功能梯度石墨烯水泥基试块及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种功能梯度石墨烯水泥基试块及其制备方法。属于建筑水泥基复合材料领域，其原料包括水泥、标准砂、水、石墨烯纳米片及减水剂；制备步骤：制备初步分散的石墨烯悬液；制备完美分散的石墨烯溶液；制得石墨烯水泥基材料；在磨具内刷油并且等距划两条分线；将石墨烯水泥基材料倒入模具中至第一条分线处；制备其他浓度的石墨烯水泥基材料，浇筑到第一条分线处至上侧的第二条分线处；制备第三种浓度的石墨烯水泥基材料，浇筑第二条分线处至模具表面；制备成功能梯度石墨烯水泥基试块。本发明专利技术使用石墨烯作为填料，提高了水泥基的强度；其石墨烯

【技术实现步骤摘要】
功能梯度石墨烯水泥基试块及其制备方法


[0001]本专利技术属于建筑水泥基复合材料领域，具体的是，涉及了一种功能梯度石墨烯水泥基试块的制备及其力学性能。

技术介绍

[0002]自1824年波特兰水泥专利技术以来，水泥材料由于其生产工艺成熟，可塑性好，整体性好等优势成为建筑中使用最广泛的材料，其消耗约占全球与人类活动相关的二氧化碳排放量的5％。然而，水泥是一种脆性材料，抗弯曲、抗开裂、抗变形能力较差，因此许多学者在经济性能优良的基础上开展了提高其力学性能的研究。
[0003]随着纳米技术的迅速发展，研究人员在水泥中添加了碳纳米管、纳米二氧化硅、碳纳米纤维等多种纳米材料作为增强填料。纳米填料能有效地填充孔隙，提高复合材料的密度。石墨烯及其衍生物由于其优异的力学和物理性能，作为水泥复合材料的增强填料具有很大的潜力。实验证明，加入少量石墨烯填料可以显著改善复合材料的力学性能。
[0004]中国专利CN115231860A公布了一种改性石墨烯的水泥基材料的制备方法，所述改性石墨烯水泥基材料是以固态存储，包括以下原料组成：水泥300～400份，粉煤灰60～80份，硅灰100～200份，河沙500～700份，石墨烯20～50份，聚羧酸高效减水剂30～40份，水60～100份。在施工现场直接溶于水中，通过简单的搅拌即可达到快速分散的效果，方便快捷且易于提高施工效率。中国专利CN108424085A公开了一种氧化石墨烯水泥基砂浆材料的制备方法，首次通过液氮快速冷冻氧化石墨烯水性分散液成冰块，并将其破碎在标准砂中，最后将此混合物均匀搅拌成复合材料砂浆。所述制备方法制备的三个实施例均得到有效分散，且3天和28天抗压和抗折效果均比对照例好。中国专利CN113896453A公开了一种改性石墨烯增强水泥基的制备方法，可以有效提高水泥的了强度、流动性及稳定性。关于功能梯度水泥基的制备方法及设计，中国专利CN110482948A公布了一种纤维定向排列的功能梯度水泥基复合材料，可以有效改善水泥基复合材料的抗弯强度、韧性和延性。所述材料设计为：上、下层由高强砂浆与成定向网格状排列的端勾钢纤维组成，中间层由纤维增强粗骨料砂浆组成。
[0005]中国专利CN115231860A以及中国专利CN108424085A等有关石墨烯水泥基的相关专利，都可以有效提高水泥基的强度，但是大量使用石墨烯，势必会造成建筑成本增加，且某些受弯构件的中性轴不受力，如果全结构都使用石墨烯增强，会造成材料的浪费。中国专利CN110482948A中公开的梯度试块制备过程，在浇筑完下层之后立马就开始浇筑中层，会造成下层砂浆还未完全凝结硬化，中层的浇筑并振捣会使得试件分层不明显。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：本专利技术为解决全结构大面积使用石墨烯增强水泥基而造成的成本和材料浪费，提供了一种功能梯度石墨烯增强水泥基材料，在减少材料使用的基础上提高结构的强度。
[0007]本专利技术的另一个目的是提供了功能梯度石墨烯水泥基试块的制备方法及其力学性能。
[0008]技术方案：本专利技术所述的一种功能梯度石墨烯水泥基试块，该功能梯度石墨烯水泥基试块中各原料的重量份如下：水泥：430
‑
470份，标准砂：1250
‑
1450份，水：220
‑
230份，石墨烯纳米片：0.9
‑
3.6份，复合型聚羧酸高效减水剂：1.35
‑
5.4份。
[0009]进一步的，该功能梯度石墨烯水泥基试块中各原料的重量份如下：水泥：450份，标准砂：1350份，水：225份，石墨烯纳米片：2.5份，复合型聚羧酸高效减水剂：3.25份。
[0010]进一步的，所述水泥为普通硅酸盐水泥，其28天抗压强度≥42.5MPa，28天抗折强度≥6.5MPa，比表面积≥300m2/kg。
[0011]进一步的，所述石墨烯纳米片的厚度为10
‑
20nm，其表面积为50
‑
80m2/g。
[0012]进一步的，功能梯度石墨烯水泥基试块的制备方法，其具体制备步骤如下：
[0013](1)、将预备的石墨烯纳米片、复合型聚羧酸高效减水剂与水按0.006：0.009：0.5的比例进行磁力搅拌，从而制得初步分散的石墨烯悬液；
[0014](2)、将制得的初步分散的石墨烯悬液进行水浴超声分散，从而制得完美分散的石墨烯溶液；
[0015](3)、将制得的完美分散的石墨烯溶液、水泥和标准砂按1：450：1350的比例预备，先将石墨烯溶液和水泥倒入行星搅拌机中进行缓慢搅拌60秒；
[0016]其中，在第30秒时倒入标准砂，然后快速搅拌3分钟，从而制得石墨烯水泥基材料；
[0017](4)、将预备的磨具内表面刷机油，并在其一侧从下往上均布划两条线，从而将磨具分成均等的三等分；
[0018](5)、将步骤(3)中制备的石墨烯水泥基材料倒入至磨具内低端的第一条分线处，并静置；
[0019](6)、重复上述步骤(1)至步骤(3)并修改其配比，将其改为石墨烯纳米片、复合型聚羧酸高效减水剂与水按0.003：0.045：0.5的比例制备其他浓度的石墨烯水泥基材料，将其进行如同步骤(5)中的浇筑步骤，即下侧的第一条分线处至上侧的第二条分线处，并静置；
[0020](7)、制备与步骤(3)及(6)中制备的石墨烯水泥基材料浓度不同的其他浓度的石墨烯水泥基材料，将其进行如同步骤(5)中的浇筑步骤，即至上侧的第二条分线处至磨具的口部，并静置；从而制得未完全凝固的功能梯度石墨烯水泥基试块；
[0021](8)、将步骤(7)所制备的功能梯度石墨烯水泥基试块在室温20℃
±
5℃，相对湿度大于50％的环境下静置1
‑
2天，拆模后放入标准养护箱内养护28天；即得到凝固成型的功能梯度石墨烯水泥基试块。
[0022]进一步的，在步骤(1)中，所述磁力搅拌的转速为800r/min，其温度控制为25℃
±
1℃，预定磁力搅拌时长为10分钟。
[0023]进一步的，在步骤(2)中，所述进行水浴超声分散具体是：超声分散功率：3000
‑
6000w，时长为1小时，期间每隔20分钟换一次水，超声温度为30
‑
50℃。
[0024]进一步的，在步骤(8)中，所述标准养护箱的温度为20℃
±
2℃，相对湿度≥95％。
[0025]进一步的，所述制得的功能梯度石墨烯水泥基试块的形状包括X型、O型及H型；
[0026]其中，所述制得的功能梯度石墨烯水泥基试块的形状包括X型、O型及H型；
[0027]其中，所述X型的功能梯度石墨烯水泥基试块是：石墨烯纳米片的浓度外表面高，中间层石墨烯纳米片的浓度低，且呈对称分布；
[0028]所述O型的功能梯度石墨烯水泥基试块是：石墨烯纳米片的浓度外表面低，中间层石墨烯纳米片的浓度高，且呈本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.功能梯度石墨烯水泥基试块，其特征在于：该功能梯度石墨烯水泥基试块中各原料的重量份如下：水泥：430
‑
470份，标准砂：1250
‑
1450份，水：220
‑
230份，石墨烯纳米片：0.9
‑
3.6份，复合型聚羧酸高效减水剂：1.35
‑
5.4份。2.根据权利要求1所述的功能梯度石墨烯水泥基试块，其特征在于：该功能梯度石墨烯水泥基试块中各原料的重量份如下：水泥：450份，标准砂：1350份，水：225份，石墨烯纳米片：2.5份，复合型聚羧酸高效减水剂：3.25份。3.根据权利要求1所述的功能梯度石墨烯水泥基试块，其特征在于：所述水泥为普通硅酸盐水泥，其28天抗压强度≥42.5MPa，28天抗折强度≥6.5MPa，比表面积≥300m2/kg。4.根据权利要求1所述的功能梯度石墨烯水泥基试块，其特征在于：所述石墨烯纳米片的厚度为10
‑
20nm，其表面积为50
‑
80m2/g。5.如权利要求1
‑
4任意一项所述的功能梯度石墨烯水泥基试块的制备方法，其特征在于：其具体制备步骤如下：(1)、将预备的石墨烯纳米片、复合型聚羧酸高效减水剂与水按0.006：0.009：0.5的比例进行磁力搅拌，从而制得初步分散的石墨烯悬液；(2)、将制得的初步分散的石墨烯悬液进行水浴超声分散，从而制得完美分散的石墨烯溶液；(3)、将制得的完美分散的石墨烯溶液、水泥和标准砂按1：450：1350的比例预备，先将石墨烯溶液和水泥倒入行星搅拌机中进行搅拌60秒；其中，在第30秒时倒入标准砂，然后搅拌3分钟，从而制得石墨烯水泥基材料；(4)、将预备的磨具内表面刷机油，并在其一侧从下往上均布划两条线，从而将磨具分成均等的三等分；(5)、将步骤(3)中制备的石墨烯水泥基材料倒入至磨具内低端的第一条分线处，并静置；(6)、重复上述步骤(1)至步骤(3)并修改其配比，将其改为石墨烯纳米片、复合型聚羧酸高效减水剂与水按0.003：0.045：0.5的比例制备其他浓度的石墨烯水泥基材料，将其进行如同步骤(5)中的浇筑步骤，即下侧的第一条分线处至上侧的第二条分线处，并静置；(7)、制备与步骤(3)及...

【专利技术属性】
技术研发人员：杭子彦，冯闯，王曙光，樊宇澄，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：