本发明公开了一种纳米二氧化硅改性水泥复合材料，属于建筑材料技术领域。
背景技术：
复合材料是现代材料发展的趋势，利用不同方法实现材料功能的互补和优化，制备出优异性能的材料。有机无机杂化材料是复合材料中最耀眼的新星。有机无机杂化材料的有机相和无机相之间的截面面积非常大，界面之间的作用力非常强，是两相成为有机整体，具备了其他复合材料不具有的性能优势。二氧化硅是一种常用的无机非金属材料，具有优良的化学稳定性和热稳定性；然而微小粒子的二氧化硅的表面有大量的羟基，使其表面能较高、容易发生团聚，影响其在复合材料的分散性能。通过对二氧化硅粒子表面接枝高分子化合物，增加其在复合材料中的分散性能，达到二氧化硅与有机化合物的良好复合，充分的发挥其优良的性能。纳米二氧化硅气凝胶是一种新型轻质多孔纳米材料，与采用溶剂为分散介质的湿凝胶不同，是一种以空气取代原有骨架中的溶剂而制得的轻质纳米级多孔材料，它是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成纳米多孔网络结构，并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料，具有连续无规则网络结构，是典型的分形结构。常温常压下纳米二氧化硅气凝胶的导热系数低达0.017w/m·k，低于空气的导热系数0.026w/m·k，因此由于其强大的隔热性能正在成为一种新型的隔热材料。纳米二氧化硅气凝胶的密度一般用体积密度来表征，这一数值可低达0.003g/cm3，这使得纳米二氧化硅气凝胶成为目前最轻的合成固体材料。纳米二氧化硅气凝胶制备工艺的成熟，在近些年被重视起来，但将纳米二氧化硅气凝胶用于改性水泥基材料性能方面的技术尚未十分成熟，主要存在以下几点技术难题：1)由于纳米二氧化硅气凝胶颗粒的纳米特性，如何将其均匀地分散到水泥基材料中；2)将纳米二氧化硅气凝胶颗粒掺入水泥基材料的过程中，如何不破坏纳米二氧化硅气凝胶自身结构；3)将纳米二氧化硅气凝胶掺入到水泥基材料中，如何在尽可能少降低水泥基材料力学性能的情况下，大幅提升水泥基材料保温防火性能。
水泥复合材料作为近现代用量最广最大的建筑材料，自从1824年aspdin发明一百多年来，水泥复合材料已经成为我们生活中不可或缺的土木工程材料。随着现代化建设的发展，大量止木工程已经且正在进行。随之带来的河沙资源紧缺和河沙价格不断上涨问题日益严重，以及山区道路交通不便等问题，新能源的开发已经迫不及待。利用就地的岩石等原料生产的机制砂，替代河沙已经成为必然趋势，然而机制砂石粉含量大、级配差等问题影响其普及发展。机制砂石粉等无机材料制备成有机无机杂化材料，改善其在水泥复合材料的分散性能，进而提高混凝土的和易性，解决机制砂石粉含量高等问题，是解决资源短缺和提高混凝止性能的良好途径。二氧化娃表面处理常用的修饰方法，主要包括共缩聚法和后嫁接法。目前传统的水泥复合材料还存在力学性能不佳的问题，因此还需对其进行研究。
技术实现要素：
本发明主要解决的技术问题是：针对传统水泥复合材料力学性能不佳的问题，提供了一种纳米二氧化硅改性水泥复合材料。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种纳米二氧化硅改性水泥复合材料，是由以下重量份数的原料组成：
水泥30～40份
改性分散纳米二氧化硅10～20份
预处理砂石粉10～20份
减水剂3～5份
硅烷偶联剂2～3份
增稠剂2～3份
苯丙乳液30～40份
油泥5～8份
所述纳米二氧化硅改性水泥复合材料的制备过程为：按原料组成称量各原料，将水泥，改性分散纳米二氧化硅，预处理砂石粉，减水剂，硅烷偶联剂，增稠剂，苯丙乳液和油泥搅拌混合，即得纳米二氧化硅改性水泥复合材料。
所述水泥为硅酸盐水泥，铝酸盐水，硫铝酸盐水泥，铁铝酸盐水泥，氟铝酸盐水泥，磷酸盐水泥中的任意一种。
所述改性分散纳米二氧化硅的制备过程为：按重量份数计，将10～20份脂肪酸，10～20份乙二醇，5～8份正硅酸乙酯，2～3份氧化石墨烯加热搅拌反应，接着滴加氨水调节ph至8.6～8.9，过滤，洗涤，干燥，即得改性分散纳米二氧化硅。
所述预处理砂石粉的制备过程为：按重量份数计，将20～30份砂石粉，8～10份淀粉，8～10份甘油，3～5份聚乙二醇混合球磨，干燥，过滤，炭化，即得预处理砂石粉。
所述减水剂为木质素磺酸钠，th-928聚羧酸系减水剂或yz-1萘系高效减水剂中的任意一种。
所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂kh-550，硅烷偶联剂kh-560或硅烷偶联剂kh-570中的任意一种。
所述增稠剂是由石油树脂和萜烯树脂按质量比1：1～1：2混合配制而成。
所述苯丙乳液固含量为50～60%。
所述纳米二氧化硅改性水泥复合材料中还可以加入水泥质量4～6%的明胶；所述明胶选用等电点为6.0～6.2的明胶。
所述油泥是由以下重量份数原料组成：80～100份粘土，20～25份焙烧海泡石，20～30份桐油；所述焙烧海泡石制备过程为：将海泡石用质量分数为8～10%的盐酸浸泡3～5h后，过滤，洗涤和干燥，得酸浸海泡石，再将所得酸浸海泡石移入管式炉中，于温度为220～260℃条件下，加热焙烧3～5h后，冷却，出料，即得焙烧海泡石。
本发明的有益效果是：
（1）本发明通过添加改性分散纳米二氧化硅，首先，在改性分散纳米二氧化硅的制备过程中，将脂肪酸，乙二醇，正硅酸乙酯，氧化石墨烯加热搅拌反应，在此过程中，脂肪酸与乙二醇发生酯化反应，生成水与体系中的正硅酸乙酯反应，生成纳米二氧化硅，体系中一旦生成纳米二氧化硅，就会被氧化石墨烯吸附，从而有效避免生成的纳米二氧化硅晶核继续长大，保证生成的二氧化硅颗粒尺寸和分散性能，接着通过滴加氨水调节ph，氨水使得氧化石墨烯片层结构边沿上的羧基离子化，由于同种电荷间相互排斥，使得吸附了纳米二氧化硅后的氧化石墨烯能够均匀分散在体系中，纳米二氧化硅能够良好地分散体系中，改性分散纳米二氧化硅能够与基体间形成良好地结合，从而使得体系的力学性能得到进一步提升；
（2）本发明通过添加预处理砂石粉，在球磨过程中，淀粉结晶区结构与颗粒形貌均遭到破坏，结晶度得到有效降低，从而使活化后的淀粉在体系中的流动性增强，接着经过炭化，使得砂石粉表面的有机质炭化，炭质的存在增加砂石粉表面的润滑性能，而有利于砂石粉的分散，减少砂石粉间的团聚，从而使得体系的力学性能得到进一步提升；
（3）本发明技术方案通过进一步引入等电点为弱酸性的明胶，而水泥体系为强碱性体系，在碱性环境下，可是明胶分子结构中的羧基离子化，从而使明胶分子结构由于带有同种负电荷而发生膨胀，膨胀后的明胶可有效填充于水泥水化形成的凝胶网络结构中，而明胶自身具有良好的保水吸水性能，有利于水泥的充分水化，且可实现对体系中游离钙离子的固定螯合作用，并将游离钙离子最终转变为纳米尺寸的碳酸钙晶体，该碳酸钙晶体的形成可实现对明胶凝胶的加固，使其力学性能得到进一步提升。
具体实施方式
重量份数计，将10～20份脂肪酸，10～20份乙二醇，5～8份正硅酸乙酯，2～3份氧化石墨烯置于反应釜中，于温度为140～140℃，转速为600～800r/min条件下，加热搅拌反应1～2h，接着向反应釜中滴加质量分数为20～30%的氨水调节ph至8.6～8.9，于转速为600～800r/min条件下，得混合浆料，接着将混合浆料过滤，得滤渣，接着用去离子水将滤渣洗涤5～8次，再将洗涤后的滤饼置于烘箱中于温度为105～110℃条件下，干燥至恒重，即得改性分散纳米二氧化硅；按重量份数计，将20～30份砂石粉，8～10份淀粉，8～10份甘油，3～5份聚乙二醇置于球磨机中混合球磨40～60min，得混合匀浆，再将混合匀浆过滤，得滤饼，接着将滤饼置于烘箱中，于温度为105～110℃条件下，干燥至恒重，得干燥滤饼，接着将干燥滤饼置于烧结炉中，并以60～90ml/min速率向炉内充入氮气，于温度为750～850℃条件下，炭化2～3h后，随炉降至室温，即得预处理砂石粉；按重量份数计，将30～40份水泥，10～20份改性分散纳米二氧化硅，10～20份预处理砂石粉，3～5份减水剂，2～3份硅烷偶联剂，2～3份增稠剂，30～40份苯丙乳液和5～8份油泥置于搅拌机中，并加入水泥质量4～6%的等电点为6.0~6.2的明胶，于转速为100～200r/min条件下，搅拌混合40～60min，即得纳米二氧化硅改性水泥复合材料。所述水泥为硅酸盐水泥，铝酸盐水，硫铝酸盐水泥，铁铝酸盐水泥，氟铝酸盐水泥，磷酸盐水泥中的任意一种。所述减水剂为木质素磺酸钠，th-928聚羧酸系减水剂或yz-1萘系高效减水剂中的任意一种。所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂kh-550，硅烷偶联剂kh-560或硅烷偶联剂kh-570中的任意一种。所述增稠剂是由石油树脂和萜烯树脂按质量比1：1～1：2混合配制而成。所述苯丙乳液固含量为50～60%。所述油泥是由以下重量份数原料组成：80～100份粘土，20～25份焙烧海泡石，20～30份桐油；所述焙烧海泡石制备过程为：将海泡石用质量分数为8～10%的盐酸浸泡3～5h后，过滤，洗涤和干燥，得酸浸海泡石，再将所得酸浸海泡石移入管式炉中，于温度为220～260℃条件下，加热焙烧3～5h后，冷却，出料，即得焙烧海泡石。
实例1
重量份数计，将20份脂肪酸，20份乙二醇，8份正硅酸乙酯，3份氧化石墨烯置于反应釜中，于温度为140℃，转速为800r/min条件下，加热搅拌反应2h，接着向反应釜中滴加质量分数为30%的氨水调节ph至8.9，于转速为800r/min条件下，得混合浆料，接着将混合浆料过滤，得滤渣，接着用去离子水将滤渣洗涤8次，再将洗涤后的滤饼置于烘箱中于温度为110℃条件下，干燥至恒重，即得改性分散纳米二氧化硅；按重量份数计，将30份砂石粉，10份淀粉，10份甘油，5份聚乙二醇置于球磨机中混合球磨60min，得混合匀浆，再将混合匀浆过滤，得滤饼，接着将滤饼置于烘箱中，于温度为110℃条件下，干燥至恒重，得干燥滤饼，接着将干燥滤饼置于烧结炉中，并以90ml/min速率向炉内充入氮气，于温度为850℃条件下，炭化3h后，随炉降至室温，即得预处理砂石粉；按重量份数计，将40份水泥，20份改性分散纳米二氧化硅，20份预处理砂石粉，5份减水剂，3份硅烷偶联剂，3份增稠剂，40份苯丙乳液和8份油泥置于搅拌机中，并加入水泥质量6%的等电点为6.0的明胶，于转速为200r/min条件下，搅拌混合60min，即得纳米二氧化硅改性水泥复合材料。所述水泥为硅酸盐水泥。所述减水剂为木质素磺酸钠。所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂kh-550。所述增稠剂是由石油树脂和萜烯树脂按质量比1：2混合配制而成。所述苯丙乳液固含量为60%。所述油泥是由以下重量份数原料组成：80份粘土，20份焙烧海泡石，20份桐油；所述焙烧海泡石制备过程为：将海泡石用质量分数为8%的盐酸浸泡3h后，过滤，洗涤和干燥，得酸浸海泡石，再将所得酸浸海泡石移入管式炉中，于温度为220℃条件下，加热焙烧3h后，冷却，出料，即得焙烧海泡石。
实例2
按重量份数计，将30份砂石粉，10份淀粉，10份甘油，5份聚乙二醇置于球磨机中混合球磨60min，得混合匀浆，再将混合匀浆过滤，得滤饼，接着将滤饼置于烘箱中，于温度为110℃条件下，干燥至恒重，得干燥滤饼，接着将干燥滤饼置于烧结炉中，并以90ml/min速率向炉内充入氮气，于温度为850℃条件下，炭化3h后，随炉降至室温，即得预处理砂石粉；按重量份数计，将40份水泥，20份纳米二氧化硅，20份预处理砂石粉，5份减水剂，3份硅烷偶联剂，3份增稠剂，40份苯丙乳液和8份油泥置于搅拌机中，于转速为200r/min条件下，搅拌混合60min，即得纳米二氧化硅改性水泥复合材料。所述水泥为硅酸盐水泥。所述减水剂为木质素磺酸钠。所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂kh-550。所述增稠剂是由石油树脂和萜烯树脂按质量比1：2混合配制而成。所述苯丙乳液固含量为60%。
实例3
重量份数计，将20份脂肪酸，20份乙二醇，8份正硅酸乙酯，3份氧化石墨烯置于反应釜中，于温度为140℃，转速为800r/min条件下，加热搅拌反应2h，接着向反应釜中滴加质量分数为30%的氨水调节ph至8.9，于转速为800r/min条件下，得混合浆料，接着将混合浆料过滤，得滤渣，接着用去离子水将滤渣洗涤8次，再将洗涤后的滤饼置于烘箱中于温度为110℃条件下，干燥至恒重，即得改性分散纳米二氧化硅；按重量份数计，将40份水泥，20份改性分散纳米二氧化硅，20份砂石粉，5份减水剂，3份硅烷偶联剂，3份增稠剂，40份苯丙乳液和8份油泥置于搅拌机中，于转速为200r/min条件下，搅拌混合60min，即得纳米二氧化硅改性水泥复合材料。所述水泥为硅酸盐水泥。所述减水剂为木质素磺酸钠。所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂kh-550。所述增稠剂是由石油树脂和萜烯树脂按质量比1：2混合配制而成。所述苯丙乳液固含量为60%。
实例4
重量份数计，将20份脂肪酸，20份乙二醇，8份正硅酸乙酯，3份氧化石墨烯置于反应釜中，于温度为140℃，转速为800r/min条件下，加热搅拌反应2h，接着向反应釜中滴加质量分数为30%的氨水调节ph至8.9，于转速为800r/min条件下，得混合浆料，接着将混合浆料过滤，得滤渣，接着用去离子水将滤渣洗涤8次，再将洗涤后的滤饼置于烘箱中于温度为110℃条件下，干燥至恒重，即得改性分散纳米二氧化硅；按重量份数计，将30份砂石粉，10份淀粉，10份甘油，5份聚乙二醇置于球磨机中混合球磨60min，得混合匀浆，再将混合匀浆过滤，得滤饼，接着将滤饼置于烘箱中，于温度为110℃条件下，干燥至恒重，得干燥滤饼，接着将干燥滤饼置于烧结炉中，并以90ml/min速率向炉内充入氮气，于温度为850℃条件下，炭化3h后，随炉降至室温，即得预处理砂石粉；按重量份数计，将40份水泥，20份改性分散纳米二氧化硅，20份预处理砂石粉，5份减水剂，3份硅烷偶联剂，3份增稠剂，40份苯丙乳液置于搅拌机中，于转速为200r/min条件下，搅拌混合60min，即得纳米二氧化硅改性水泥复合材料。所述水泥为硅酸盐水泥。所述减水剂为木质素磺酸钠。所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂kh-550。所述增稠剂是由石油树脂和萜烯树脂按质量比1：2混合配制而成。所述苯丙乳液固含量为60%。
对比例：上海某新型建筑材料有限公司生产的水泥复合材料。
将实例1至4所得水泥复合材料和对比例产品进行性能检测，具体检测方法如下：
按照gb/t17671检测上述水泥复合材料的抗压强度。
具体检测结果如表1所示：
表1：性能检测表
由表1检测结果可知，本发明所得纳米二氧化硅改性水泥复合材料具有优异的力学性能。