[发明专利]高性能石墨烯混凝土及其制备方法

说明书

本发明提供了高性能石墨烯混凝土及其制备方法。制备高性能石墨烯混凝土的方法包括：(1)将石墨和水进行第一混合，并对所得到的混合物进行水相剥离处理；(2)将步骤(1)获得的产物与引气剂、水泥、无机活性矿粉和骨料进行第二混合，得到原位分散的石墨烯混凝土。由此，制备工艺简单、污染少、能耗低、成本低，易于工业化生产，可以很好地保障大型工程和基础设施建设；显著提高石墨烯混凝土的抗压强度和抗冻融性能，使其在寒冷严苛条件下力学性能下降慢、表面剥蚀及弹性模量损失小。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体地，涉及高性能石墨烯混凝土及其制备方法。

背景技术

混凝土是应用最广泛的建筑材料之一，其因材料来源广、力学性能可调、硬化前可塑性良好且可用钢筋增强而成为使用最成功的结构工程材料。但是混凝土自身也存在抗折强度低、韧性差等缺点，尤其是在气温较低的环境下，结冰的水和过冷的水同时存在于混凝土毛细孔中，产生体积膨胀和水迁移而形成的膨胀压与渗透压，出现一些非受力性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，而维修和重建都需要付出很大的代价，这已成为影响混凝土耐久性方面的主要问题之一。

混凝土的抗冻性主要与混凝土内部的孔结构、受冻龄期、水饱和程度、混凝土的强度等因素有关，其中，混凝土内部的孔结构对于混凝土的抗冻性具有极其重要的作用。为提高混凝土的抗冻性能，常采用以下技术方法：(1)掺入一定量的引气剂，降低混凝土拌合水的表面张力，使混凝土内部产生大量的微小稳定的封闭气泡，缓解膨胀压力；(2)使用减水剂降低混凝土的水灰比，使水泥颗粒分散均匀，释放水泥颗粒包裹的水分，提高混凝土的致密性和强度；(3)掺入活性矿物填料，改善气孔结构，减少冻融产生的应力破坏。但上述方法均受到添加剂成本较高、对各种环境适应性差及对施工技术要求高的限制。

目前，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，石墨烯的大尺寸表面可以充当致密的“阻隔墙”阻止水分在混凝土内部进入或迁移，提高混凝土的耐腐蚀性并抑制裂纹产生，在上述机理共同作用下，石墨烯在混凝土中可以同时提高混凝土的强度、韧性、耐腐蚀性和抗冻融能力。但是，目前在混凝土中添加石墨烯至少存在以下不足之处：

1、传统的氧化法剥离石墨片制备石墨烯的技术路线受到环境危害大、安全隐患系数高、生产周期长、产率低和纳米片缺陷多的限制，难以实现大规模连续化生产，不能保证在水泥基复合材料中的大量使用；

2、受到原料、规模和产率的限制，目前氧化法剥离工艺制备石墨烯的成本高，大致在50元/克左右，即5000万元/吨，几乎不可能在水泥混凝土中获得广泛的推广应用；

3、石墨烯能够在水泥水化过程中起模板作用，调节晶体产物的结构和性质，但缺少有效手段控制石墨烯纳米片的表面性质，难以发挥其调节作用，而石墨烯与水泥的相容性也会影响到材料稳定性和耐久性；

4、目前的制备方法难以很好控制石墨烯的尺寸，不能有效填充进混凝土孔隙，进而难以发挥石墨烯的改性作用；

5、在已有报道中，石墨烯对混凝土的力学性能和抗冻性能的提升作用有限。

因此，关于混凝土，尤其是高性能特殊用途混凝土，的研究和工业化生产有待深入。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有制备方法简单、工艺成熟、能耗低、污染少、成本低或可工业化生产等优点的制备石墨烯混凝土的方法，且制备的石墨烯混凝土具有高抗压强度和抗冻融性能，在寒冷严苛条件下力学性能下降慢、表面剥蚀及弹性模量损失小，或使用年限长。