具备压阻效应的石墨烯纳米片改性水泥基材料及制备方法与流程

本发明涉及水泥基材料制备领域，特别涉及一种具备压阻效应的石墨烯纳米片改性水泥基材料及制备方法。

背景技术：

现如今大量基础设施建设仍在持续进行，因此，水泥基材料的需求量必将进一步增加。以穿越长江隧道或跨越长江大桥的高速铁路和轨道交通等一大批已经建成、正在兴建或后期将持续建设的涉及国计民生的重大土木工程为例，这些超级基础建设工程皆主要采用大体量的水泥基材料，其严酷的使用环境对混凝土提出了更高的性能要求。由于在不断循环的加、卸载过程中混凝土结构容易发生突发性破坏，造成重大的财产损失和人员伤亡，因此，在兼顾改善水泥基材料常规性能的同时，对水泥混凝土结构的安全性进行实时、方便和有效的监测是当前和未来水泥基材料可持续发展过程中面临的最重要挑战之一。

早期，通常采用在混凝土内预埋传感器(如光纤、压电陶瓷等)对混凝土结构进行监测。然而，在材料内部预埋传感器易引起应力集中而降低材料的力学性能，这显然不符合高性能水泥基材料改性的初衷。因此，开发自身具有压阻特性的机敏性水泥混凝土材料，使混凝土结构无须借助额外传感器件即可实现智能化应用，成为混凝土结构监测的发展方向。近年来，材料物理与化学等交叉学科的发展极大地促进了机敏性水泥基机材料的研究进程。尤其是随着纳米材料的发展和水泥混凝土日益增加的功能需求，诸如纳米碳纤维、碳纳米管和氧化石墨烯等先进的纳米材料被用于水泥基体中以制备具有自诊断、自调节、自适应或自修复等功能的智能水泥基复合材料，并取得了较丰富的研究成果。但研究表明，受制于上述材料在导电性能、物理力学性能或与水泥基体间的结合问题等多种因素，目前水泥基材料在同时改善其压敏特性和力学性能以及工程智能化应用等方面还有较大提升空间。

此外，目前采用纳米材料改性水泥基材料使其具备压阻效应的应用中存在着如下问题：第一，纳米材料不能形成均匀的分散体系；第二，为了获得良好的压阻效应需要添加较大掺量的纳米材料，这对水泥基材料的其它综合性能以及经济性均非常不利，但当降低纳米材料掺量后又不能获得理想的压阻效应效果；第三，部分纳米改性材料虽然能提高水泥基材料的压阻效应，但对其力学强度等性能有不利影响。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的一个目的在于提供一种具备压阻效应的石墨烯纳米片改性水泥基材料，该水泥基材料不仅具备良好的压阻效应，还具有较高的力学强度。

本发明的另一个目的在于提供上述改性水泥基材料的制备方法，该方法操作过程简单、可靠。

为了实现上述第一个目的，本发明采用以下的技术方案：

一种具备压阻效应的石墨烯纳米片改性水泥基材料，其为聚丙烯酸酯水溶液、石墨烯纳米片、聚羧酸减水剂、减缩剂、消泡剂、水、水泥和粉煤灰按如下重量份制备而成：聚丙烯酸酯为0.1～0.24重量份；石墨烯纳米片为0.02～0.3重量份；聚羧酸减水剂为0.12～0.6重量份；减缩剂为0.3～2重量份；消泡剂为0.18～2重量份；水为12～22重量份；水泥为40～60重量份；粉煤灰为20～45重量份，且各配料之和为100重量份。

优选地，所述聚丙烯酸酯水溶液的浓度为40～50％。

优选地，所述石墨烯纳米片的表面积为320～360m²/g的石墨烯纳米片，尺寸为20～200nm。在其尺寸超过100nm时，严格意义上不应该再称为石墨烯纳米片，而应该称为石墨烯次微米片，为了方便，在这里，将其统称为石墨烯纳米片。

优选地，所述水泥为普通硅酸盐水泥，粉煤灰为二级粉煤灰。

为了实现上述第二个目的，本发明采用以下的技术方案：

一种具备压阻效应的石墨烯纳米片改性水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：

1)按配料比例称取聚丙烯酸酯水溶液、石墨烯纳米片、聚羧酸减水剂、减缩剂、消泡剂、水、水泥和粉煤灰，备用；

2)将聚丙烯酸酯水溶液和石墨烯纳米片加入水中，将混合物置于冰水浴环境中并采用超声波处理2～6h得到分散均匀、稳定的石墨烯纳米片悬浮液；

3)采用搅拌机将水泥和粉煤灰搅拌均匀，依次将石墨烯纳米片悬浮液、聚羧酸减水剂、减缩剂、消泡剂加入至搅拌器中，按“低速搅拌20～40s，再高速搅拌2～5min，低速搅拌20～40s”的方案搅拌获得均匀的水泥浆体，然后经过养护即可得到本发明的具备压阻效应的石墨烯纳米片改性水泥基材料。

优选地，所述步骤2)中超声波处理时间为3～5h。

本领域的人员公知石墨烯纳米片具有超强的导电性能和力学性能，但同时，石墨烯纳米片有具有容易团聚的特点。本发明的发明人经过长期的研究发现，利用聚丙烯酸酯水溶液作为分散剂，辅以超声波处理手段，能够得到均匀、稳定的石墨烯纳米片悬浮液；并且，该石墨烯纳米片溶液能够使石墨烯纳米片在制备水泥基材料时继续保持均匀分散的状态，并使制备得到的水泥基材料具备良好的压阻效应，同时还具有良好的力学性能。一方面解决了为提高压阻效应而需要添加大剂量的改性材料而造成的分散均匀性和经济性差的问题；另一方面达到了同时提高水泥基材料压阻效应和增强效果的目标。

附图说明

图1为本发明实施例A1～5制备的石墨烯纳米片改性水泥基材料及对照例A0制备的水泥基材料的抗压强度测试结果比较图。

图2为本发明实施例A1～5制备的石墨烯纳米片改性水泥基材料及对照例A0制备的水泥基材料的抗折强度测试结果比较图。

图3为本发明实施例A1～5制备的石墨烯纳米片改性水泥基材料实施例及对照例A0制备的水泥基材料在不同应力水平下的电阻测试结果比较图。

图4为本发明实施例A6制备的石墨烯纳米片悬浮液在静置6h后的状态图。

图5为本发明实施例A6制备的石墨烯纳米片悬浮液在静置24h后的状态图。

具体实施方式

为了更好地阐述本发明，下面结合实施例和附图进一步叙述本发明的内容，但本发明并不仅仅局限于下面的实施例。

对照例A0：

聚羧酸减水剂：减缩剂：消泡剂：水：普通硅酸盐水泥：二级粉煤灰＝0.12份：0.38份：0.2份：16.3份：45份：38份。

首先，按配料比例称取聚羧酸减水剂、减缩剂、消泡剂、水、普通硅酸盐水泥和二级粉煤灰，备用。然后，采用搅拌机将水泥和粉煤灰搅拌均匀，依次将聚羧酸减水剂、减缩剂、消泡剂和水加入至搅拌器中，按“低速搅拌30s、高速搅拌3min、低速搅拌30s”的方案搅拌获得均匀的水泥浆体，并养护成型。

实施例A1：

聚丙烯酸酯水溶液：石墨烯纳米片、聚羧酸减水剂、减缩剂、消泡剂、水、水泥：粉煤灰＝0.1份：0.025份：0.12份：0.38份：0.2份：16.175份：45份：38份。

实施例A2：

聚丙烯酸酯水溶液、石墨烯纳米片、聚羧酸减水剂、减缩剂、消泡剂、水、水泥：粉煤灰＝0.12份：0.03份：0.2份：0.8份：0.5份：16.35份：40份：42份。

实施例A3：

聚丙烯酸酯水溶液、石墨烯纳米片、聚羧酸减水剂、减缩剂、消泡剂、水、水泥：粉煤灰＝0.15份：0.055份：0.2份：0.8份：0.5份：18.295份：50份：30份。

实施例A4：

聚丙烯酸酯水溶液、石墨烯纳米片、聚羧酸减水剂、减缩剂、消泡剂、水、水泥：粉煤灰＝0.2份：0.085份：0.3份：1.2份：0.8份：17.415份：55份：25份。

实施例A5：

聚丙烯酸酯水溶液、石墨烯纳米片、聚羧酸减水剂、减缩剂、消泡剂、水、水泥：粉煤灰＝0.22份：0.3份：0.45份：1.5份：1.2份：21.33份：55份：20份。

实施例A1～5的具备压阻效应的石墨烯纳米片改性水泥基材料制备方法中，首先，按配料比例称取聚丙烯酸酯水溶液、石墨烯纳米片、聚羧酸减水剂、减缩剂、消泡剂、水、水泥和粉煤灰，备用。

其中：

所述聚丙烯酸酯水溶液的浓度为45％。

所述石墨烯纳米片的技术指标为：表面积为350m²/g，尺寸为20～200nm。

所述水泥为普通硅酸盐水泥，粉煤灰为二级粉煤灰。

然后，将聚丙烯酸酯水溶液和石墨烯纳米片加入水中，将混合物置于冰水浴环境中并采用超声波处理5h得到分散均匀、稳定的石墨烯纳米片悬浮液；采用搅拌机将水泥和粉煤灰搅拌均匀，依次将石墨烯纳米片悬浮液、聚羧酸减水剂、减缩剂、消泡剂加入至搅拌器中，按“低速搅拌30s、高速搅拌3min、低速搅拌30s”的方案搅拌获得均匀的水泥浆体，然后经过养护即可得到具备压阻效应和增强效果的石墨烯纳米片改性水泥基材料。

实施例A1～5及对照例A0中的聚羧酸减水剂、减缩剂、消泡剂均为市场上购得的普通产品，其具体类型不影响本发明的实施。

实施例A6：

将石墨烯纳米片加入水中，将混合物置于冰水浴环境中并采用超声波处理5h得到石墨烯纳米片悬浮液。其中石墨烯纳米片浓度为1mg/mL。静置6h观察其稳定情况，见图4a。静置24h观察其稳定情况，见图5a。

将聚丙烯酸酯水溶液和石墨烯纳米片加入水中，将混合物置于冰水浴环境中并采用超声波处理5h得到石墨烯纳米片悬浮液。其中石墨烯纳米片浓度为1mg/mL，聚丙烯酸酯的浓度依次为4mg/mL、8mg/mL、12mg/mL和16mg/mL。静置6h观察其稳定情况，分别见图4b、4c、4d、4e。静置24h观察其稳定情况，分别见图5b、5c、5d、5e。

分别按照ASTM C109和ASTM C78测试本发明实施例试件与对照例试件的抗压强度和抗折强度，结果如图1和图2所示。采用万用表测试本发明本发明实施例试件与对照例试件在受不同应力条件下(0.1～0.5MPa)的电阻值，结果如图3所示。

根据图1和图2结果可知，石墨烯纳米片改性水泥基材料的抗压强度和抗折强度相比于未加石墨烯纳米片改性的水泥基材料均有不同程度的提高；根据图3结果可知，石墨烯纳米片改性水泥基材料具有显著的压阻效应。

根据图4、5可知，经超声处理和聚丙烯酸酯水溶液分散的石墨烯纳米片悬浮液无论经过6h还是24小时的静置，其稳定状态几乎不发生变化，依旧是均匀、稳定的分散状态。发明人最长连续观察了60d时间，仍然发现经超声处理和聚丙烯酸酯水溶液分散的石墨烯纳米片悬浮液还是均匀、稳定的分散状态。但未加聚丙烯酸酯水溶液分散的石墨烯纳米片经过6h的静置，即有大部分发生沉降，经过24小时的静置则完全沉降下来。发明人还同时发现，即使加入聚丙烯酸酯水溶液，如果不经过超声处理，仅机械搅拌均匀，对石墨烯纳米片的分散效果也较差，经过24小时的静置后石墨烯纳米片也几乎完全沉降下来。