一种抗拉水泥复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及混凝土材料及其制备技术领域，具体来讲，涉及一种以碳纳米管/碳纳米洋葱作为强化剂的水泥砂浆复合材料及其制备方法。

背景技术：

水泥基复合材料作为全世界用量最大的复合材料，在生产生活中得到广泛应用。但在实际工程应用中，水泥基复合材料还面临冻融、碳化、侵蚀、腐蚀、开裂等一系列问题，导致其各方面性能显著降低。为满足国家基础建设对高性能水泥复合材料的需求，开发高强度、高性能的水泥基复合材料势在必行。因此，在利用现有原材料的前提下，提升水泥基复合材料的力学性能、耐久性能等至关重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种新型的水泥基复合材料及其制备方法。

针对上述问题，发明人经研究得出了抗拉水泥复合材料及制备方法。具体来讲，碳纳米管中碳原子采取sp2杂化，相比sp3杂化，sp2杂化中s轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量和高强度。碳纳米管作为一维纳米材料，也具有许多异常的力学、电学和化学性能。纳米洋葱碳是一种以c60为核心的同心多层球面套叠结构的碳分子，其在电子显微镜下的横切面呈洋葱状，故我们形象的称它为纳米洋葱碳。纳米洋葱碳较小半径的微粒具有较大的表面曲率，所以化学反应活性更高。其在外部石墨层的包裹之下，具有较好的耐候性，较高的抗压特性等。中空结构的纳米洋葱碳具有较低的密度，较大的比表面积，稳定性能与良好的表面浸润性能。发明人发现，可基于这两种碳材料自身的优点，将其复合利用在水泥基复合材料中以获得更加优异的效果。例如碳纳米管可利用其强度高的特性改变混凝土的容易脆断性能，碳纳米洋葱可利用其在水泥中的钉扎作用提高水泥复合材料的抗拉伸性能等。

有鉴于此，本发明的一方面提供了一种抗拉水泥复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：将碳纳米管和碳纳米洋葱分散在溶液中，形成混合液；向混合液中加入水泥并搅拌均匀，形成水泥浆液；向水泥浆液中加入填料，形成抗拉水泥复合材料，其中，按重量计，所述碳纳米管的用量占所述水泥的0.01％～3％，所述碳纳米洋葱的用量占所述水泥的0.05％～3％，所述填料的用量占所述水泥的200％～350％。进一步而言，所述碳纳米管的用量可占所述水泥的1.2％～2.0％，所述碳纳米洋葱的用量可占所述水泥的1.0％～2.0％；所述填料的用量可占所述水泥的250％～300％。

本发明的另一方面提供了一种抗拉水泥复合材料，所述水泥基复合材料采用如上所述的制备方法得到。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的一项或多项：充分利用一维碳纳米管的优异力学性能及零维碳纳米洋葱的钉扎作用，不但在混凝土中改变裂缝的生长方式，还有效阻止了裂纹在受力情况下的进一步开裂，并提高了材料的受力能力和受力后的应变距离长度，从而提升了混凝土材料的抗拉强度及抗裂性能。另外，本发明还具有制备工艺简单，生产方式绿色环保环境污染小，且可以大规模实施的优势。

附图说明

图1中的a和b分别示出了对比例1和示例3经拉伸后的样品裂纹的扫描电镜照片。

图2示出了对比例1和示例3的样品的拉伸数据曲线。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的抗拉水泥复合材料及其制备方法。

在本发明的一个示例性实施例中，抗拉水泥复合材料的制备方法可通过形成两维度碳质添加剂混合液、形成水泥浆液、以及加入填料的步骤构成。

具体来讲，形成两维度碳质添加剂混合液的步骤可通过将碳纳米管和碳纳米洋葱分散在溶液中来实现。按重量计，碳纳米管的用量占随后形成水泥浆液步骤中水泥用量的0.01％～3％，也可占0.8％～2.4％；碳纳米洋葱的用量占随后形成水泥浆液步骤中水泥用量的0.05％～3％，也可占0.6％～2.4％。碳纳米洋葱与碳纳米管的重量比优选为50～200：100，过低则碳纳米洋葱效果不明显。此外，碳纳米管的长度优选在100～500nm范围，过短提升效果不明显，过长不易分散。

例如，可通过将碳纳米管分散于有机溶剂和/或水溶液中形成碳纳米管的分散液，并将这种分散液与碳纳米洋葱混合至均匀，得到两维度碳质添加剂混合液。又如，也可通过向水中依次加入碳纳米管(cnt)、有机分散剂(例如，聚乙烯吡咯烷酮(pvp))、碳纳米洋葱(cno)，混合至均匀。混合可采用常规搅拌和/或超声震荡的方式。

形成水泥浆液的步骤可通过向两维度碳质添加剂混合液中加入水泥并搅拌均匀来实现。例如，可以通过水泥净浆搅拌机进行搅拌。此外，也可在向两维度碳质添加剂混合液中加入水泥的过程中或过程前、后，向两维度碳质添加剂混合液中加入分散剂、减水剂和消泡剂等助剂中的一种或多种。例如，分散剂可以为peg系列、sdbs系列、pvp系列等，其加入量可占水泥用量的0.2～3％；减水剂可以为木质素磺酸盐类、萘系、密胺系、氨基磺酸盐系、脂肪族系、聚羧酸系减水剂等，其加入量可占水泥用量的0.01～2％；消泡剂可以为有机硅类消泡剂，矿物油类消泡剂，聚醚类消泡剂，脂肪醇类消泡剂，其加入量可占水泥用量的0.1～3％。随后，向水泥浆液中加入填料，形成抗拉水泥复合材料。该水泥基复合材料基本处于浆料状态，可用作多种需混凝土施工的基建材料或工程材料的浇注。例如，填料的用量占形成水泥浆液的步骤中水泥用量的200％～350％，也可占230％～280％。填料可以为砂石和/或矿渣，然而本发明不限于此。

在本发明的另一个示例性实施例中，所述抗拉水泥复合材料的制备方法可在上述示例性实施例的基础之上，进一步包括将水泥基复合材料进行陈化凝结和养护，以形成固态抗拉水泥复合材料的步骤。例如，可将未凝固的水泥基复合材料导入模具中室温陈化凝结，盖上保鲜膜，待水泥固化后，拆除模具放在水中养护，最终形成固态抗拉水泥复合材料。

以下将结合具体示例来进一步说明本发明的示例性实施例。

示例1

将容器中加入225重量份的水，再依次加入0.1wt％碳纳米管(cnt)，0.01wt％聚乙烯吡咯烷酮(pvp)，0.2wt％碳纳米洋葱(cno)，搅拌15min后超声0.5h。本示例中，各个重量百分比均以水泥的加入量为基数。

再向该溶液中加入水泥450重量份，在水泥净浆搅拌机中搅拌0.5h。加入1350重量份标准砂，在水泥砂浆搅拌机中搅拌1h。

倒入模具中室温陈化凝结，盖上保鲜膜。水泥固化后，拆除模具放在水中养护。

示例2

将容器中加入300重量份的水，加入1.4wt％碳纳米管(cnt)，0.15wt％sdbs系列分散剂，0.7wt％碳纳米洋葱(cno)，搅拌并超声震荡2h。本示例中，各个重量百分比均以水泥的加入量为基数。

再向该溶液中加入水泥800重量份，在水泥净浆搅拌机中搅拌1h。加入1800重量份标准砂，在水泥砂浆搅拌机中搅拌3h。

倒入模具中室温陈化凝结，盖上保鲜膜。水泥固化后，拆除模具放在水中养护。

示例3

将容器中加入220重量份的水，再依次加入0.1wt％碳纳米管(cnt)，0.1wt％聚乙烯吡咯烷酮(pvp)，0.2wt％碳纳米洋葱(cno)，搅拌15min后超声0.5h。本示例中，各个重量百分比均以水泥的加入量为基数。

再向该溶液中加入标准po42.5水泥450重量份，在水泥净浆搅拌机中搅拌0.5h。加入1350重量份标准砂，在水泥砂浆搅拌机中搅拌1h。

倒入模具中室温陈化凝结，盖上保鲜膜。水泥固化后，拆除模具放在水中养护28天，得到固化的抗拉水泥复合材料。

经检测，本示例的抗拉水泥复合材料经拉伸后的样品裂纹的sem照片如图1中的b所示，其拉伸数据如图2中的抗拉水泥复合材料样品曲线(浅灰色曲线，即cnt/cno-水泥)所示。

对比例1

向220重量份的水中加入标准po42.5水泥450重量份，在水泥净浆搅拌机中搅拌0.5h。加入1350重量份标准砂，在水泥砂浆搅拌机中搅拌1h。

倒入模具中室温陈化凝结，盖上保鲜膜。水泥固化后，拆除模具放在水中养护分别养护28天，得到固化的水泥。

经检测，本示例的抗拉水泥复合材料经拉伸后的样品裂纹的sem照片如图1中的a所示，其拉伸数据如图2中的水泥样品曲线(深黑色曲线，即水泥)所示。

图1中的a和b分别示出了对比例1和示例3经拉伸后的样品裂纹的扫描电镜照片。可以看出，图1中的a明显形成了断裂更加严重的裂纹，相比之下，图b中的裂纹更小；值得注意的是，在图b中明显可以看出碳纳米管(cnt)在形成的裂纹中起到了阻止裂纹开裂的作用，这通过碳管在没有受力的情况下是弯曲的，而图1中的b中因为受力而明显变直。

图2示出了对比例1和示例3的样品的拉伸数据曲线。如图2所示，示例3的样品的拉伸位移和载荷均明显增加。例如，示例3的抗拉水泥复合材料的拉伸位移可达0.54mm，载荷可达5800n。经多次试验，本发明的抗拉水泥复合材料的拉伸位移可达约0.50mm及以上，载荷可达5600n以上。

综上所示，本发明相的优点包括：充分利用一维碳纳米管的优异力学性能及零维碳纳米洋葱的钉扎作用，不但在混凝土中改变裂缝的生长方式，还有效阻止了裂纹在受力情况下的进一步开裂，并提高了材料的受力能力和受力后的应变距离长度，从而提升了混凝土材料的抗拉强度及抗裂性能。总之，本发明通过这两种添加成分的引入，不但改变了水泥混凝土材料的综合力学性能，还可以有效的延长其使用寿命。另外，本发明还具有制备工艺简单，生产方式绿色环保环境污染小，且可以大规模实施的优势。

尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。