一種碳納米管/聚乙烯醇高韌性智能水泥砂漿及其制備
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種碳納米管/聚乙烯醇高韌性智能水泥砂漿及其制備，包括以下組分及重量份：碳納米管0.3?0.7份，聚乙烯醇膠體溶液9?18份，硅酸鹽水泥80?120份，砂120?180份，水25?32份，消泡劑0.1?0.2份。制備過程為：首先制得聚乙烯醇膠體溶液，然后將碳納米管均勻分散于聚乙烯醇膠體中，之后將制備的碳納米管/聚乙烯醇預(yù)聚合溶液作為復(fù)合改性劑摻入到水泥砂漿中，經(jīng)攪拌、振搗、成型和養(yǎng)護(hù)四個(gè)工序制備獲得碳納米管/聚乙烯醇復(fù)合改性砂漿。本發(fā)明的水泥砂漿將實(shí)現(xiàn)碳納米管、聚乙烯醇的原位聚合，充分發(fā)揮碳納米管和聚乙烯醇在水泥基材料中的增強(qiáng)效果，不僅在力學(xué)性能尤其是斷裂韌性方面擁有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并且能夠通過內(nèi)部電阻變化反映出基材內(nèi)部應(yīng)力變化。
【專利說明】
一種碳納米管/聚乙烯醇高韌性智能水泥砂漿及其制備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種新型水泥砂漿，尤其涉及一種碳納米管/聚乙烯醇高韌性智能水泥砂漿及其制備。
【背景技術(shù)】
[0002]水泥砂漿是土木領(lǐng)域中非常重要的工程材料，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)水泥砂漿性能的要求日益提升。傳統(tǒng)的水泥砂漿具有抗拉強(qiáng)度低、脆性大和功能單一等缺點(diǎn)，已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代生產(chǎn)、生活要求，故而現(xiàn)代水泥砂漿需要逐步向高性能、多功能方向發(fā)展。改性水泥砂漿是以硅酸鹽水泥和砂作為基體材料，以聚合物材料、纖維材料、納米碳填料等為改性劑，加入化學(xué)助劑和水通過特定的工藝流程組合而成的復(fù)合材料?，F(xiàn)階段比較常見的改性水泥砂漿有聚合物改性水泥砂漿、纖維增強(qiáng)水泥砂漿和碳增強(qiáng)水泥砂漿。聚合物改性水泥砂漿在力學(xué)性能、耐酸堿腐蝕性等方面具備其優(yōu)勢(shì)，但難以滿足現(xiàn)代科學(xué)所需的功能性要求(如應(yīng)力監(jiān)測、光電感應(yīng)、電磁屏蔽等)；纖維增強(qiáng)水泥砂漿在變形性能、韌度、耐磨度等方面具備其優(yōu)勢(shì)，但纖維材料在水泥砂漿中的應(yīng)用存在黏性大、可栗性小、不易收光等缺點(diǎn);碳增強(qiáng)水泥砂漿在增強(qiáng)、阻裂、增韌等方面擁有一定的優(yōu)勢(shì)，而且還呈現(xiàn)出一定的智能自感知特性，但碳材料在水泥砂漿中極易發(fā)生團(tuán)聚和結(jié)塊，導(dǎo)致其增強(qiáng)效果不穩(wěn)定、離散度高;上述既有的改性水泥砂漿雖然在力學(xué)性能、耐久性、自感知等方面有著各自的優(yōu)點(diǎn)，但是都存在各自的局限性，難以同時(shí)滿足某些現(xiàn)代水泥混凝土結(jié)構(gòu)所需的高性能、多功能、智能化要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種碳納米管/聚乙烯醇高韌性智能水泥砂漿的配比及其制備方法。以克服現(xiàn)有改性水泥砂漿的缺點(diǎn)和局限，并獲取同時(shí)滿足高性能、多功能、智能化要求的水泥基復(fù)合材料。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，采用如下的技術(shù)方案:
一種碳納米管/聚乙烯醇高韌性智能水泥砂漿，包括以下組分及重量份:碳納米管0.3-
0.7份，聚乙烯醇膠體溶液9-18份，硅酸鹽水泥80-120份，砂120-180份，水25-32份，消泡劑
0.1-0.2份。碳納米管分散在一般溶液中，隨著放置時(shí)間的延長，容易產(chǎn)生分層和團(tuán)聚。將碳納米管摻入到聚乙烯醇膠體中，并采用物理驅(qū)散力使其分散均勻，二者結(jié)合形成穩(wěn)定的復(fù)合體系，碳納米管在膠體中的均勻分布形態(tài)能夠長時(shí)間穩(wěn)定存在。
[0005]進(jìn)一步的，包括以下組分及重量份:碳納米管0.5份，聚乙烯醇膠體溶液15.3份，硅酸鹽水泥100份，砂150份，水26.3份，消泡劑0.14份。
[0006]進(jìn)一步的，所述碳納米管經(jīng)過酸化處理，含羥基基團(tuán)。
[0007]進(jìn)一步的，所述碳納米管直徑為2-5nm，長度為10-30μπι。碳納米管的性能與其粒徑大小和比表面積有關(guān)，粒徑越小比表面積越大則相應(yīng)的碳納米管物理力學(xué)性能/導(dǎo)電性越好。
[0008]進(jìn)一步的，所述聚乙烯醇的醇解度為97%，平均聚合度約2400。聚乙烯醇的物理性質(zhì)很大程度上取決于分子聚合度及其醇解度，一般來說，聚乙烯醇的聚合度越大，其對(duì)應(yīng)的水溶液粘度越大，成膜后的強(qiáng)度和耐久性越好，而其醇解度越大，在冷水中越難溶解，在熱水中相應(yīng)的溶解度會(huì)提升。
[0009]進(jìn)一步的，所述聚乙烯醇膠體溶液的濃度為7%。膠體的流動(dòng)性好。
[0010]一種碳納米管/聚乙烯醇高韌性智能水泥砂漿的制備方法，主要包括以下步驟:
(1)制備聚乙烯醇膠體溶液；
(2)將碳納米管摻入到步驟(I)所得聚乙烯醇溶液中，并置于60°C的恒溫超聲分散儀中超聲分散并不斷攪拌，持續(xù)1.5h后獲得均勻分散的碳納米管/聚乙烯醇預(yù)聚液；
(3)將水泥、砂、和部分水采用水泥砂漿攪拌機(jī)預(yù)拌3min，然后緩慢加入步驟(2)制備的碳納米管/聚乙烯醇預(yù)聚液及剩余的水并慢速攪拌2min，再加入消泡劑快速攪拌3min，確保水泥砂漿各組分分布均勻；
(4)將步驟(3)過程制備的漿料裝入涂油試模中，用膠砂振實(shí)臺(tái)上振實(shí)排泡，振搗Imin后將試模上表面漿體抹去，使試件上表面平整；
(5)在試件成型一天后拆模并自然養(yǎng)護(hù)28天。
[0011]其中，步驟(I)所述聚乙烯醇膠體溶液的制備為:將聚乙烯醇粉末加入到水中并在常溫下均勻攪拌10分鐘，使得聚乙烯醇顆粒在水中充分溶脹，之后置于95°C的恒溫磁力攪拌機(jī)中攪拌30min即可。
[0012]本發(fā)明采用化學(xué)作用力和物理方法結(jié)合使得碳納米管分散于聚乙烯醇膠體溶液中，獲得均勻分布、良好結(jié)合的碳納米管/聚乙烯醇預(yù)聚液后，再將預(yù)聚液作為復(fù)合改性劑加入到水泥基體中，以此獲得均勻分散的碳納米管-聚乙烯醇-水泥基復(fù)合材料，該方法將碳納米管和聚乙烯醇的增強(qiáng)效果充分結(jié)合到復(fù)合改性水泥基材料之中。聚乙烯醇作為一種典型的水溶性聚合物，側(cè)鏈上含有大量的活性羥基基團(tuán)(-0H)，能包裹在碳納米管表面并與之通過氫鍵形成穩(wěn)定結(jié)合。表面包裹層大量的羥基基團(tuán)能使碳納米管和水泥基體之間的相容性提升，從而增強(qiáng)二者之間的界面性能。這一過程不僅提高了碳納米管的分散性能，而且還能形成羥基碳納米管/聚乙烯醇組成的納米復(fù)合膠液，在水泥砂漿中起到晶核作用(填補(bǔ)水泥內(nèi)部孔隙、修復(fù)水泥板塊裂縫、改善水泥基體微觀結(jié)構(gòu))，并加速水泥的水化反應(yīng)。良好分布的碳納米管不但能夠使得水泥基材料的力學(xué)性能得到提高，還使其能夠通過內(nèi)部電阻變化反映出基材內(nèi)部應(yīng)力變化。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的水泥砂漿將碳納米管和聚乙烯醇的增強(qiáng)效果充分結(jié)合到復(fù)合改性水泥基材料之中，不僅在力學(xué)性能尤其是斷裂韌性方面擁有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并且能夠通過內(nèi)部電阻變化反映出基材內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)。經(jīng)試驗(yàn)測試其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和軸壓強(qiáng)度較高、斷裂韌度良好，在單調(diào)荷載及15KN循環(huán)荷載作用下的電阻變化率最高能達(dá)到27.21%和4.36%，且電阻變化曲線與荷載變化呈現(xiàn)出近似的負(fù)壓敏特征(電阻負(fù)向增大)，內(nèi)部應(yīng)力變化可以通過電阻值變化反映。
【具體實(shí)施方式】
[0014]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0015]實(shí)施例1
一種碳納米管/聚乙烯醇高韌性智能水泥砂漿，包括以下組分及重量份:碳納米管0.5份，聚乙烯醇膠體溶液15.3份，硅酸鹽水泥100份，砂150份，水26.3份，消泡劑0.14份。其中碳納米管直徑2-5nm，長度10-30μπι，且酸化處理，含羥基基團(tuán)。
[0016]一種碳納米管/聚乙烯醇高韌性智能水泥砂漿的制備方法，主要包括以下步驟:
(1)聚乙烯醇膠體溶液的制備:將I份聚乙烯醇粉末加入到14.3份水中并在常溫下(低于40°C)均勻攪拌10分鐘，使得聚乙烯醇顆粒在水中充分溶脹，之后置于95°C的恒溫磁力攪拌機(jī)中進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間約30min，溶液變成無色透明的膠體，即獲得7%濃度的聚乙烯醇膠體溶液；
(2)碳納米管/聚乙烯醇預(yù)聚液的制備:將0.5份碳納米管摻入到(I)過程制備的聚乙烯醇膠體溶液中，并置于60°C的恒溫超聲分散儀，以10w的超聲功率進(jìn)行超聲分散并不斷攪拌，持續(xù)1.5h后獲得均勻分散的碳納米管/聚乙烯醇預(yù)聚液；
(3 )碳納米管/聚乙烯醇改性水泥砂漿的制備:將100份水泥、150份砂、和10份水采用水泥砂漿攪拌機(jī)預(yù)拌3min，然后緩慢加入(2)過程制備的碳納米管/聚乙烯醇預(yù)聚液及剩余的16.3份水并慢速攪拌2min，再加入0.14份消泡劑快速攪拌3min，確保水泥砂楽各組分分布均勻；
(4)碳納米管/聚乙烯醇改性水泥砂漿的成型:將(3)過程制備的漿料裝入涂油試模中，用膠砂振實(shí)臺(tái)上振實(shí)排泡，振搗Imin后將試模上表面漿體抹去，使試件上表面平整；
(5)碳納米管/聚乙烯醇改性水泥砂漿的養(yǎng)護(hù):在試件成型一天后拆模并自然養(yǎng)護(hù)28天。
[0017]聚乙烯醇醇解度為97%，平均聚合度約2400。
[0018]按上述方法制備得到的碳納米管/聚乙烯醇高韌性智能水泥砂漿，經(jīng)試驗(yàn)測試其平均抗壓強(qiáng)度為55.5Mpa，抗折強(qiáng)度為11.5Mpa，軸壓強(qiáng)度為47.6Mpa，斷裂韌度為1750.2N.m3/2，體積密度為2.19kg/m3，在單調(diào)荷載及15KN循環(huán)荷載作用下的電阻變化率達(dá)到27.21%和4.36%。
[0019]實(shí)施例2
一種碳納米管/聚乙烯醇高韌性智能水泥砂漿，包括以下組分及重量份:碳納米管0.3份，聚乙烯醇膠體溶液9份，硅酸鹽水泥80份，砂120份，水25份，消泡劑0.1份。其中碳納米管直徑2-5nm，長度10-30ym，且酸化處理，含羥基基團(tuán)。
[0020]一種碳納米管/聚乙烯醇高韌性智能水泥砂漿的制備方法，主要包括以下步驟:
(1)聚乙烯醇膠體溶液的制備:將聚乙烯醇粉末加入到水中，并在常溫下(低于40°C)均勻攪拌10分鐘，使得聚乙烯醇顆粒在水中充分溶脹，之后置于95°C的恒溫磁力攪拌機(jī)中進(jìn)行溶解，溶解過程約30min，溶液變成無色透明的膠體，即獲得7%濃度的聚乙烯醇膠體溶液；
(2)碳納米管/聚乙烯醇預(yù)聚液的制備:將碳納米管摻入到(I)過程制備的聚乙烯醇溶液中，并置于60°C的恒溫超聲分散儀，以10w的超聲功率進(jìn)行超聲分散并不斷攪拌，持續(xù)
1.5h后獲得均勻分散的碳納米管/聚乙烯醇預(yù)聚液；
(3 )碳納米管/聚乙烯醇改性水泥砂漿的制備:將水泥、砂、和部分水采用水泥砂漿攪拌機(jī)預(yù)拌3min，然后緩慢加入(2)過程制備的碳納米管/聚乙烯醇預(yù)聚液及剩余的水并慢速攪拌2min，再加入消泡劑快速攪拌3min，確保水泥砂楽各組分分布均勾； (4)碳納米管/聚乙烯醇改性水泥砂漿的成型:將(3)過程制備的漿料裝入涂油試模中，用膠砂振實(shí)臺(tái)上振實(shí)排泡，振搗Imin后將試模上表面漿體抹去，使試件上表面平整；
(5)碳納米管/聚乙烯醇改性水泥砂漿的養(yǎng)護(hù):在試件成型一天后拆模并自然養(yǎng)護(hù)28天。
[0021 ] 聚乙烯醇醇解度為97%，平均聚合度約2400。
[0022]按上述方法制備得到的碳納米管/聚乙烯醇高韌性智能水泥砂漿，經(jīng)試驗(yàn)測試其平均抗壓強(qiáng)度為43.2Mpa，抗折強(qiáng)度為8.9Mpa，軸壓強(qiáng)度為41.3Mpa，斷裂韌度為1287.2N.m3/2，體積密度為2.08kg/m3，在單調(diào)荷載及15KN循環(huán)荷載作用下的電阻變化率達(dá)到15.54%和3.16%o
[0023]實(shí)施例3
一種碳納米管/聚乙烯醇高韌性智能水泥砂漿，包括以下組分及重量份:碳納米管0.7份，聚乙烯醇膠體溶液18份，娃酸鹽水泥120份，砂180份，水32，消泡劑0.2份。其中碳納米管直徑2-5nm，長度10-30ym，且酸化處理，含羥基基團(tuán)。
[0024]一種碳納米管/聚乙烯醇高韌性智能水泥砂漿的制備方法，主要包括以下步驟:
(1)聚乙烯醇膠體溶液的制備:將聚乙烯醇粉末加入到水中并在常溫下(低于40°C)均勻攪拌10分鐘，使得聚乙烯醇顆粒在水中充分溶脹，之后置于95°C的恒溫磁力攪拌機(jī)中進(jìn)行溶解，溶解過程約30min，溶液變成無色透明的膠體，即獲得7%濃度的聚乙烯醇膠體溶液；
(2)碳納米管/聚乙烯醇預(yù)聚液的制備:將碳納米管摻入到(I)過程制備的聚乙烯醇溶液中，并置于60°C的恒溫超聲分散儀，以10w的超聲功率進(jìn)行超聲分散并不斷攪拌，持續(xù)
1.5h后獲得均勻分散的碳納米管/聚乙烯醇預(yù)聚液；
(3 )碳納米管/聚乙烯醇改性水泥砂漿的制備:將水泥、砂、和部分水采用水泥砂漿攪拌機(jī)預(yù)拌3min，然后緩慢加入(2)過程制備的碳納米管/聚乙烯醇預(yù)聚液及剩余的水并慢速攪拌2min，再加入消泡劑快速攪拌3min，確保水泥砂楽各組分分布均勾；
(4)碳納米管/聚乙烯醇改性水泥砂漿的成型:將(3)過程制備的漿料裝入涂油試模中，用膠砂振實(shí)臺(tái)上振實(shí)排泡，振搗Imin后將試模上表面漿體抹去，使試件上表面平整；
(5)碳納米管/聚乙烯醇改性水泥砂漿的養(yǎng)護(hù):在試件成型一天后拆模并自然養(yǎng)護(hù)28天。
[0025]聚乙烯醇醇解度為97%，平均聚合度約2400。
[0026]按上述方法制備得到的碳納米管/聚乙烯醇高韌性智能水泥砂漿，經(jīng)試驗(yàn)測試其平均抗壓強(qiáng)度為52.4Mpa，抗折強(qiáng)度為10.5Mpa，軸壓強(qiáng)度為46.8Mpa，斷裂韌度為1750.2N.!113/2，體積密度為2.161^/1113，在單調(diào)荷載及151^循環(huán)荷載作用下的電阻變化率達(dá)到21.74%和3.86%。
[0027]以上所揭露的僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，當(dāng)然不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種碳納米管/聚乙烯醇高韌性智能水泥砂漿，其特征在于，包括以下組分及重量份:碳納米管0.3-0.7份，聚乙烯醇膠體溶液9-18份，硅酸鹽水泥80-120份，砂120-180份，水25-32份，消泡劑0.1-0.2份。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述碳納米管/聚乙烯醇高韌性智能水泥砂漿，其特征在于，包括以下組分及重量份:碳納米管0.5份，聚乙烯醇膠體溶液15.3份，硅酸鹽水泥100份，砂150份，水26.3份，消泡劑0.14份。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述碳納米管/聚乙烯醇高韌性智能水泥砂漿，其特征在于，所述碳納米管經(jīng)過酸化處理，含羥基基團(tuán)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述碳納米管/聚乙烯醇高韌性智能水泥砂漿，其特征在于，所述碳納米管直徑為2-5nm，長度為10-30μπι。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述碳納米管/聚乙烯醇高韌性智能水泥砂漿，其特征在于，所述聚乙烯醇的醇解度為97%，平均聚合度約2400。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述碳納米管/聚乙烯醇高韌性智能水泥砂漿，其特征在于，所述聚乙烯醇膠體溶液的濃度為7%。7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述碳納米管/聚乙烯醇高韌性智能水泥砂漿的制備方法，其特征在于，主要包括以下步驟: (1)制備聚乙烯醇膠體溶液； (2)將碳納米管摻入到步驟(I)所得聚乙烯醇膠體溶液中，并置于60°C的恒溫超聲分散儀中超聲分散并不斷攪拌，持續(xù)1.5h后獲得均勻分散的碳納米管/聚乙烯醇預(yù)聚液； (3)將水泥、砂、和部分水采用水泥砂漿攪拌機(jī)預(yù)拌3min，然后緩慢加入步驟(2)制備的碳納米管/聚乙烯醇預(yù)聚液及剩余的水并慢速攪拌2min，再加入消泡劑快速攪拌3min，確保水泥砂漿各組分分布均勻； (4)將步驟(3)過程制備的漿料裝入涂油試模中，用膠砂振實(shí)臺(tái)上振實(shí)排泡，振搗Imin后將試模上表面漿體抹去，使試件上表面平整； (5)在試件成型一天后拆模并自然養(yǎng)護(hù)28天。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述制備方法，其特征在于，步驟(I)所述聚乙烯醇膠體溶液的制備為:將聚乙烯醇粉末加入到水中并在常溫下均勻攪拌10分鐘，使得聚乙烯醇顆粒在水中充分溶脹，之后置于95 °C的恒溫磁力攪拌機(jī)中攪拌30min。
【文檔編號(hào)】C04B14/02GK106007553SQ201610311017
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月12日
【發(fā)明人】李庚英, 范杰, 王中坤
【申請(qǐng)人】汕頭大學(xué)