[发明专利]石墨烯纳米材料添加剂、水泥组合物、增强的混凝土及其制备方法和用途

说明书

一种用于改善水泥组合物的石墨烯纳米材料的添加剂、水泥组合物、用于制备混凝土的方法、混凝土以及混凝土的用途。所述添加剂包括石墨烯纳米纤维、氧化石墨烯(GO)、分散剂(D)和高效减水剂(SP)的混合物，包含选自高比表面积的石墨烯纳米纤维(GNF‑HS)、低比表面积的石墨烯纳米纤维(GNF‑LS)或长长度的石墨烯纳米纤维(GNF‑LL)的至少两种石墨烯纳米纤维，其中所述石墨烯纳米纤维的平均直径为2nm至200nm，并且其中可通过微调石墨烯纳米材料的所述添加剂从而含有不同比例的至少两种石墨烯纳米纤维，以用于特定性质的不同水泥组合物。

技术领域

本发明涉及用于改善水泥组合物、优选混凝土组合物的基于石墨烯纳米材料的添加剂，以及掺入所述添加剂的水泥组合物。

术语“水泥”(其是此处使用的水泥组合物的基础)在本领域中是众所周知的，并且是指细、软、干燥、粉状的粘合剂物质，当将其与水混合时可以固化成坚硬的固体物质。水泥是一种用于建筑的物质，其可以凝固、硬化并粘附到其他材料上，从而将它们粘合在一起。水泥通常用于将沙子和砾石(骨料)粘合在一起。与细骨料混合的水泥产生用于砖石的砂浆，或者与沙子和砾石混合的水泥，产生混凝土。用于建筑的水泥通常是无机的，通常是石灰或硅酸钙基的。如本文所用，术语“水泥”应理解为包括具有水下硬化特性的任何水泥，例如波特兰水泥(Portland cement)、波特兰水泥和天然水泥的混合物、火山灰水泥、矿渣水泥、砖石水泥、油井水泥、白色波特兰水泥、波特兰水泥和高炉矿渣水泥的混合物及类似材料。特别地，术语“水泥组合物(cementitious composition)”是指诸如石灰石、粘土、沙子和/或页岩等成分的混合物。

在本发明的上下文中，术语“比表面积(SSA)”是指每单位质量的材料的总表面积。

在本发明的上下文中，表述“抗压强度”是指材料或结构承受趋于减小尺寸的载荷的能力。

术语“氧化石墨烯”或“GO”是指sp²-杂化碳原子的单层，其具有可以附着在该单层的一侧或两侧的氧官能团。附着在石墨烯片基面和边缘上的氧官能团显著改变了片之间的范德华相互作用，从而改善了它们在水中的分散性。

在本发明的上下文中，术语“高效减水剂(superplasticizer)”是指具有分散特性以避免颗粒离析(砾石、粗砂和细砂)、并改善混凝土中的悬浮体的流动特性(流变性)的聚合物。而且，高效减水剂具有显著降低水泥组合物的水含量的特殊功能。通常，高效减水剂化合物包含10–30％的上述聚合物，其余为水。

这里使用的术语“碳化(carbonation)”是指环境中的二氧化碳与水泥浆中的氢氧化钙的反应。该反应产生碳酸钙，并将pH值降低到9左右。在该值下，包围钢筋的保护性氧化层破裂，并可能发生腐蚀。

背景技术

混凝土是骨料和粘合剂的复合材料，其中粘合剂主要是水泥、火山灰材料和水的组合。

混凝土的相对低的拉伸强度和延展性通过包含具有更高的拉伸强度和/或延展性的增强材料来抵消。从这个意义上说，使用钢筋和大纤维来提供典型的混凝土增强材料，两者都以毫米级增强混凝土。此外，Sanchez和Sobolev公开了使用诸如聚乙烯醇、聚丙烯、聚乙烯和聚酰胺的聚合物来增强混凝土 [Construction and building materials，24(2010)2060-2071]。

水泥复合材料中的纳米增强材料被认为比传统的钢筋/纤维增强材料更有效地从一开始就阻止了微裂纹的形成和蔓延，因为它们可以在纳米尺寸的裂纹发展成微米尺寸的裂纹之前控制它们(在初始阶段)。然而，将纳米材料掺入水泥复合材料中是一项复杂的任务，并且有时会产生相反的结果。