氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合材料及其制备方法；复合材料通过如下原料制备而成：水泥、氧化石墨烯、Fe3O4磁性纳米颗粒、减水剂和水；其中，水泥、氧化石墨烯、Fe3O4磁性纳米颗粒和减水剂的质量比为100：（0.02~0.08）：（0.1~0.4）：（0.08~0.16）。本发明专利技术通过外加磁场控制氧化石墨烯纳米片在水泥基体中的取向和空间位置，在一定程度上实现了氧化石墨烯在水泥基体中的可控定向分散，并且定向排布的磁性氧化石墨烯对水泥基复合材料力学性能的提高发挥着更大的作用，达到了高效使用氧化石墨烯的目标，降低经济成本，推动氧化石墨烯在实际建筑工程中的应用。氧化石墨烯在实际建筑工程中的应用。氧化石墨烯在实际建筑工程中的应用。

【技术实现步骤摘要】
氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于非金属元素的无机材料
，特别涉及水泥材料，具体为一种氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]水泥作为混凝土最主要原材料，其生产贡献了全球近10%的二氧化碳排放。考虑到目前水泥基复合材料尚没有很好的替代者，因此增强水泥基复合材料的力学性能和耐久性，提高其使用效率就显得非常迫切。抗压强度高的混凝土，其抗拉强度较差，往往导致脆性破坏。在外部荷载作用下，混凝土内部产生微裂缝，在外部荷载的持续作用下，微裂缝不断融合扩展形成宏观裂缝，最终导致结构脆性断裂。减少有害裂缝、优化孔隙结构是提高水泥基材料性能的关键。
[0003]近年来，纳米材料的发展为水泥基复合材料性能的改善提供了宝贵的机遇。纳米材料在改性胶凝基质的不同方面有着广泛的应用，如力学性能和环境影响等。氧化石墨烯是一种新型2D纳米材料，与0D和1D纳米材料相比，具有更大的比表面积和丰富的含氧官能团（
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OH、
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COOH和C
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O
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C），能够为水泥的水化提供大量的成核位点，并且其表面丰富的含氧官能团可以促进其与水泥水化产物的相互作用。氧化石墨烯可以提高水泥基复合材料的机械强度和耐久性，因为它可以为水泥水化提供大量的成核位点，并且与水泥水化产物能很好地相互作用。氧化石墨烯的这些卓越的性能可以细化水泥基复合材料的孔隙结构，提高水泥基复合材料的力学性能，并在腐蚀环境中起到物理屏障作用进而提高耐久性（具体参考文献Li X, Liu Y M, Li W G, et al. Constr. Build. Mater, 2017, 145: 402
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410. Mohammed A, Sanjayan J G, Duan W H, et al. Constr. Build. Mater, 2015, 84: 341
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347. Chuah S, Pan Z, Sanjayan J G, et al. Constr. Build. mater, 2014, 73: 113
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124.）。因此，氧化石墨烯具有增强水泥基复合材料宏观性能和优化微观结构的潜力，是下一代水泥掺合料的候选材料，在建筑行业具有广阔的应用前景。
[0004]在目前对氧化石墨烯增强水泥基复合材料的研究中，氧化石墨烯可以随机均匀地分布在水泥基体中。然而，氧化石墨烯相对较高的成本使其很难在实际工程中广泛应用。因此，研究如何在水泥基复合材料中实现氧化石墨烯的高效利用至关重要。纳米材料发挥有效作用的决定性因素在于其分散程度，提高纳米材料增强水泥基复合材料效果的一个关键挑战是团聚。与人造材料相比，天然复合材料(如生物壳和牙齿等)是自然界中独特的增强结构实例，它们已经进化了数亿年，为增强胶凝系统提供了新的和未开发的设计原则。天然材料中的强化不仅包括一维纤维，还包括二维的构建块，如贝壳中发现的碳酸钙血小板和牙齿和骨骼中存在的羟基磷灰石片。为了模拟具有微尺度增强的生物仿生复合材料，近年来人们一直在研究各种控制微尺度增强元素取向的方法。例如专利申请CN103130436A和专利申请CN109400038A提供了使用分散剂、减水剂等化学表面活性剂协助生产氧化石墨烯增强水泥基复合材料的方法，这些方法虽可以在一定程度上改善了氧化石墨烯的分散，但缺点是分散作用十分局限，不能使GO在水泥基复合材料中达到理想的分散效果，并未从根本
上解决带负电的氧化石墨烯在含有大量Ca
2+
的碱性水泥基复合材料中的分散问题。专利申请CN108314380A提出了一种氧化石墨烯
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四氧化三铁磁液
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水泥基复合材料及其制备的方法，但这种先将水泥与四氧化三铁磁液进行球磨混合之后再加入氧化石墨烯悬浮液的方法不仅对氧化石墨烯的分散效果不尽人意，且工艺繁琐，经济性较差。
[0005]此外，在氧化石墨烯增强水泥基复合材料中的现有研究中，氧化石墨烯在水泥基质中的分散是呈随机乱向的。然而，在实际工程中很多结构构件在服役期间，其受力方向往往是固定不变的。若采用传统方法制备乱向分布的氧化石墨烯增强水泥复合材料，仅有小部分氧化石墨烯可以充分发挥其增强作用。因此，如果可以采取某种方法，使2D纳米材料的抗力方向与外部受力方向一致或接近，则可使其充分发挥增强、增韧和抗裂作用，从而提高复合材料的性能。
[0006]基于以上分析，为最大化氧化石墨烯在水泥基复合材料中的利用效率，目前亟需开发一种可以实现氧化石墨烯纳米片在水泥基复合材料中有效分散并可控排布的方法，以达到高效改善水泥基复合材料性能的目的，降低经济成本，进而推动氧化石墨烯在水泥基复合材料中的应用推广。

技术实现思路

[0007]本专利技术目的在于提供一种氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合材料及其制备方法，旨在解决氧化石墨烯在水泥基体中分散性差、利用效率较低的技术问题。
[0008]本专利技术是采用如下技术方案实现的：一种氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合材料，通过如下原料制备而成：水泥、氧化石墨烯、Fe3O4磁性纳米颗粒、减水剂和水。
[0009]其中，所述水泥、氧化石墨烯、Fe3O4磁性纳米颗粒和减水剂的质量比为100：（0.02~0.08）：（0.1~0.4）：（0.08~0.16），所述Fe3O4磁性纳米颗粒的质量为氧化石墨烯的5倍；所述复合材料的原料中水灰比为0.5。
[0010]上述氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合材料的制备方法，如下：（1）磁性氧化石墨烯分散液的制备磁性氧化石墨烯悬浮液的合成：将磁性Fe3O4纳米颗粒按照GO和Fe3O4的质量比为1:5的比例加入到GO悬浮液中，搅拌备用；磁性氧化石墨烯分散液的制备：向磁性氧化石墨烯悬浮液中加入减水剂，搅拌后将混合液放入到超声波分散仪中，配合冰浴，进行超声处理后得到均匀分散的磁性氧化石墨烯分散液。
[0011]（2）氧化石墨烯水泥基复合材料的制备将称量好的水泥倒入水泥净浆搅拌机中，加入水，搅拌过程中缓慢加入磁性氧化石墨烯分散液；搅拌结束，将混合物倒入模具中。
[0012]（3）氧化石墨烯在水泥基复合材料中的磁定向水泥基复合材料分三层浇筑在模具中；每层浇筑后振动20~30s，并放置于磁场中，施加磁场诱导定向0.5~1min后取出进行下一层的浇筑；水泥基复合材料浇筑完毕后盖上聚乙烯薄膜以防止水分蒸发，之后继续放入磁场中静置30min取出。
[0013]进一步优选的，步骤（2）中，具体搅拌过程为：搅拌以700r/min的速率开始，搅拌过程中缓慢加入磁性氧化石墨烯分散液，继续搅拌120s后，静止15s，然后再以1400r/min的速率快速搅拌120s。
[0014]进一步优选的，步骤（3）中，磁场强度为450Gs。
[0015]本专利技术的有益效果如下：第一，借鉴大自然中仿生贝壳等自然生物坚硬的“砖
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合材料，其特征在于：通过如下原料制备而成：水泥、氧化石墨烯、Fe3O4磁性纳米颗粒、减水剂和水；其中，所述水泥、氧化石墨烯、Fe3O4磁性纳米颗粒和减水剂的质量比为100：（0.02~0.08）：（0.1~0.4）：（0.08~0.16），所述Fe3O4磁性纳米颗粒的质量为氧化石墨烯的5倍；所述复合材料的原料中水灰比为0.5。2.根据权利要求1所述的一种氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合材料，其特征在于：所述水泥、氧化石墨烯、Fe3O4磁性纳米颗粒和减水剂的质量比为100:0.08: 0.4: 0.16。3.一种氧化石墨烯磁定向分散增强水泥基复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）磁性氧化石墨烯分散液的制备磁性氧化石墨烯悬浮液的合成：将磁性Fe3O4纳米颗粒按照GO和Fe3O4的质量比为1:5的比例加入到GO悬浮液中，搅拌备用；磁性氧化石墨烯分散液的制备：向磁性氧化石墨烯悬浮液中加入减水剂，搅拌后将混合液放入到超声波分散仪中，配合冰浴，进行超声处理后得到均匀分散的磁性氧化石墨烯分散液；（2）氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘双双，李翔宇，陈雅，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：