一种寡层石墨烯改性混凝土及其制备方法

本发明属于混凝土材料，具体涉及一种寡层石墨烯改性混凝土及其制备方法。

背景技术：

1、混凝土由于具有原料丰富，价格低廉，生产工艺简单、硬化前可塑性良好、力学性能可调等优点，而被广泛应用于土木工程。但是混凝土自身也存在抗压强度低、韧性差等缺点，尤其是在温度较低的环境下，水在混凝土的毛细孔中产生体积膨胀和水迁移而形成膨胀压与渗透压，导致混凝土容易出现裂缝而造成冻融破坏。混凝土的冻融破坏已成为我国建筑物老化病害的主要问题之一，严重影响了建筑物的长期使用和安全运行。因此，如何提高混凝土的抗冻融能力是本领域技术人员的研究重点。

2、现阶段，为了提高混凝土的抗冻融能力，通常在混凝土中加入石墨烯，意图利用石墨烯阻止水分进入或迁移至混凝土内部，提高混凝土的耐腐蚀性并抑制裂缝产生。目前石墨烯的制备方法有：1)氧化还原法：利用氧化剂将天然石墨氧化制得；2)利用剥离法或者膨胀法制得。但是，氧化还原法需要经历石墨的氧化过程，而石墨在氧化过程中容易引入大量缺陷，难以制备高质量石墨烯，剥离法和膨胀法的操作步骤繁琐，产率低且良品率低，并且上述方法制得的石墨烯均为多层石墨烯，利用这些石墨烯制备水基石墨烯分散液过程中制备工艺繁琐、成本较高，不利于工业化的生产，这些多层石墨烯很难在水溶液或其他常用溶剂中分散，且石墨烯在水性溶液中容易团聚，难以发挥石墨烯的改性作用。

技术实现思路

1、本发明提供一种寡层石墨烯改性混凝土的制备方法，通过引入寡层石墨烯、表面活性剂并进行砂磨处理能够制得分散良好的石墨烯分散液，并利用分散良好的石墨烯分散液，避免了石墨烯在混凝土中团聚，使石墨烯有效填充进混凝土孔隙中，提升混凝土的致密度，从而提高混凝土的抗冻融能力和耐久性等性能。

2、本发明还提供一种寡层石墨烯改性混凝土，由于采用上述方法制得，该混凝土的致密度高，在抗冻融性、耐久性等方面表现优异。

3、本发明的第一方面，提供一种寡层石墨烯改性混凝土的制备方法，包括以下步骤：

4、将寡层石墨烯加入第一溶剂中形成第一混合液；将表面活性剂与所述第一混合液混合，形成第二混合液；

5、对所述第二混合液进行砂磨处理，得到石墨烯分散液；

6、将水泥、细砂、粉煤灰、碎石、减水剂和第二溶剂混合均匀，得到第一分散液；在第一分散液中加入所述石墨烯分散液，混合均匀后，得到第二分散液；其中，第一溶剂、第二溶剂为水；

7、对第二分散液依次进行成型处理、干燥处理后，得到寡层石墨烯改性混凝土；

8、所述表面活性剂选自羧甲基纤维素、牛黄脱氧胆酸钠、胆酸钠、邻二氯苯、十六烷基三甲基溴化铵中的至少一种。

9、如上所述的制备方法，其中，在所述石墨烯分散液中，所述寡层石墨烯的质量分数为5～15％，所述表面活性剂的质量分数为1.1～1.8％。

10、如上所述的制备方法，其中，所述表面活性剂选自羧甲基纤维素。

11、如上所述的制备方法，其中，所述砂磨处理的转速为1500～2500r/s，时间为2～3h。

12、如上所述的制备方法，其中，所述第二分散液按照质量份数包括：水泥385～420份、细砂595～680份、粉煤灰40～65份、第一碎石315～450份、第二碎石650～915份、减水剂4.5～7.5份、第二溶剂155～215份、石墨烯分散液1～10份。

13、如上所述的制备方法，其中，所述水泥选自硅酸盐类水泥；优选地，所述水泥选自普通硅酸盐水泥或粉煤灰硅酸盐水泥；

14、所述细砂选自天然河砂，所述天然河砂的细度模数为2.5～3.0，含泥量小于1.8％；

15、所述碎石由第一碎石和第二碎石组成，其中，所述第一碎石和第二碎石的质量比(1：3)～(2：3)，第一碎石的粒径为8～15mm，第二碎石的粒径为15～25mm。

16、如上所述的制备方法，其中，所述寡层石墨烯通过包括以下过程的方法制得：将石墨粉加入球磨罐内，向所述球磨罐内通入超临界co2流体，使球磨罐压力升到7.5mpa～12mpa，将体系温度升至35～60℃后进行球磨辅助剥离反应，得到所述寡层石墨烯。

17、如上所述的制备方法，其中，所述石墨烯改性混凝土中，所述寡层石墨烯的质量分数为0.006％～0.03％。

18、本发明的第二方面，提供一种石墨烯改性混凝土，采用如上第一方面所述的制备方法制得。

19、本发明的实施，至少具有以下有益效果：

20、本发明提供的寡层石墨烯改性混凝土的制备方法，通过对寡层石墨烯和表面活性剂在第一溶剂中进行砂磨处理，能够制得分散良好的石墨烯分散液，避免石墨烯在水性溶液中团聚，同时，由于表面活性剂与寡层石墨烯相互作用，使得寡层石墨烯的片层结构上具备丰富的活性基团，活性基团为水泥的水化产物的形成提供了生长点，同时，寡层石墨烯的比表面积大，能起到模板作用，有利于促进水化晶体生长为花状晶体簇结构，得到三维立体结构的水化产物，提升混凝土的致密度，因此，本发明更好的将寡层石墨烯填充混凝土的缝隙，同时，利用表面活性剂改性所赋予石墨烯的分散作用使其在复合材料中可以起到桥接作用，从而提升混凝土的整体性能，例如提高混凝土的力学性能、抗冻融能力和耐久性等。

技术特征：

1.一种寡层石墨烯改性混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述石墨烯分散液中，所述寡层石墨烯的质量分数为5～15％，所述表面活性剂的质量分数为1.1～1.8％。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂选自羧甲基纤维素。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述砂磨处理的转速为1500～2500r/s，时间为2～3h。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二分散液按照质量份数包括：水泥385～420份、细砂595～680份、粉煤灰40～65份、第一碎石315～450份、第二碎石650～915份、减水剂4.5～7.5份、第二溶剂155～215份、石墨烯分散液1～10份。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水泥选自硅酸盐类水泥；优选地，所述水泥选自普通硅酸盐水泥或粉煤灰硅酸盐水泥；

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碎石由第一碎石和第二碎石组成，其中，所述第一碎石和第二碎石的质量比为(1：3)～(2：3)，第一碎石的粒径为8～15mm，第二碎石的粒径为15～25mm。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述寡层石墨烯通过包括以下过程的方法制得：将石墨粉加入球磨罐内，向所述球磨罐内通入超临界co2流体，使球磨罐压力升到7.5mpa～12mpa，将体系温度升至35～60℃后进行球磨辅助剥离反应，得到所述寡层石墨烯。

9.根据权利要求1-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯改性混凝土中，所述寡层石墨烯的质量分数为0.006％～0.03％。

10.一种寡层石墨烯改性混凝土，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的制备方法制得。

技术总结
本发明提供一种寡层石墨烯改性混凝土及其制备方法，制备方法包括以下步骤：将寡层石墨烯加入第一溶剂中形成第一混合液；将表面活性剂与所述第一混合液混合，形成第二混合液；对所述第二混合液进行砂磨处理，得到石墨烯分散液；将水泥、细砂、碎石、粉煤灰、减水剂、第二溶剂混合均匀，得到第一分散液；在第一分散液中加入所述石墨烯分散液，混合均匀后，得到第二分散液；其中，第一溶剂、第二溶剂各自独立地选自水；对第二分散液依次进行成型处理、干燥处理后，得到石墨烯改性混凝土。能够利用分散良好的石墨烯分散液，使石墨烯有效填充进混凝土孔隙中，提升混凝土的致密度，从而提高混凝土的抗冻融能力和耐久性等性能。

技术研发人员：杨帆,张肖云,王也,袁俊伟,李永峰
受保护的技术使用者：中国石油大学（北京）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15