本发明涉及水泥领域，具体而言，涉及一种水泥预制件、水泥胶凝材料及其制作方法。
背景技术
水泥胶凝复合材料是目前工程中最常见且应用最广泛的材料。虽然水泥胶凝复合材料具有较高抗压强度等优点，但由于其脆性、易断裂、低韧性与低抗折强度等问题造成其耐用度低且维护费用高。长期以来，提高水泥胶凝复合材料的抗折强度一直是亟待解决的问题。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
技术实现要素：
基于现有技术的不足，本发明提供了一种水泥预制件、水泥胶凝材料及其制作方法，以部分或全部地改善、甚至解决其抗折强度不高的问题。
本发明是这样实现的：
在第一方面，本发明实施例的提供了一种水泥胶凝材料。
水泥胶凝材料包括水泥基料、石墨烯材料以及聚羧酸减水剂，且石墨烯材料的用量为水泥基料质量的0.02～0.04％，水泥基料包括骨料、硅酸盐水泥、贝利特水泥。
在其他的一个或多个示例中，骨料包括标准砂、铁尾矿中的一种或两种。
在其他的一个或多个示例中，石墨烯材料包括石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯中的一种或多种。
在其他的一个或多个示例中，石墨烯材料的用量为水泥基料质量的0.025～0.036％。
在第二方面，本发明实施例提供了一种水泥胶凝材料的制作方法。
水泥胶凝材料的制作方法包括：
提供分散有石墨烯材料的分散液，且分散液中还含有聚羧酸减水剂，其中，聚羧酸减水剂是以溶解在水中的形式被提供；
将水泥基料与分散液混合。
在其他的一个或多个示例中，混合水泥基料与分散液的方法包括：将水泥基料中的骨料混合在分散液，然后将水泥基料中的硅酸盐水泥、贝利特水泥混入分散液。
在其他的一个或多个示例中，将水泥基料中的骨料混合在分散液时以第一速度搅拌，将水泥基料中的硅酸盐水泥、贝利特水泥混入分散液时以第二速度进行搅拌，且第一速度小于第二速度。
在第三方面，本发明实施例提供了一种水泥预制件
水泥预制件采用如前述的水泥胶凝材料制作而成。
在第四方面，本发明实施例提供了一种水泥预制件的制作方法。
水泥预制件的制作方法包括：
将水泥胶凝材料以期望的形状堆积在模具中；水泥胶凝材料静置固化后于温度为20℃、相对湿度为90％的条件下养护24小时。
在其他的一个或多个示例中，水泥胶凝材料被转移到模具之后，进行静置固化之前，还对水泥胶凝材料进行震动以提高堆积密度。
有益效果：
本发明实施例提供的水泥胶凝材料是一种复合材料，其中引入有石墨烯材料，通过使石墨烯材料以适当的方式分散、混杂在基体材料水泥中，从而改善了水泥原有的抗折性能不佳的问题。相比于现有的改性水泥材料，本发明实施例中所提供的水泥胶凝材料中外加剂种类和用量减少，从而可以在一定程度上实现以更低成本获得高抗折强度的水泥胶凝材料。另一方面，由于使用原料的减少，其制作工艺也获得一定程度上的简化。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
石墨烯是一种能够从石墨中剥离出之单层石墨材料。石墨烯是以sp2杂化轨道组成六角形蜂巢排列之二维的平面片状结构。其最薄处的厚度为0.335nm，仅一个碳原子直径，是目前世上最薄的材料。但是，石墨烯却拥有杰出的力学性质，例如其机械强度远高于钢铁百倍，比重却仅约钢铁的四分之一，可作为轻型航空器材料。由于其平面内碳原子通过共价键相互连接，使其在二维平面内的力学性质非常优异，杨氏模量为1.1tpa，断裂强度可达到125gpa。
石墨烯还具有独特的电学性质，其电阻较铜和银低，为目前已知材料中于室温下电阻最低的，且电子迁移率高，因此应用于电子元件材料将有优秀的表现。另外，由于其高透明度、良好导电性，也在光电领域上受到关注，且能够被应用于太阳能电池、触控面板与其他相关产业。
石墨烯之理论物理特性如下：热传导系数达5300w/m·k、比表面积可达2630m2/g、电阻率仅约10-6ω·cm、电子迁移率可达2·105cm2/v·s、光学透明度可达97.7％。
在本发明实施例中，有鉴于石墨烯材料的高强度、高韧性等性能，将其引入水泥中，以期改善强度高，但抗折强度不高的窘境，从而为建筑工程提供强度更高的材料，推动建筑材料的进一步发展。
以下针对本发明实施例的水泥预制件、水泥胶凝材料及其制作方法进行具体说明：
水泥胶凝材料主要包括两大部分，一种是水泥基材料，另一种是石墨烯材料。石墨烯材料均匀分散在水泥基材料中，并与其它水泥基材料中各物质相互作用而被结合、固定，从而起到筋肋的作用，使水泥基材料的抗折强度得以被改善。
实施例中，水泥胶凝材料包括水泥基料、石墨烯材料以及聚羧酸减水剂。且石墨烯材料的用量为水泥基料质量的0.02～0.04％。
水泥胶凝材料中的石墨烯材料可以被自由地选择，但是以0.02～0.04％为宜。石墨烯材料的用量过多将增加水泥胶凝材料的成本，太少则对其强度的改进作用不甚明显。选择合理用量的石墨烯可以获得制作成本和性能改善的平衡。在本发明的其他一些示例中，石墨烯材料的用量为水泥基料质量的0.025～0.036％。
石墨烯的用量应当被适当其予以控制，否则将对水泥胶凝材料的性能产生不利的影响。其一、石墨烯的用量不宜过大。如果石墨烯用量太大，在石墨烯分散过程会发生团聚现象，而团聚现象会导致大量石墨烯片堆叠在一起而失效。其二、石墨烯的用量不宜太少。当石墨烯比例太低时，其无法均匀分布在水泥基体内部，水泥的很多区域无法被石墨烯增强。发明人在实践中发现，适当量的石墨烯能够起到增强的作用，例如当石墨烯比例为0.03％时，抗折强度能够被显著地提高，而当石墨烯比例超过0.03％时，抗折强度反而会出现一定的下降趋势。出于石墨烯对水泥胶凝材料的增强效果与其制作成本考虑，0.02％-0.04％石墨烯更合适。
发明人习知，石墨烯材料存在多种类型，根据实践，本发明实施例中的水泥胶凝材料中的石墨烯材料可以采用石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯中的一种或多种。其中的各类型的石墨烯可以存在多种比例配合，根据需要进行调整。
在一种可选的示例中，水泥基料按照质量百分比计包括骨料50％、硅酸盐水泥40％、贝利特水泥10％。其中，水泥在一些示例中也可以采用硅酸三钙、硅酸二钙、硫铝酸钙等。将硅酸盐水泥和贝利特水泥替代。但是，以4:1的重量比的硅酸盐水泥和贝利特水泥使用是更佳的。
其中的骨料可以是标准砂、铁尾矿中的一种或两种。标准砂是加工后符合标准规定的石英砂—用以按标准方法测试水泥胶砂强度—是检验水泥强度必需的通用材料。标准砂中二氧化硅(sio2)含量大于96％、烧失量不超过0.40％、含泥量(包括可溶性盐类)不超过0.20％。铁尾矿按照伴生元素的含量可分为单金属类铁尾矿和多金属类铁尾矿两大类。其中单金属类铁尾矿，根据其硅、铝、钙、镁的含量又可分为多同不同的类型。
铁尾矿是选矿厂将矿石磨细、选取“有用组分”后所排放的废弃物，也就是矿石经选出精矿后剩余的固体废弃物。它是一种复合矿物原料，含有少量金属组分外。其主要矿物组分是脉石矿物，如石英、辉石、长石、石榴石，角闪石及其蚀变矿物。其化学成分主要以铁、硅、镁、钙、铝的氧化物为主，并伴有少量的磷，硫等。
通常地，水泥胶凝材料可以简单地通过将各种原料混合而被制成，然而，由于石墨烯材料容易团聚的问题，将其优先进行分散，以改善其在水泥基材料中的分散均匀性。
然而石墨烯材料比表面积大，容易团聚，导致其可分散性显著下降。通常石墨烯的可分散性可以通过使其在液体中以相对较低的浓度存在，或者进一步地通过适当种类的表面活性剂来使其ζ电位下降来提高和改善。
在另一些方案中，石墨烯还可以通过表面化学基团修饰来使其团聚难度增加，从而提高分散性。例如，通过将石墨烯氧化形成的氧化石墨烯，其表面具有残基，可减小团聚倾向。
在本实施例中，通过将石墨烯材料与用于水泥中作为减水剂的聚羧酸混合，使其分散性被大大提高，且更加稳定，从而有利于在水泥基材料中均匀分散。
另外，应当指出的是，减水剂虽然有多种选择，但是，在本发明实施例中，减水剂的选择是根据水泥胶凝材料的配方而被特别地选择的。聚羧酸减水剂的主要作用之一是分散石墨烯纳米材料，防止石墨烯发生团聚现象而失效。由于聚羧酸减水剂表面含有大量含氧官能团，因此，聚羧酸减水剂能够通过表面的含氧官能团与石墨烯发生交联，从而起到分散石墨烯的作用。
基于以上，本发明实施例提供了一种水泥胶凝材料的制作方法。
制作方法包括：
第一步骤、提供分散有石墨烯材料的分散液，其中，分散液中还含有聚羧酸减水剂，聚羧酸减水剂是以溶解在水中的形式被提供。
其中，石墨烯材料可以通过搅拌、超声波振动的方式被更彻底地分散。特别地，本实施例中，石墨烯分散在分散液通过分步的方式来实现。首先，将将聚羧酸减水剂溶解在水中，然后再加入石墨烯材料，充分搅拌使石墨烯分散于聚羧酸减水剂水溶液。提前将石墨烯纳米材料与聚羧酸减水剂混合搅拌均匀，可以使其更易在水泥基体中均匀分布，使其团聚倾向被更好地抑制。
第二步骤、将水泥基料与分散液混合。
混合水泥基料与分散液的方法可以是将水泥基料中的全部原料一并与分散液混合。或者，将水泥基料中的全部原料预先混合后，再与分散液混合。较佳地，在本实施例中，混合水泥基料与分散液的方法为将水泥基料中的骨料混合在分散液，然后将水泥基料中的硅酸盐水泥、贝利特水泥混入分散液。通过这样的方式各种原料之间的混合更加均匀。
进一步地，作为一种有益的改进，将水泥基料中的骨料混合在分散液时以第一速度搅拌，将水泥基料中的硅酸盐水泥、贝利特水泥混入分散液时以第二速度进行搅拌，且第一速度小于第二速度。首先，骨料和石墨烯分散液两者慢搅(常速搅拌)混合，由于骨料和石墨烯两者之间的并不会发生引起不利的反应，因此，采用一般速度搅拌即可。在相对慢的搅拌速度下，更利于添加胶凝材料(水泥类原料)，因为在快搅过程中加入胶凝材料安全隐患较大。加入胶凝材料后，快搅有利于胶凝反应的顺利进行。
另外，在本实施例中，还提供了一种由水泥胶凝材料制作而成的水泥预制件。水泥预制件通过将水泥胶凝材料塑形、固化而得。
制作方法包括：将水泥胶凝材料以期望的形状堆积在模具中；水泥胶凝材料静置固化后于温度为20℃、相对湿度为90％的条件下养护24小时。
为了使获得水泥预制件拉伸强度、抗折强度被改善，水泥胶凝材料被转移到模具之后，进行静置固化之前，还对水泥胶凝材料进行震动以提高堆积密度，以便使水泥胶凝材料中的各种物料之间更充分地接触和反应。另外，水泥的堆积密度增大，其内部越致密，抗折强度、抗压强度会在一定程度上被提高。
以下结合实施例对本发明的水泥预制件、水泥胶凝材料及其制作方法作进一步的详细描述。
实施例一：0.03％石墨烯-标准砂-水泥胶凝复合材料
(1)石墨烯分散：将聚羧酸减水剂按质量比3:800溶于水中，搅拌均匀后以石墨烯、聚羧酸减水剂质量比3:10加入石墨烯，充分搅拌使石墨烯溶于聚羧酸减水剂溶液；
(2)混料，以各原料质量比：标准砂50％，普通硅酸盐42.5水泥40％，贝利特42.5水泥10％，石墨烯0.03％，聚羧酸减水剂0.1％(石墨烯及聚羧酸减水剂以水泥质量外掺)将原料混合，
混合步骤为：先将步骤1中所得溶液加入标准砂中，慢速搅拌5分钟，后将普通硅酸盐42.5水泥、贝利特42.5水泥同时加入，搅拌3分钟得到混合物。
实施例二：水泥预制件
(1)成型处理，将实施例1中的混合物转移至规格为160mm×40mm×40mm模具，震荡5分钟，将模具表面刮平，置于20℃，湿度90％养护箱中养护24小时；
(2)脱模及养护，将步骤3样品从模具中脱出，在20℃，湿度90％养护箱中养护，得到一种高强度石墨烯-水泥胶凝复合材料。
(3)经测试，此样品28天抗折强度平均可达到15.7mpa，最大强度可达16.4mpa，平均抗压强度为51mpa。
实施例三：0.04％石墨烯-标准砂-水泥胶凝复合材料
(1)石墨烯分散：将聚羧酸减水剂按质量比3:800溶于水中，搅拌均匀后以石墨烯、聚羧酸减水剂质量比2:5加入石墨烯，充分搅拌使石墨烯溶于聚羧酸减水剂溶液；
(2)混料，以各原料质量比：标准砂50％，普通硅酸盐42.5水泥40％，贝利特42.5水泥10％，石墨烯0.04％，聚羧酸减水剂0.1％(石墨烯及聚羧酸减水剂以水泥质量外掺)将原料混合，
混合步骤为：先将步骤1中所得溶液加入标准砂中，慢速搅拌5分钟，后将普通硅酸盐42.5水泥、贝利特42.5水泥同时加入，搅拌3分钟得到混合物。
实施例四：水泥预制件
(1)成型处理，将实施例3中的混合物转移至规格为160mm×40mm×40mm模具，震荡5分钟，将模具表面刮平，置于20℃，湿度90％养护箱中养护24小时；
(2)脱模及养护，将步骤3样品从模具中脱出，在20℃，湿度90％养护箱中养护，得到一种高强度石墨烯-水泥胶凝复合材料。
(3)经测试，此样品28天抗折强度平均可达到15.3mpa，最大强度可达16.0mpa，平均抗压强度为51.88mpa。
实施例五：0.02％石墨烯-铁尾矿-水泥胶凝复合材料
(1)石墨烯分散：将聚羧酸减水剂按质量比3:800溶于水中，搅拌均匀后以石墨烯、聚羧酸减水剂质量比1:5加入石墨烯，充分搅拌使石墨烯溶于聚羧酸减水剂溶液；
(2)混料，以各原料质量比：铁尾矿50％，普通硅酸盐42.5水泥40％，贝利特42.5水泥10％，石墨烯0.02％，聚羧酸减水剂0.1％(石墨烯及聚羧酸减水剂以水泥质量外掺)将原料混合，混合步骤为：先将步骤1中所得溶液加入标准砂中，慢速搅拌5分钟，后将普通硅酸盐42.5水泥、贝利特42.5水泥同时加入，搅拌3分钟得到混合物。
实施例六：水泥预制件
(1)成型处理，将实施例五中的混合物转移至规格为160mm×40mm×40mm模具，震荡5分钟，将模具表面刮平，置于20℃，湿度90％养护箱中养护24小时；
(2)脱模及养护，将步骤3样品从模具中脱出，在20℃，湿度90％养护箱中养护，得到一种高强度石墨烯-水泥胶凝复合材料。
(3)经测试，此样品28天抗折强度平均可达到14.8mpa，最大强度可达15.2mpa，平均抗压强度为65.32mpa。
对比例1
标准砂-水泥胶凝复合材料
(1)混料，以各原料质量比：标准砂50％，普通硅酸盐42.5水泥40％，贝利特42.5水泥10％，聚羧酸减水剂0.1％(聚羧酸减水剂以水泥质量外掺)将原料混合，
混合步骤为：将聚羧酸减水剂、普通硅酸盐42.5水泥、贝利特42.5水泥同时加入，搅拌3分钟得到混合物(标准砂-水泥胶凝复合材料)。
将混凝土按照实施例二方法制作的水泥预制件，其28天抗折强度12.8mpa,抗压强度51.32mpa。
对比例二
铁尾矿-水泥胶凝复合材料
(1)混料，以各原料质量比：铁尾矿50％，普通硅酸盐42.5水泥40％，贝利特42.5水泥10％，聚羧酸减水剂0.1％(聚羧酸减水剂以水泥质量外掺)将原料混合。
混合步骤为：将铁尾矿、聚羧酸减水剂、普通硅酸盐42.5水泥、贝利特42.5水泥同时加入，搅拌3分钟得到混合物。
水泥预制件
(1)成型处理，将实施例五中的混合物转移至规格为160mm×40mm×40mm模具，震荡5分钟，将模具表面刮平，置于20℃，湿度90％养护箱中养护24小时；
(2)脱模及养护，将步骤3样品从模具中脱出，在20℃，湿度90％养护箱中养护，得到一种高强度石墨烯-水泥胶凝复合材料。
(3)经测试，此样品28天抗折强度平均可达到11.20mpa，平均抗压强度为65.32mpa。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。