一种应用于机场道面的高强度水泥基复合材料的制作方法

1.本发明涉及水泥材料领域，特别涉及一种应用于机场道面的高强度水泥基复合材料。


背景技术：

2.机场道路是飞机起飞降落的重要设施，其特性严重影响着飞机和人民生命的安全。机场跑道会长期受到飞机滑行摩擦、起降冲击以及重载力负荷，所以，对跑道材料的抗压、抗折强度等力学性能有较高的要求。现有技术中提供了一些可用于机场道路的水泥材料，例如专利cn1155533c公开的机场道路专用水泥及其生产方法、专利cn114368948a公开的一种自发光自清洁环保耐磨水泥基机场路面材料及其制备方法等，但随着对机场水泥材料要求的日益趋高，现有的这些水泥基材料的强度已难以满足应用需求，所以，现在有必要对现有技术进行改进，以提供更加可靠的方案。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种应用于机场道面的高强度水泥基复合材料。
4.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种应用于机场道面的高强度水泥基复合材料，其由按重量份计的以下组分制备得到：
[0005][0006]
优选的是，所述胶凝材料按重量百分比计包括以下组分：石灰石粉8-28％、硫酸钙1-4％、粉煤灰3-16％、增强辅料5-25％，余量为硅酸盐水泥。
[0007]
优选的是，所述增强辅料为负载羧基化氧化石墨烯的多孔煤矸石粉。
[0008]
优选的是，所述增强辅料通过以下方法制备得到：
[0009]
1)通过丁二酸酰基过氧化物对氧化石墨烯进行表面羧基化，制备羧基化氧化石墨烯；
[0010]
2)通过煤矸石制备多孔活化煤矸石粉；
铝胶，减缓了水泥水化收缩造成的孔隙率增加，提高了水泥水化致密度和抗侵蚀能力；从而借由孔煤矸石粉载体和其上的负载物氧化石墨烯的双重作用，可大大提高水泥的机械强度、抗蚀性、耐久性等综合性能；
[0035]
本发明中，通过添加碳酸钙晶须能够改善水泥基复合材料多缝开裂行为，碳酸钙晶须通过晶须拔出、裂纹偏转和裂纹侨联等微观作用能够改善水泥材料的抗折性能，使其强度显著提升。
具体实施方式
[0036]
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0037]
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
[0038]
本发明提供一种应用于机场道面的高强度水泥基复合材料，其由按重量份计的以下组分制备得到：
[0039][0040]
在优选的实施例中，骨料为0.2-2.5mm的石英砂。
[0041]
在优选的实施例中，聚乙烯醇纤维的长度为6-18mm。
[0042]
在优选的实施例中，消泡剂为聚硅氧烷类消泡剂byk-065。
[0043]
在优选的实施例中，减水剂为聚羧酸减水剂。
[0044]
其中，胶凝材料按重量百分比计包括以下组分：石灰石粉8-28％、硫酸钙1-4％、粉煤灰3-16％、增强辅料5-25％，余量为硅酸盐水泥。
[0045]
其中，增强辅料为负载羧基化氧化石墨烯的多孔煤矸石粉，具体的，其通过以下方法制备得到：
[0046]
1)通过丁二酸酰基过氧化物对氧化石墨烯进行表面羧基化，制备羧基化氧化石墨烯：
[0047]
1-1)合成丁二酸酰基过氧化物：将双氧水、丁二酸酐加入去离子水中，冰浴(5-9℃)下搅拌反应，直至出现白色凝胶；静置后减压过滤，固体产物真空干燥，得到丁二酸酰基过氧化物；
[0048]
1-2)氧化石墨烯的羧基化：
[0049]
将氧化石墨烯分散于二甲基甲酰胺中，80-90℃下反应，在反应过程中，每隔一段时间加入一定量的步骤1-1)制得的丁二酸酰基过氧化物，反应完成后冷却，减压过滤，固体产物洗涤，真空干燥，得到羧基化氧化石墨烯。
[0050]
本发明中，利用丁二酸酰基过氧化物热分解生成端羧基自由基，借由自由基加成法将羧基引入到氧化石墨烯表面，通过修饰羧基对氧化石墨烯进行改进，能够为其表面引入活性位点，便于连接到多孔煤矸石粉上，且还能够改善氧化石墨烯得到分散性。
[0051]
2)通过煤矸石制备多孔活化煤矸石粉：
[0052]
2-1)制备多孔煤矸石粉：
[0053]
2-1-1)将煤矸石研磨至200目以下的含量大于95％，得到煤矸石粉；在优选的实施例中，煤矸石选用高铝煤矸石，其中的al2o3质量百分含量＞28％；
[0054]
2-1-2)将煤矸石粉与铝粉混合，搅拌均匀，然后加水，持续搅拌下反应3-8h；
[0055]
2-1-3)将步骤2-1-2)的产物在搅拌下干燥，之后于700-950℃下焙烧4-10h，产物粉碎，得到多孔煤矸石粉；
[0056]
2-2)对煤矸石粉进行活化改性，制备多孔煤矸石粉：
[0057]
将步骤2-1)得到的多孔煤矸石粉分散到乙醇中，再加入γ-氨丙基三乙氧基硅烷，超声分散0.5-2h，在80-115℃、持续搅拌下反应3-8小时，离心，固体产物清洗，然后加入到水中，搅拌成浆液状，得到多孔活化煤矸石粉的浆液，备用。
[0058]
3)将步骤1)制得的羧基化氧化石墨烯负载于多孔活化煤矸石粉，得到增强辅料：
[0059]
3-1)将羧基化氧化石墨烯分散于水中，得到羧基化氧化石墨烯分散液；
[0060]
3-2)在搅拌状态下，将羧基化氧化石墨烯分散液加入到步骤2)得到的多孔活化煤矸石粉的浆液中，持续搅拌下反应2-10h，真空干燥，产物粉碎，得到负载羧基化氧化石墨烯的多孔煤矸石粉，即增强辅料。增强辅料中，羧基化氧化石墨烯的质量含量为0.4-12％。
[0061]
本发明中通过在水泥基材料中掺杂增强辅料，能够大幅度提高其抗折、抗渗性和抗冲击性能，使其机械强度得到显著提升。
[0062]
氧化石墨烯是一种由碳原子单层排列而成且具有二维平面蜂窝状晶格结构的碳纳米材料，氧化石墨烯因其纳米尺寸与特色的结构，表现出优异的物理、化学特性，从而可作为功能性成分，应用于多种材料中，能够有效提升材料的机械强度。然而，氧化石墨烯的易团聚特性是其使用过程中不得不面对的难题，其在材料体系中的团聚会极大限制氧化石墨烯强化功能的发挥。
[0063]
本发明中，通过采用多孔煤矸石粉作为载体负载氧化石墨烯，能够很好的解决上述问题，使氧化石墨烯能够均匀分散到水泥体系中，以充分发挥其提升水泥抗折、抗渗性和抗冲击性能的功能。同时，该负载结构，还在水泥体系中引入了大量氧化铝，能够在水泥水化过程中抑制水泥水化产物水化铝酸三钙(c3ah6)的形成，且还会形成更多的ah3铝胶，减缓了水泥水化收缩造成的孔隙率增加，提高了水泥水化致密度和抗侵蚀能力。从而借由孔煤矸石粉载体和其上的负载物氧化石墨烯的双重作用，可大大提高水泥的强度、抗蚀性、耐久性等宏观性能。
[0064]
具体的，本发明中，首先将煤矸石粉与发泡剂铝粉加入水中，借助反应过程中产生的气体，使煤矸石粉形成大量微孔结构，之后通过焙烧得到高al2o3的多孔煤矸石粉，其中主要反应包括：
[0065]
2al+6h2o
→
al(oh)3↓
+3h2↑
；
[0066]
4al+3o2→
2al2o3；
[0067]
2al(oh)3→
al2o3+3h2o
↑
。
[0068]
通过反应产生的强烈气体作用，在煤矸石粉中冲蚀形成大量微细孔隙结构，得到多孔煤矸石粉。之后通过γ-氨丙基三乙氧基硅烷对多孔煤矸石粉进行活化改性，在其表面和孔隙中引入氨基官能团，得到多孔活化煤矸石粉，以便于负载氧化石墨烯。
[0069]
本发明中，先对氧化石墨烯进行羧基化处理，在氧化石墨烯表面引入大量的羧基，既增加了其活性位点，又改善了其分散性；借由氨基官能团与羧基的键桥连接，能使氧化石墨烯均匀、稳定连接到煤矸石粉表面，形成氧化石墨烯-多孔活化煤矸石粉的结构体系，通过煤矸石粉的负载使得氧化石墨烯能够充分、均匀分散到水泥体系中，从而能够显著提升水泥材料的综合性能。
[0070]
本发明中，通过添加碳酸钙晶须能够改善水泥基复合材料多缝开裂行为，碳酸钙晶须通过晶须拔出、裂纹偏转和裂纹侨联等微观作用能够改善水泥材料的抗折性能，使其强度显著提升。
[0071]
本发明中，通过添加聚乙烯醇纤维，能够进一步提高水泥基复合材料的机械强度。
[0072]
在优选的实施例中，该应用于机场道面的高强度水泥基复合材料，通过以下方法制备得到：
[0073]
s1、将胶凝材料、碳酸钙晶须和骨料干拌2-5min，得到干料混合物；
[0074]
s2、将丙烯酸乳液、减水剂、消泡剂加入水中，搅拌2-5min，然后加入干料混合物混合物，搅拌1-3min；
[0075]
s3、加入聚乙烯醇纤维，继续搅拌2-6min，得到该高强度水泥基复合材料。
[0076]
以上为本发明的总体构思，以下在其基础上提供更为详细的实施例和对比例，以对本发明做进一步说明。
[0077]
实施例1
[0078]
一种应用于机场道面的高强度水泥基复合材料，其由按重量份计的以下组分制备得到：
[0079][0080]
其中，骨料为0.2-2.5mm的石英砂，聚乙烯醇纤维的长度为6-18mm，消泡剂为聚硅氧烷类消泡剂byk-065，减水剂为聚羧酸减水剂。
[0081]
其中，胶凝材料按重量百分比计包括以下组分：石灰石粉14％、硫酸钙1.5％、粉煤灰5％、增强辅料10％，余量为硅酸盐水泥。
[0082]
其中，增强辅料为负载羧基化氧化石墨烯的多孔煤矸石粉，具体的，其通过以下方法制备得到：
[0083]
1)通过丁二酸酰基过氧化物对氧化石墨烯进行表面羧基化，制备羧基化氧化石墨烯：
[0084]
1-1)合成丁二酸酰基过氧化物：将双氧水、丁二酸酐、去离子水加入三口烧瓶中中，双氧水：丁二酸酐：去离子水的质量比为1:1.3:1.9，冰浴(7℃)下搅拌反应3h，直至出现白色凝胶；静置3.5h后减压过滤，固体产物55℃下真空干燥20h，得到丁二酸酰基过氧化物；
[0085]
1-2)氧化石墨烯的羧基化：
[0086]
将氧化石墨烯分散于二甲基甲酰胺中，超声分散1.5h，90℃下反应72h，在反应过程中，每24h加入一定量(每次都与的加入量相同)的步骤1-1)制得的丁二酸酰基过氧化物，反应完成后冷却至室温，减压过滤，固体产物洗涤，80℃下真空干燥12h，得到羧基化氧化石墨烯。
[0087]
2)通过煤矸石制备多孔活化煤矸石粉：
[0088]
本实施例中，煤矸石来自山东某煤矿，其主要成分为(质量百分含量)：al2o
3 32％、fe2o
3 5.1％、mgo 3.3％、cao 0.9％，余量为sio2少量其他杂质。氧化石墨烯购自中航联合石墨烯技术有限公司。
[0089]
2-1)制备多孔煤矸石粉：
[0090]
2-1-1)将煤矸石研磨至200目以下的含量大于95％，得到煤矸石粉；
[0091]
2-1-2)将煤矸石粉与铝粉混合，搅拌均匀，然后加水，持续搅拌下反应3-8h；
[0092]
2-1-3)将步骤2-1-2)的产物在搅拌下干燥，之后于900℃下焙烧6h，产物粉碎，得到多孔煤矸石粉；
[0093]
2-2)对煤矸石粉进行活化改性，制备多孔煤矸石粉：
[0094]
将步骤2-1)得到的多孔煤矸石粉分散到乙醇中，再加入γ-氨丙基三乙氧基硅烷，超声分散0.5h，在95℃、持续搅拌下反应4小时，离心，固体产物清洗，然后加入到水中，搅拌成浆液状，得到多孔活化煤矸石粉的浆液，备用。
[0095]
3)将步骤1)制得的羧基化氧化石墨烯负载于多孔活化煤矸石粉，得到增强辅料：
[0096]
3-1)将羧基化氧化石墨烯分散于水中，得到羧基化氧化石墨烯分散液；
[0097]
3-2)在搅拌状态下，将羧基化氧化石墨烯分散液加入到步骤2)得到的多孔活化煤矸石粉的浆液中，持续搅拌下反应7h，真空干燥，产物粉碎，得到负载羧基化氧化石墨烯的多孔煤矸石粉，即增强辅料。增强辅料中，羧基化氧化石墨烯的质量含量为5％。
[0098]
该应用于机场道面的高强度水泥基复合材料，通过以下方法制备得到：
[0099]
s1、将胶凝材料、碳酸钙晶须和骨料干拌3min，得到干料混合物；
[0100]
s2、将丙烯酸乳液、减水剂、消泡剂加入水中，搅拌3min，然后加入干料混合物混合物，搅拌2min；
[0101]
s3、加入聚乙烯醇纤维，继续搅拌3min，得到该高强度水泥基复合材料。
[0102]
实施例2
[0103]
一种应用于机场道面的高强度水泥基复合材料，其由按重量份计的以下组分制备
得到：
[0104][0105]
其中，骨料为0.2-2.5mm的石英砂，聚乙烯醇纤维的长度为6-18mm，消泡剂为聚硅氧烷类消泡剂byk-065，减水剂为聚羧酸减水剂。
[0106]
其中，胶凝材料按重量百分比计包括以下组分：石灰石粉14％、硫酸钙1.5％、粉煤灰5％、增强辅料14％，余量为硅酸盐水泥。
[0107]
其中，增强辅料为负载羧基化氧化石墨烯的多孔煤矸石粉，具体的，其通过以下方法制备得到：
[0108]
1)通过丁二酸酰基过氧化物对氧化石墨烯进行表面羧基化，制备羧基化氧化石墨烯：
[0109]
1-1)合成丁二酸酰基过氧化物：将双氧水、丁二酸酐、去离子水加入三口烧瓶中中，双氧水：丁二酸酐：去离子水的质量比为1:1.3:1.9，冰浴(7℃)下搅拌反应3h，直至出现白色凝胶；静置3.5h后减压过滤，固体产物55℃下真空干燥20h，得到丁二酸酰基过氧化物；
[0110]
1-2)氧化石墨烯的羧基化：
[0111]
将氧化石墨烯分散于二甲基甲酰胺中，超声分散1.5h，90℃下反应72h，在反应过程中，每24h加入一定量(每次都与的加入量相同)的步骤1-1)制得的丁二酸酰基过氧化物，反应完成后冷却至室温，减压过滤，固体产物洗涤，80℃下真空干燥12h，得到羧基化氧化石墨烯。
[0112]
2)通过煤矸石制备多孔活化煤矸石粉：
[0113]
本实施例中，煤矸石来自山东某煤矿，其主要成分为(质量百分含量)：al2o
3 32％、fe2o
3 5.1％、mgo 3.3％、cao 0.9％，余量为sio2少量其他杂质。氧化石墨烯购自中航联合石墨烯技术有限公司。
[0114]
2-1)制备多孔煤矸石粉：
[0115]
2-1-1)将煤矸石研磨至200目以下的含量大于95％，得到煤矸石粉；
[0116]
2-1-2)将煤矸石粉与铝粉混合，搅拌均匀，然后加水，持续搅拌下反应3-8h；
[0117]
2-1-3)将步骤2-1-2)的产物在搅拌下干燥，之后于900℃下焙烧6h，产物粉碎，得到多孔煤矸石粉；
[0118]
2-2)对煤矸石粉进行活化改性，制备多孔煤矸石粉：
[0119]
将步骤2-1)得到的多孔煤矸石粉分散到乙醇中，再加入γ-氨丙基三乙氧基硅烷，
超声分散0.5h，在95℃、持续搅拌下反应4小时，离心，固体产物清洗，然后加入到水中，搅拌成浆液状，得到多孔活化煤矸石粉的浆液，备用。
[0120]
3)将步骤1)制得的羧基化氧化石墨烯负载于多孔活化煤矸石粉，得到增强辅料：
[0121]
3-1)将羧基化氧化石墨烯分散于水中，得到羧基化氧化石墨烯分散液；
[0122]
3-2)在搅拌状态下，将羧基化氧化石墨烯分散液加入到步骤2)得到的多孔活化煤矸石粉的浆液中，持续搅拌下反应7h，真空干燥，产物粉碎，得到负载羧基化氧化石墨烯的多孔煤矸石粉，即增强辅料。增强辅料中，羧基化氧化石墨烯的质量含量为5％。
[0123]
该应用于机场道面的高强度水泥基复合材料，通过以下方法制备得到：
[0124]
s1、将胶凝材料、碳酸钙晶须和骨料干拌3min，得到干料混合物；
[0125]
s2、将丙烯酸乳液、减水剂、消泡剂加入水中，搅拌3min，然后加入干料混合物混合物，搅拌2min；
[0126]
s3、加入聚乙烯醇纤维，继续搅拌3min，得到该高强度水泥基复合材料。
[0127]
实施例3
[0128]
一种应用于机场道面的高强度水泥基复合材料，其由按重量份计的以下组分制备得到：
[0129][0130]
其中，骨料为0.2-2.5mm的石英砂，聚乙烯醇纤维的长度为6-18mm，消泡剂为聚硅氧烷类消泡剂byk-065，减水剂为聚羧酸减水剂。
[0131]
其中，胶凝材料按重量百分比计包括以下组分：石灰石粉14％、硫酸钙1.5％、粉煤灰5％、增强辅料10％，余量为硅酸盐水泥。
[0132]
其中，增强辅料为负载羧基化氧化石墨烯的多孔煤矸石粉，具体的，其通过以下方法制备得到：
[0133]
1)通过丁二酸酰基过氧化物对氧化石墨烯进行表面羧基化，制备羧基化氧化石墨烯：
[0134]
1-1)合成丁二酸酰基过氧化物：将双氧水、丁二酸酐、去离子水加入三口烧瓶中中，双氧水：丁二酸酐：去离子水的质量比为1:1.3:1.9，冰浴(7℃)下搅拌反应3h，直至出现白色凝胶；静置3.5h后减压过滤，固体产物55℃下真空干燥20h，得到丁二酸酰基过氧化物；
[0135]
1-2)氧化石墨烯的羧基化：
[0136]
将氧化石墨烯分散于二甲基甲酰胺中，超声分散1.5h，90℃下反应72h，在反应过
程中，每24h加入一定量(每次都与的加入量相同)的步骤1-1)制得的丁二酸酰基过氧化物，反应完成后冷却至室温，减压过滤，固体产物洗涤，80℃下真空干燥12h，得到羧基化氧化石墨烯。
[0137]
2)通过煤矸石制备多孔活化煤矸石粉：
[0138]
本实施例中，煤矸石来自山东某煤矿，其主要成分为(质量百分含量)：al2o
3 32％、fe2o
3 5.1％、mgo 3.3％、cao 0.9％，余量为sio2少量其他杂质。氧化石墨烯购自中航联合石墨烯技术有限公司。
[0139]
2-1)制备多孔煤矸石粉：
[0140]
2-1-1)将煤矸石研磨至200目以下的含量大于95％，得到煤矸石粉；
[0141]
2-1-2)将煤矸石粉与铝粉混合，搅拌均匀，然后加水，持续搅拌下反应3-8h；
[0142]
2-1-3)将步骤2-1-2)的产物在搅拌下干燥，之后于900℃下焙烧6h，产物粉碎，得到多孔煤矸石粉；
[0143]
2-2)对煤矸石粉进行活化改性，制备多孔煤矸石粉：
[0144]
将步骤2-1)得到的多孔煤矸石粉分散到乙醇中，再加入γ-氨丙基三乙氧基硅烷，超声分散0.5h，在95℃、持续搅拌下反应4小时，离心，固体产物清洗，然后加入到水中，搅拌成浆液状，得到多孔活化煤矸石粉的浆液，备用。
[0145]
3)将步骤1)制得的羧基化氧化石墨烯负载于多孔活化煤矸石粉，得到增强辅料：
[0146]
3-1)将羧基化氧化石墨烯分散于水中，得到羧基化氧化石墨烯分散液；
[0147]
3-2)在搅拌状态下，将羧基化氧化石墨烯分散液加入到步骤2)得到的多孔活化煤矸石粉的浆液中，持续搅拌下反应7h，真空干燥，产物粉碎，得到负载羧基化氧化石墨烯的多孔煤矸石粉，即增强辅料。增强辅料中，羧基化氧化石墨烯的质量含量为5％。
[0148]
该应用于机场道面的高强度水泥基复合材料，通过以下方法制备得到：
[0149]
s1、将胶凝材料、碳酸钙晶须和骨料干拌3min，得到干料混合物；
[0150]
s2、将丙烯酸乳液、减水剂、消泡剂加入水中，搅拌3min，然后加入干料混合物混合物，搅拌2min；
[0151]
s3、加入聚乙烯醇纤维，继续搅拌3min，得到该高强度水泥基复合材料。
[0152]
对比例1
[0153]
本例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：
[0154]
本例中的胶凝材料按重量百分比计包括以下组分：石灰石粉14％、硫酸钙1.5％、粉煤灰5％，余量为硅酸盐水泥。
[0155]
对比例2
[0156]
本例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：
[0157]
本例中的胶凝材料按重量百分比计包括以下组分：石灰石粉14％、硫酸钙1.5％、粉煤灰5％、多孔活化煤矸石粉9.5％、氧化石墨烯0.5％，余量为硅酸盐水泥。
[0158]
其中，多孔活化煤矸石粉的制备方法与实施例1的步骤2)相同，煤矸石、氧化石墨烯的来源也与实施例1相同。
[0159]
对比例3
[0160]
本例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：
[0161]
本例中的应用于机场道面的高强度水泥基复合材料，其由按重量份计的以下组分
制备得到：
[0162][0163][0164]
以下对实施例1-3和对比例1-5制备的水泥进行以下性能测试：
[0165]
按gb/t17671-1999标准测试3天和28天强度；
[0166][0167]
从实施例1-3的结果可以看出，本发明制备的高强度水泥基复合材料具有优异的机械强度；从对比例1-2与实施例1的对比结果可以看出，采用氧化石墨烯-多孔活化煤矸石粉的结构体系能够显著提升水泥材料的强度，这是氧化石墨烯与多孔活化煤矸石粉以单一形式添加所无法达到的效果。从对比例3与实施例1的对比结果可以看出碳酸钙晶须能够进一步提升水泥材料的强度。
[0168]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。