一种抗高温水泥基复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及建筑材料领域，尤其涉及一种抗高温水泥基复合材料及其制备方法。

背景技术：

在现代建筑工程中，水泥基材料结构是最普遍、应用最广泛的结构形式。而因为现代社会不断出现的火灾等问题，往往会使得混凝土的结构受到迫害，造成强度的大幅下降。如何保证混凝土结构在高温作用下具有保留高力学性能的耐高温性成为当今建设发展中的重大理论难题。

随着混凝土高性能化的提出，高性能性混凝土的研究己经越来越引起各方面的广泛关注。当前，传统的改善混凝土微观结构的方法是通过掺入粉煤灰、矿粉等活性矿物掺合料，这归功于粉煤灰、矿粉的微集料特性和活性效应。然而粉煤灰和矿粉等活性矿物掺合料自身的填充效应有限，其二次水化相比水泥水化滞后且效率较低，难以实现混凝土力学性能的提升和长时间保持结构稳定，尤其是在高温下力学性能不足。

基于上述缺陷，有必要对现有的水泥基材料进行改进，以提高其力学性能和耐高温性能。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出了一种抗高温水泥基复合材料及其制备方法，以提高水泥基材料的力学性能和耐高温性能。

第一方面，本发明提供了一种抗高温水泥基复合材料，包括以下原料：

水泥、水、砂、石墨烯以及羧基化碳纳米管，其中所述石墨烯以及羧基化碳纳米管的质量比为2:1～3:1。

可选的，所述的抗高温水泥基复合材料，所述羧基化碳纳米管的制备方法为：

将浓硫酸和浓硝酸混合后加入碳纳米管，于温度为105～115℃下回流8～12h，过滤后，洗涤至中性即得羧基化碳纳米管。

可选的，所述的抗高温水泥基复合材料，所述水泥采用强度等级为42.5的硅酸盐水泥。

可选的，所述的抗高温水泥基复合材料，所述砂为细骨料河砂，所述砂的细度模量为2.8～3.0，表观密度为2.5～2.7kg/m³。

可选的，所述的抗高温水泥基复合材料，所述浓硫酸和浓硝酸的体积比为2～5:1。

第二方面，本发明还提供了一种抗高温水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将羧基化碳纳米管、石墨烯放入水中超声搅拌分散得到第一悬浊液；

对第一悬浊液进行研磨，然后再次进行超声搅拌分散得到第二悬浊液；

将水泥和砂混合搅拌，然后加入水和第二悬浊液，继续搅拌即得水泥基复合材料。

可选的，所述的抗高温水泥基复合材料的制备方法，将羧基化碳纳米管、石墨烯放入水中以转速为120～180r/min超声搅拌分散30～60min，得到第一悬浊液；对第一悬浊液进行研磨，然后再次以转速为400～600r/min进行超声搅拌分散30～60min，得到第二悬浊液。

可选的，所述的抗高温水泥基复合材料的制备方法，使用砂磨机对第一悬浊液进行研磨，砂磨机的转速为1400～2000r/min。

可选的，所述的抗高温水泥基复合材料的制备方法，砂磨机的研磨时间为2～3h。

可选的，所述的抗高温水泥基复合材料的制备方法，将羧基化碳纳米管、石墨烯放入水中超声搅拌分散得到第一悬浊液，其中羧基化碳纳米管和石墨烯质量之和与水的体积比为(6～8)mg:1ml。

本发明的一种抗高温水泥基复合材料相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)本发明的抗高温水泥基复合材料，石墨烯作为一种优异的二维纳米材料，具有的优异的力学性能、极细的颗粒尺寸和优异的导热性行，但是石墨烯的昂贵价格却又是一个不容忽视的问题；而碳纳米管作为一种类似的一维碳基质纳米材料，虽然在材料性能上比石墨烯略逊，但是其成本却得到了有效的控制；通过将羧基化碳纳米管与石墨烯以一定比例混合，协同增效，使得水泥基复合材料获得更优异的力学和抗高温性能；

(2)本发明的抗高温水泥基复合材料的制备方法，通过特定的分散方法，使得石墨烯和碳纳米管都能在复合材料中的更好地分散，并且石墨烯和碳纳米管之间的界面结合更加紧密，从而分别充分发挥这两种纳米材料的互补增强性能，大幅提高了水泥基复合材料的耐高温性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的抗高温水泥基复合材料的制备方法工艺流程图；

图2为本发明的实施例1中制备得到的第二悬浊液以及对比例5中制备得到的第二悬浊液的sem图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本申请实施例提供了一种抗高温水泥基复合材料，包括以下重量份原料：

500份的水泥、1500份的砂、225份的水、0.25份的石墨烯和0.5份的羧基化碳纳米管。

需要说明的是，本申请实施例中，羧基化碳纳米管的制备方法为：将10g碳纳米管加入至600ml的浓硫酸和200ml的浓硝酸中，于110℃下回流8h，过滤后洗涤至中性(即ph为7)，干燥即得羧基化碳纳米管。

本申请实施例中水泥采用强度等级为42.5普通硅酸盐水泥；砂采用细骨料河砂，河砂的细度模量为2.8～3.0，表观密度为2.6～2.8kg/m³，具体的，本申请中细度模量为2.85，表观密度为2.7kg/m³，河砂中泥块含量<1.0％，mb值(即亚甲基蓝值)<1.4，此时的水泥基复合材料浇筑出来的工作性能最佳。

基于同一发明构思，本申请还提供了上述抗高温水泥基复合材料的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

s1、将羧基化碳纳米管、石墨烯放入水中超声搅拌分散得到第一悬浊液；

s2、对第一悬浊液进行研磨，然后再次进行超声搅拌分散得到第二悬浊液；

s3、将水泥和砂混合搅拌，然后加入水和第二悬浊液，继续搅拌即得水泥基复合材料。

具体的，s1中将重量份为0.25份的石墨烯和重量份为0.5份的羧基化碳纳米管加入至0.3l的水中，以转速为150r/min超声搅拌分散45min，得到第一悬浊液。

具体的，s2中使用砂磨机以转速为1700r/min，对第一悬浊液进行研磨3h，静置1小时，然后再次以转速为500r/min进行超声搅拌分散45min，得到第二悬浊液进行超声搅拌分散得到第二悬浊液；

具体的，s3中将重量份为500份的水泥、1500份的砂在搅拌机中干混20～60秒，然后加入重量份为225份的水中质量百分数为70％的水(即加入重量份为157.5份)以及第二悬浊液继续搅拌，再加入余下质量分数为30％的水(即加入重量份为67.5份)，继续搅拌即得水泥基复合材料。本申请的水泥基复合材料的制备方法，分三步混合，第一步将水泥、河砂混匀，使前期水泥基材料中的框架构造先混匀，从而保证后续原料加入后的流动性；第二部再加入羧基化碳纳米管和石墨烯制备的第二悬浊液和70％的水溶液混合均匀，使其更充分的与前期框架均匀混合反应，保证最后制得的混凝土密实度，在前期的两步混合的基础之上，最后一步均匀加入剩余的水溶液，备注整体过程中保证浆体的流动性，对最终的水泥基复合材料的抗高温性能的优化具有重要的影响。

本申请实施例中，石墨烯作为一种优异的二维纳米材料，具有的优异的力学性能、极细的颗粒尺寸和优异的导热性行，但是石墨烯的昂贵价格却又是一个不容忽视的问题；而碳纳米管作为一种类似的一维碳基质纳米材料，虽然在材料性能上比石墨烯略逊，但是其成本却得到了有效的控制；通过将羧基化碳纳米管与石墨烯以一定比例混合，协同增效，使得水泥基复合材料获得更优异的力学和抗高温性能。

本申请实施例中，通过特定的分散方法，使得石墨烯和碳纳米管都能在复合材料中的更好地分散，并且石墨烯和碳纳米管之间的界面结合更加紧密，从而分别充分发挥这两种纳米材料的互补增强性能，大幅提高了水泥基复合材料的耐高温性能。

实施例2

该抗高温水泥基复合材料，包括以下重量份原料：

500份的水泥、1500份的砂、225份的水、0.25份的石墨烯和0.75份的羧基化碳纳米管。

该抗高温水泥基复合材料的制备方法，同实施例1。

对比例1

该抗高温水泥基复合材料，包括以下重量份原料：500份的水泥、1500份的砂、225份的水、0.25份的石墨烯和0.25份的羧基化碳纳米管。

该抗高温水泥基复合材料的制备方法，同实施例1，不同在于制备过程中加入1:1质量比的羧基化碳纳米管和石墨烯。

对比例2

该抗高温水泥基复合材料，包括以下重量份原料：

500份的水泥、1500份的砂、225份的水、0.25份的石墨烯和1份的羧基化碳纳米管。

该抗高温水泥基复合材料的制备方法，同实施例1，不同在于制备过程中加入4:1质量比的羧基化碳纳米管和石墨烯。

对比例3

该抗高温水泥基复合材料，包括以下重量份原料：

500份的水泥、1500份的砂、225份的水、0.25份的石墨烯和0.50份的普通碳纳米管。

该抗高温水泥基复合材料的制备方法，同实施例1，不同在于制备过程中加未处理过的普通碳纳米管。

对比例4

该抗高温水泥基复合材料，包括以下重量份原料：

500份的水泥、1500份的砂、225份的水、0.25份的石墨烯和0.75份的普通碳纳米管。

该抗高温水泥基复合材料的制备方法，同实施例1，不同在于制备过程中加未处理过的普通碳纳米管。

对比例5

按照实施例1中的方法制备第二悬浊液，不同在于，加入的羧基化碳纳米管的重量份为1.0份。

分别测试实施例1中制备得到的第二悬浊液以及对比例5中制备得到的第二悬浊液的sem图，并以碳纳米管以及石墨烯作为对比，结果如图2所示。

图2中a为羧基化碳纳米管形态图、b为石墨烯形态图、c为实施例1中制备得到的第二悬浊液的形态图、d为对比例5中制备得到的第二悬浊液的形态图。

从图2中可知，原有的羧基化碳纳米管和石墨烯是紧密地缠绕和聚集在一起(图2中a和b)，团聚严重。然而，当将它们按照适量的比例混合在一起，再辅以本申请中实施例1中的方法进行分散，制备得到第二悬浊液(图2中c)，不同维度的羧基化碳纳米管与石墨烯之间存在弱的π-π相互叠加效应，致使一维的羧基化碳纳米管会吸附在二维的石墨烯纳米片表面，从而形成一种相对的稳定状态，此时可以获得优异的分散性。然而，当羧基化碳纳米管和石墨烯重量比例过大时，即使经过相同的处理过程，可以明显地观察到再团聚现象的出现(图2d)，无法实现均匀分散的效果。综上，本申请中，石墨烯与羧基化碳纳米管在适当的重量混合比例下可以获得优异的分散效果，有利于在水泥基材料中的搅拌和施工。

将上述实施例1～2以及对比例1～4制备得到的水泥基复合材料输送至模具中，灌满后抹平并用保鲜膜覆盖，养护后拆模，制得样品，按照gb/t50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》标准，检测其各项性能，结果如下表1所示。

表1-不同实施例制备得到的水泥基复合材料的性能

由表1可知，实施例1～2制备得到的水泥基复合材料相比对比例1～4制备得到的水泥基复合材料，在各个温度下抗压强度和抗折强度均有显著性提高，充分说明本申请中加入适量比例的羧基化碳纳米管和石墨烯，可以有效提高水泥复合材料的耐高温性能，其中实施例1实现了最大的提升效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。