特别是完成步骤如下步骤1，先按照La3_xAxLi5+sTa2_YBY012的成分比，称取相应量的镧、锂、钽、镧位掺杂物和/或钽位掺杂物的氧化物或碳酸盐，将其球磨至少12h后风干，得到粉末状混合物，再将粉末状混合物置于650 750°C下预烧至少6h，得到中间产物；步骤2，待中间产物自然冷却后，先将其球磨至少12h后风干，得到粉末状中间产物，再将粉末状中间产物置于900 1050°C下烧结至少12h，得到钽酸镧锂基陶瓷颗粒；步骤3，将钽酸镧锂基陶瓷颗粒与水泥按照所需的重量比例混合均勻，制得具有高阻尼性能的水泥材料。作为具有高阻尼性能的水泥材料的制备方法的进一步改进，所述的稀土元素为镨，或钕，或钇，或铈，或钐，或钆；所述的将粉末状混合物升温至650 750°C时的升温速率为1 10°C /min ；所述的水泥为普通硅酸盐水泥，或硅酸盐水泥，或矿渣硅酸盐水泥，或火山灰硅酸盐水泥，或粉煤灰硅酸盐水泥。相对于现有技术的有益效果是，其一，对得到的添加物——钽酸镧锂基陶瓷颗粒分别使用扫描电镜和X射线衍射仪进行表征，由其结果可知，钽酸镧锂基陶瓷颗粒的粒径为1 1. 5μπι，其由化学式为La3_xAxLi5+sTa2_YBY012的物质构成，化学式中的A为镧位掺杂物，其为钡或钙或钾或稀土元素，χ为0 1. 25，B为钽位掺杂物，其为铟或钒或铋或铌或钨或碲，y为0 1. 25 ；其中的稀土元素为镨，或钕，或钇，或铈，或钐，或钆；其二，对制得的产物使用X射线衍射仪进行表征，由其结果可知，水泥与钽酸镧锂基陶瓷颗粒间没有发生任何化学反应，即钽酸镧锂基陶瓷颗粒的加入不会对水泥自身的性能产生任何影响；其三，分别对纯水泥和产物使用倒扭摆内耗仪和电子万能试验机进行表征，由其结果可知，产物的内耗峰值处的阻尼约为纯水泥的三倍。产物的抗压强度和抗弯强度与纯水泥相比，均有不同程度的提高，其中的抗压强度的提高幅度较大。测试时的条件为，分别将纯水泥和产物制作成相同尺寸的用于测试抗压强度的柱状测试样品及用于测试抗弯强度和阻尼性能的条状测试样品；其中，产物测试样品的制作为先按照水泥与钽酸镧锂基陶瓷颗粒间的重量比为1 0.1 0.8的比例称量后混合均勻，再按照水灰比为0.3 0.6调配浆料，随后，将浆料分别注入柱状和条状模具中，使其在10 600MPa的压强下保压30 1440min后，脱模得到柱状和条状的产物测试样品。纯水泥测试样品的制作为直接将水泥按照水灰比为0. 3 0. 6调配浆料，其余步骤与产物测试样品的制作完全一样。不论是产物测试样品，还是纯水泥测试样品，均为将脱模后的测试样品置于水中养护至28天后，才进行相应的测试；其四， 制备方法简便易行，适于工业化生产。作为有益效果的进一步体现，一是稀土元素优选为镨，或钕，或钇，或铈，或钐，或钆，水泥优选为普通硅酸盐水泥，或硅酸盐水泥，或矿渣硅酸盐水泥，或火山灰硅酸盐水泥， 或粉煤灰硅酸盐水泥，除使稀土元素和水泥均有较大选择的余地之外，也使制备工艺更易实施且灵活；二是将粉末状混合物升温至650 750°C时的升温速率优选为1 10°C /min, 利于确保钽酸镧锂基陶瓷颗粒的品质和质量的稳定。
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。图1是分别对纯水泥、产物和钽酸镧锂基陶瓷颗粒使用X射线衍射(XRD)仪进行表征的结果之一 ；XRD谱图中的曲线a为纯水泥的谱线，曲线b为产物中的水泥与钽酸镧锂基陶瓷颗粒间的重量比为1 0.4时的谱线，曲线c为钽酸镧锂基陶瓷颗粒的谱线。由XRD 谱图可看出，水泥和加入的钽酸镧锂基陶瓷颗粒间没有发生化学反应。图2是分别将纯水泥和产物制作成相同尺寸的条状测试样品后，再将其置于计算机自动控制的倒扭摆内耗仪上使用强迫振动的方式进行测量的结果之一。图中的曲线a为纯水泥测试样品的阻尼曲线，曲线b、曲线c和曲线d为产物测试样品的阻尼曲线；其中，测试时的振动频率为1Hz，钽酸镧锂基陶瓷颗粒由化学式为La3Li5Ta2O12的物质构成，具有曲线b特性的产物中的水泥与钽酸镧锂基陶瓷颗粒间的重量比为1 0.12，具有曲线c特性的产物中的水泥与钽酸镧锂基陶瓷颗粒间的重量比为1 0.4，具有曲线d特性的产物中的水泥与钽酸镧锂基陶瓷颗粒间的重量比为1 0.65。由图2中的曲线可看出，纯水泥的室温阻尼(内耗)只有0. 005左右，而且随温度单调增加；产物在室温附近阻尼有很明显的提高，出现了内耗峰，其峰值处的阻尼高达0. 015，为纯水泥的三倍左右。图3是将产物的条状测试样品置于计算机自动控制的倒扭摆内耗仪上使用强迫振动的方式进行测量的结果之一。图中的曲线a为测试时的振动频率为1Hz，曲线b为测试时的振动频率为2Hz，曲线c为测试时的振动频率为4Hz ；其中，产物中的水泥与钽酸镧锂基陶瓷颗粒间的重量比为1 0.65，钽酸镧锂基陶瓷颗粒由化学式为La3Li5Ta2O12W物质构成。由图3中的曲线可看出，在近室温处有明显的内耗峰出现，如振动频率为IHz时，峰高在0.015以上；内耗峰的位置随着振动频率的增加而移向高温，表现为弛豫特征，说明此内耗峰来源于钽酸镧锂基陶瓷颗粒中点缺陷的弛豫过程。图4是对含有不同钽酸镧锂基陶瓷颗粒重量比的产物的条状和柱状测试样品使用微机控制的电子万能试验机进行测量的结果之一。图中的曲线a为产物的条状测试样品的抗弯强度曲线，曲线b为产物的柱状测试样品的抗压强度曲线；其中，钽酸镧锂基陶瓷颗粒由化学式为La3Li5Ta2O12的物质构成，水泥与钽酸镧锂基陶瓷颗粒间的重量比为1 0 0. 65，此点反映在图4的横坐标上，以产物中含有钽酸镧锂基陶瓷颗粒的重量百分比为0 25%来表示。由图4中的曲线a和曲线b可看出，产物的抗弯强度由纯水泥的2IMPa上升到23MPa ；抗压强度有明显的提高，由纯水泥的81MPa上升到105MPa，与纯水泥相比产物的抗压强度提高了 30%以上。
具体实施例方式首先从市场购得或用常规方法制得镧、锂、钽的氧化物或碳酸盐；作为镧位掺杂物的钡、钙、钾和稀土元素的氧化物或碳酸盐，其中的稀土元素为镨、钕、钇、铈、钐和钆；作为钽位掺杂物的铟、钒、铋、铌、钨和碲的氧化物或碳酸盐；以及作为水泥的普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥。接着，实施例1制备的具体步骤为步骤1，先按照La3_xAxLi5+sTa2_YBY012的成分比，称取相应量的镧、锂、钽、镧位掺杂物和/或钽位掺杂物的氧化物或碳酸盐，化学式中的A为镧位掺杂物、B为钽位掺杂物，因 X、y现取值均为0，即镧位和钽位均不掺杂；故只需先按照La3Li5Ta2O12的成分比，称取相应量的镧、锂、钽的氧化物或碳酸盐，将其球磨12h后风干，得到粉末状混合物。再将粉末状混合物置于650°C下预烧8h ；其中，将粉末状混合物升温至650°C时的升温速率为1°C /min, 得到中间产物。步骤2，待中间产物自然冷却后，先将其球磨12h后风干，得到粉末状中间产物。再将粉末状中间产物置于900°C下烧结14h，得到如图1中的曲线c所示的粒径为1. 5μπι的
钽酸镧锂基陶瓷颗粒。步骤3，将钽酸镧锂基陶瓷颗粒与水泥按照0. 1 1的重量比例混合均勻；其中， 水泥为普通硅酸盐水泥。制得近似于图1中的曲线b所示，由其制作的测试样品的曲线近似于图2中的曲线b和图3中的曲线所示、如图4中的曲线所示的具有高阻尼性能的水泥材料。实施例2制备的具体步骤为步骤1，先按照La3_xAxLi5+sTa2_YBY012的成分比，称取相应量的镧、锂、钽、镧位掺杂物和/或钽位掺杂物的氧化物或碳酸盐，化学式中的A为镧位掺杂物、B为钽位掺杂物，因 X、y现取值均为0，即镧位和钽位均不掺杂；故只需先按照La3Li5Ta2O12的成分比，称取相应量的镧、锂、钽的氧化物或碳酸盐，将其球磨13h后风干，得到粉末状混合物。再将粉末状混合物置于680°C下预烧7. 5h ；其中，将粉末状混合物升温至680°C时的升温速率为3°C / min，得到中间产物。步骤2，待中间产物自然冷却后，先将其球磨13h后风干，得到粉末状中间产物。再将粉末状中间产物置于940°C下烧结13. 5h，得到如图1中的曲线c所示的粒径为1.4μπι 的钽酸镧锂基陶瓷颗粒。步骤3，将钽酸镧锂基陶瓷颗粒与水泥按照0. 12 1的重量比例混合均勻；其中， 水泥为普通硅酸盐水泥。制得近似于图1中的曲线b所示，由其制作的测试样品的曲线如图2中的曲线b和近似于图3中的曲线所示、如图4中的曲线所示的具有高阻尼性能的水泥材料。实施例3制备的具体步骤为步骤1，先按照La3_xAxLi5+sTa2_YBY012的成分比，称取相应量的镧、锂、钽、镧位掺杂物和/或钽位掺杂物的氧化物或碳酸盐，化学式中的A为镧位掺杂物、B为钽位掺杂物，因 X、y现取值均为0，即镧位和钽位均不掺杂；故只需先按照La3Li5Ta2O12的成分比，称取相应量的镧、锂、钽的氧化物或碳酸盐，将其球磨14h后风干，得到粉末状混合物。再将粉末状混合物置于700°C下预烧7h ；其中，将粉末状混合物升温至700°C时的升温速率为5°C /min, 得到中间产物。步骤2，待中间产物自然冷却后，先将其球磨14h后风干，得到粉末状中间产物。再将粉末状中间产物置于980°C下烧结13h，得到如图1中的曲线c所示的粒径为1. 3μπι的钽酸镧锂基陶瓷颗粒。步骤3，将钽酸镧锂基陶瓷颗粒与水泥按照0. 4 1的重量比例混合均勻；其中， 水泥为普通硅酸盐水泥。制得如图1中的曲线b所示，由其制作的测试样品的曲线如图2 中的曲线c和近似于图3中的曲线所示、如图4中的曲线所示的具有高阻尼性能的水泥材料。实施例4制备的具体步骤为步骤1，先按照La3_xAxLi5+sTa2_YBY012的成分比，称取相应量的镧、锂、钽、镧位掺杂物和/或钽位掺杂物的氧化物或碳酸盐，化学式中的A为镧位掺杂物、B为钽位掺杂物，因 X、y现取值均为0，即镧位和钽位均不掺杂；故只需先按照La3Li5Ta2O12的成分比，称取相应量的镧、锂、钽的氧化物或碳酸盐，将其球磨15h后风干，得到粉末状混合物。再将粉末状混合物置于730°C下预烧6. 5h ；其中，将粉末状混合物升温至730°C时的升温速率为8V / min，得到中间产物。步骤2，待中间产物自然冷却后，先将其球磨15h后风干，得到粉末状中间产物。再将粉末状中间产物置于1030°C下烧结12. 5h，得到如图1中的曲线c所示的粒径为1. 15μπι 的钽酸镧锂基陶瓷颗粒。步骤3，将钽酸镧锂基陶瓷颗粒与水泥按照0. 65 1的重量比例混合均勻；其中， 水泥为普通硅酸盐水泥。制得近似于图1中的曲线b所示，由其制作的测试样品的曲线如图2中的曲线d和图3中的曲线所示、如图4中的曲线所示的具有高阻尼性能的水泥材料。实施例5制备的具体步骤为步骤1，先按照La3_xAxLi5+sTa2_YBY012的成分比，称取相应量的镧、锂、钽、镧位掺杂物和/或钽位掺杂物的氧化物或碳酸盐，化学式中的A为镧位掺杂物、B为钽位掺杂物，因 X、y现取值均为0，即镧位和钽位均不掺杂；故只需先按照La3Li5Ta2O12的成分比，称取相应量的镧、锂、钽的氧化物或碳酸盐，将其球磨16h后风干，得到粉末状混合物。再将粉末状混合物置于750°C下预烧6h ；其中，将粉末状混合物升温至750°C时的升温速率为10°C /min, 得到中间产物。步骤2，待中间产物自然冷却后，先将其球磨16h后风干，得到粉末状中间产物。再将粉末状中间产物置于1050°C下烧结12h，得到如图1中的曲线c所示的粒径为Iym的钽酸镧锂基陶瓷颗粒。步骤3，将钽酸镧锂基陶瓷颗粒与水泥按照0. 8 1的重量比例混合均勻；其中， 水泥为普通硅酸盐水泥。制得近似于图1中的曲线b所示，由其制作的测试样品的曲线近似于图2中的曲线d和图3中的曲线所示、如图4中的曲线所示的具有高阻尼性能的水泥材料。再分别选用镧位掺杂物为钡或钙或钾或稀土元素的氧化物或碳酸盐，其中的稀土元素为镨或钕或钇或铈或钐或钆，钽位掺杂物为铟或钒或铋或铌或钨或碲的氧化物或碳酸盐，按照化学式La3_xAxLi5+sTa2_YBY012来进行镧位掺杂或钽位掺杂或双位掺杂，化学式中的A 为镧位掺杂物，χ为0 1. 25，B为钽位掺杂物，y为0 1. 25，同样得到了近似于图1中的曲线c所示的粒径为1 1. 5 μ m的具有La3_xAxLi5+sTa2_YBY012化学式的钽酸镧锂基陶瓷颗粒；以及选用作为水泥的普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥或火山灰硅酸盐水泥或粉煤灰硅酸盐水泥；重复上述实施例1 5，同样制得了如或近似于图1中的曲线b 所示，由其制作的测试样品的曲线如或近似于图2中的曲线和图3中的曲线所示、如图4中的曲线所示的具有高阻尼性能的水泥材料。显然，本领域的技术人员可以对本发明的具有高阻尼性能的水泥材料及其制备方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种具有高阻尼性能的水泥材料，由水泥和添加物组成，其特征在于所述水泥与所述添加物间的重量比为1 0. 1 0. 8 ；所述添加物为具有La3_xAxLi5+sTa2_YBY012化学式组成的钽酸镧锂基陶瓷颗粒，化学式中的A为镧位掺杂物，其为钡或钙或钾或稀土元素，χ为0 1. 25，B为钽位掺杂物，其为铟或钒或铋或铌或钨或碲，y为0 1. 25 ；所述钽酸镧锂基陶瓷颗粒的粒径为1 1. 5 μ m。
2.根据权利要求1所述的具有高阻尼性能的水泥材料，其特征是稀土元素为镨，或钕， 或 乙，或铺，或衫，或轧ο
3.—种权利要求1所述具有高阻尼性能的水泥材料的制备方法，包括固相反应法，其特征在于完成步骤如下步骤1，先按照La3_xAxLi5+sTa2_YBY012的成分比，称取相应量的镧、锂、钽、镧位掺杂物和/ 或钽位掺杂物的氧化物或碳酸盐，将其球磨至少12h后风干，得到粉末状混合物，再将粉末状混合物置于650 750°C下预烧至少6h，得到中间产物；步骤2，待中间产物自然冷却后，先将其球磨至少12h后风干，得到粉末状中间产物，再将粉末状中间产物置于900 1050°C下烧结至少12h，得到钽酸镧锂基陶瓷颗粒；步骤3，将钽酸镧锂基陶瓷颗粒与水泥按照所需的重量比例混合均勻，制得具有高阻尼性能的水泥材料。
4.根据权利要求3所述的具有高阻尼性能的水泥材料的制备方法，其特征是稀土元素为镨，或钕，或钇，或铈，或钐，或钆。
5.根据权利要求3所述的具有高阻尼性能的水泥材料的制备方法，其特征是将粉末状混合物升温至650 750°C时的升温速率为1 10°C /min。
6.根据权利要求3所述的具有高阻尼性能的水泥材料的制备方法，其特征是水泥为普通硅酸盐水泥，或硅酸盐水泥，或矿渣硅酸盐水泥，或火山灰硅酸盐水泥，或粉煤灰硅酸盐水泥。
全文摘要
本发明公开了一种具有高阻尼性能的水泥材料及其制备方法。材料为水泥与添加物间的重量比为1∶0.1～0.8，添加物为具有La3-XAXLi5+δTa2-YBYO12化学式组成的钽酸镧锂基陶瓷颗粒，化学式中的A为镧位掺杂物，x为0～1.25，B为钽位掺杂物，y为0～1.25，钽酸镧锂基陶瓷颗粒的粒径为1～1.5μm；方法为先按照La3-XAXLi5+δTa2-YBYO12的成分比，称取相应量的镧、锂、钽、镧位掺杂物和/或钽位掺杂物的氧化物或碳酸盐，将其球磨并风干后置于650～750℃下预烧，得中间产物，接着，先将中间产物球磨并风干，再将其置于900～1050℃下烧结，得钽酸镧锂基陶瓷颗粒，随后，将其与水泥按照所需的重量比例混合均匀，制得具有高阻尼性能的水泥材料。它与纯水泥相比，其在强度提高的同时，阻尼性能提高了约三倍。
文档编号C04B28/00GK102219443SQ201010150179
公开日2011年10月19日 申请日期2010年4月15日 优先权日2010年4月15日
发明者方前锋, 王伟国, 王先平, 胡菁, 阚志鹏, 高云霞 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院