本發(fā)明涉及建筑材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種摻包硅納米二氧化鈦的水泥基復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

作為當(dāng)今最主要的建筑材料之一的水泥基材料，具有抗壓強(qiáng)度較高、使用方便、價格低廉、制作方法簡單等優(yōu)點(diǎn)，使其在土木、水利工程中得到廣泛的應(yīng)用。但隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，水泥材料的自重大、低韌性、角色單一等問題已不能滿足某些特殊環(huán)境對材料性能的要求，目前迫切需要一種結(jié)構(gòu)自重小，高強(qiáng)度，高韌性，并且具有多功能性的水泥基材料。

納米二氧化鈦已經(jīng)被證實(shí)可以提高水泥基材料的強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能以及電學(xué)性能，但對水泥基材料的強(qiáng)度改善效果有限。這主要是由于納米二氧化鈦雖然具有模版成核作用及填充作用，可以在某種程度上促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)，但水泥基體存在孔隙率大，內(nèi)部松散等自身缺陷，導(dǎo)致水泥基體的結(jié)合界面還具有一定的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)上述提出的技術(shù)問題，而提供一種一種摻包硅納米二氧化鈦的水泥基復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

一種摻包硅納米二氧化鈦的水泥基復(fù)合材料，含有水泥、包硅納米二氧化鈦、硅灰、粉煤灰、砂、減水劑和水。

含有以下重量份的物質(zhì)：

水泥1份、

包硅納米二氧化鈦0.002-0.1份、

硅灰0.2-0.4份、

粉煤灰0.1-0.2份、

砂1-2份、

減水劑0.003-0.01份、

水0.3-0.38份。

所述包硅納米二氧化鈦為表面包硅的金紅石相二氧化鈦，其粒徑為10nm-100nm。

所述包硅納米二氧化鈦中二氧化鈦的含量大于96％。

所述硅灰的粒徑為100-200nm。

所述粉煤灰的粒徑為0.12-0.83mm。

所述砂包括石英砂Ⅰ、石英砂Ⅱ和石英砂Ⅲ，所述石英砂Ⅰ的粒徑范圍為0.125-0.18mm、所述石英砂Ⅱ的粒徑范圍為0.18-0.425mm、所述石英砂Ⅲ的粒徑范圍為0.425-0.85mm，所述石英砂Ⅰ、所述石英砂Ⅱ和所述石英砂Ⅲ之間的質(zhì)量比為1:1:1。

所述減水劑為聚羧酸減水劑。

所述水泥為普通硅酸鹽水泥。

本發(fā)明還公開了一種制備水泥基復(fù)合材料的方法，具有如下步驟：

S1、稱取所述重量份的物質(zhì)，將水、減水劑、包硅納米二氧化鈦倒入攪拌鍋，攪拌轉(zhuǎn)速設(shè)為140±5r/min，攪拌20s，然后將硅灰倒入攪拌鍋中，攪拌轉(zhuǎn)速設(shè)為140±5r/min，攪拌60s，之后再將水泥和粉煤灰依次加入到攪拌鍋中，攪拌轉(zhuǎn)速設(shè)為140±5r/min，攪拌2min后，再將攪拌轉(zhuǎn)速換為285±10r/min，攪拌2min，最后將砂倒入攪拌鍋中，攪拌轉(zhuǎn)速設(shè)為140±5r/min，攪拌1min后，再攪拌轉(zhuǎn)速換為285±10r/min，攪拌4min；

S2、把步驟S1中得到的拌合物澆注到模具中，再將模具置于振動臺上，振動至表面有氣泡冒出；

S3、將模具放入養(yǎng)護(hù)箱中，在溫度為20±1℃，濕度大于95％的條件下養(yǎng)護(hù)24小時后拆模，得所述的水泥基復(fù)合材料試件。

為了檢測所述的水泥基復(fù)合材料的性能，可在步驟S3之前，根據(jù)模具內(nèi)拌合物的尺寸，插入用于連接外部電路的兩個電極，再次振動，確保電極和拌合物接觸良好。所述電極為導(dǎo)電的網(wǎng)狀電極片，其材質(zhì)優(yōu)選為不銹鋼。

本發(fā)明結(jié)合納米二氧化鈦、二氧化硅兩者的優(yōu)點(diǎn)，利用納米二氧化鈦、二氧化硅自身的增強(qiáng)機(jī)理以及相互協(xié)同的促進(jìn)增強(qiáng)作用，最終制備了自重小，高強(qiáng)度，高韌性，并且兼具電學(xué)特性的摻包硅納米二氧化鈦的水泥基復(fù)合材料。

1、納米二氧化鈦，具有高的比表面積和反應(yīng)活性，其可以通過填充效應(yīng)和晶核效應(yīng)等來增加水化產(chǎn)物，使水泥基體更加密實(shí)，減少結(jié)構(gòu)內(nèi)部的有害孔及裂縫數(shù)量(比較圖1、圖2可知)，從而提高水泥基體的強(qiáng)度。

2、二氧化硅可以和氫氧化鈣發(fā)生火山灰反應(yīng)，減少氫氧化鈣對強(qiáng)度的不利影響，促進(jìn)水泥早期水化反應(yīng)速度及反應(yīng)程度，形成更多水化硅酸鈣凝膠，使凝膠更加密實(shí)，減少氫氧化鈣晶體尺寸大小和改變氫氧化鈣晶體的取向性(比較圖3、圖4及圖5可知)，進(jìn)而從根本上優(yōu)化水泥基體的結(jié)合界面，增加水泥基復(fù)合材料的強(qiáng)度。

3、納米二氧化鈦本身為半導(dǎo)體，有一定的導(dǎo)電性，由于其同時具有小尺寸效應(yīng)，能夠在水泥基材料內(nèi)部形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提高導(dǎo)電性，從而使水泥基復(fù)合材料電阻率減小，賦予其電學(xué)特性。

4、摻包硅納米二氧化鈦的水泥基復(fù)合材料具有優(yōu)越力學(xué)性能，抗折強(qiáng)度大大提高，其中，3天抗折強(qiáng)度與空白件相比增加55.91％-83.3％。

5、摻包硅納米二氧化鈦的水泥基復(fù)合材料具有電學(xué)特性，電阻率會隨著摻量的增加而先減少后增加，電阻率始終小于空白水泥基材料的電阻率。

基于上述理由本發(fā)明可在建筑材料等技術(shù)領(lǐng)域廣泛推廣。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1為試件1的微觀掃描電鏡照片；

圖2為試件4的微觀掃描電鏡照片；

圖3為試件1中氫氧化鈣的微觀掃描電鏡照片；

圖4為試件2中氫氧化鈣的微觀掃描電鏡照片；

圖5為試件4中氫氧化鈣的微觀掃描電鏡照片；

圖6為試件尺寸及電極布置示意圖；

圖7為3天、28天齡期試件抗折強(qiáng)度隨二氧化鈦摻量變化的曲線；

圖8為3天、28天和60天齡期試件抗壓強(qiáng)度隨二氧化鈦摻量變化的曲線；

圖9為摻包硅納米二氧化鈦的水泥基復(fù)合材料電阻率隨二氧化鈦摻量變化的曲線。

具體實(shí)施方式

一種摻包硅納米二氧化鈦的水泥基復(fù)合材料，含有水泥、包硅納米二氧化鈦、硅灰、粉煤灰、砂、減水劑和水。

含有以下重量份的物質(zhì)：

水泥1份、

包硅納米二氧化鈦0.002-0.1份、

硅灰0.2-0.4份、

粉煤灰0.1-0.2份、

砂1-2份、

減水劑0.003-0.01份、

水0.3-0.38份。

所述包硅納米二氧化鈦為表面包硅的金紅石相二氧化鈦，其粒徑為10nm-500nm。

所述包硅納米二氧化鈦中二氧化鈦的含量大于96％。

所述硅灰的粒徑為100-200nm。

所述粉煤灰的粒徑為0.12-0.83mm。

所述砂包括石英砂Ⅰ、石英砂Ⅱ和石英砂Ⅲ，所述石英砂Ⅰ的粒徑范圍為0.125-0.18mm、所述石英砂Ⅱ的粒徑范圍為0.18-0.425mm、所述石英砂Ⅲ的粒徑范圍為0.425-0.85mm，所述石英砂Ⅰ、所述石英砂Ⅱ和所述石英砂Ⅲ之間的質(zhì)量比為1:1:1石英砂Ⅲ。

所述減水劑為聚羧酸減水劑。

一種制備所述的水泥基復(fù)合材料的方法，具有如下步驟：

S1、稱取所述重量份的物質(zhì)，將水、減水劑、包硅納米二氧化鈦倒入攪拌鍋，攪拌轉(zhuǎn)速設(shè)為140±5r/min，攪拌20s，然后將硅灰倒入攪拌鍋中，攪拌轉(zhuǎn)速設(shè)為140±5r/min，攪拌60s，之后再將水泥和粉煤灰依次加入到攪拌鍋中，攪拌轉(zhuǎn)速設(shè)為140±5r/min，攪拌2min后，再將攪拌轉(zhuǎn)速換為285±10r/min，攪拌2min，最后將砂倒入攪拌鍋中，攪拌轉(zhuǎn)速設(shè)為140±5r/min，攪拌1min后，再將攪拌轉(zhuǎn)速換為285±10r/min，攪拌4min；

S2、把步驟S1中得到的拌合物澆注到模具中，再將模具置于振動臺上，振動至表面有氣泡冒出；

S3、將模具放入養(yǎng)護(hù)箱中，在溫度為20±1℃，濕度大于95％的條件下養(yǎng)護(hù)24小時后拆模，得所述的水泥基復(fù)合材料試件。

實(shí)施例

一種摻包硅納米二氧化鈦的水泥基復(fù)合材料

表1原材料重量比配比

注：包硅納米二氧化鈦摻量計算采用內(nèi)摻法。

S1、稱取表1所述物質(zhì)，將水、減水劑、包硅納米二氧化鈦(試件1不加)倒入攪拌鍋，攪拌轉(zhuǎn)速設(shè)為140±5r/min，攪拌20s，然后將硅灰倒入攪拌鍋中，攪拌轉(zhuǎn)速設(shè)為140±5r/min，攪拌60s，之后再將水泥和粉煤灰依次加入到攪拌鍋中，攪拌轉(zhuǎn)速設(shè)為140±5r/min，攪拌2min后，再將攪拌轉(zhuǎn)速換為285±10r/min，攪拌2min，最后將砂倒入攪拌鍋中，攪拌轉(zhuǎn)速為設(shè)140±5r/min，攪拌1min后，再將攪拌轉(zhuǎn)速換為285±10r/min，攪拌4min；

S2、把步驟S1中得到的拌合物澆注到模具1(40mm×40mm×160mm)中，再將模具1置于振動臺上，振動至表面有氣泡冒出；

S3、根據(jù)模具1內(nèi)拌合物的尺寸，插入用于連接外部電路的兩個電極2，再次振動，確保電極2和拌合物接觸良好。之后，將模具1放入養(yǎng)護(hù)箱中，在溫度為20±1℃，濕度大于95％的條件下養(yǎng)護(hù)24小時后拆模，得試件1、2、3、4。

所述電極2為導(dǎo)電的網(wǎng)狀電極片，其材質(zhì)優(yōu)選為不銹鋼。所述兩個電極2與模具1端部平行設(shè)置，分別距離模具1端部10mm，如圖6所述。

拆模后養(yǎng)護(hù)：拆模以后將試件立即放入到20±1℃的水中養(yǎng)護(hù)至所需的不同齡期，其中60天齡期的試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28天，然后，從水中取出靜放到60天進(jìn)行試驗(yàn)。

抗折強(qiáng)度：用膠砂抗折儀進(jìn)行抗折強(qiáng)度測試。

抗壓強(qiáng)度：用萬能試驗(yàn)機(jī)對試件的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測量，位移控制方式，加載速率為1.2mm/min。

電阻：用萬用表進(jìn)行測試，測試方法為，交流，兩電極。

電阻率通過公式ρ＝RS/l計算得到。

由圖7、圖8可知，摻1％包硅納米二氧化鈦的水泥基復(fù)合材料比空白水泥基材料的3天和28天抗折強(qiáng)度分別提高55.91％和43.43％，比摻1％納米二氧化鈦的水泥基復(fù)合材料的3天和28天的抗折強(qiáng)度分別提高36.22％和2.41％。摻3％包硅納米二氧化鈦的水泥基復(fù)合材料比空白水泥基材料3天和28天抗折強(qiáng)度分別提高了83.3％和74.9％，比摻3％納米二氧化鈦的水泥基復(fù)合材料的3天和28天抗折強(qiáng)度分別提高了28.89％和13.79％。摻3％包硅納米二氧化鈦的水泥基復(fù)合材料的3天、28天和60天抗壓強(qiáng)度對比空白水泥基材料分別提高了18％、12.26％和34.35％，比摻3％納米二氧化鈦的水泥基復(fù)合材料3天、28天和60天抗壓強(qiáng)度分別提高了15.91％、2.43％和2.72％。摻5％包硅納米二氧化鈦的水泥基復(fù)合材料比空白水泥基材料3天和28天抗折強(qiáng)度分別提高了73.73％和87％，而3天、28天和60天抗壓強(qiáng)度分別提高了4.09％、10.32％和38.27％。摻5％包硅納米二氧化鈦水泥基復(fù)合材料比摻5％納米二氧化鈦的水泥基復(fù)合材料3天和28天抗折強(qiáng)度分別提高了34.4％和21.97％，而3天、28天和60天抗壓強(qiáng)度分別提高了13.41％、1.42％和4.7％。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摻包硅納米二氧化鈦的水泥基復(fù)合材料不僅提高了水泥基材料的抗壓強(qiáng)度，而且大幅度的提高了其抗折強(qiáng)度，早期抗折強(qiáng)度提高程度高達(dá)83.3％，28天齡期抗折強(qiáng)度提高程度高達(dá)87％。另外，摻包硅納米二氧化鈦的水泥基復(fù)合材料60天抗壓強(qiáng)度均有大幅提升，最高提高程度高達(dá)38.27％。

由圖9可知，包硅納米二氧化鈦的摻加可以提高水泥基材料的導(dǎo)電性。其中摻加1％的包硅納米二氧化鈦可以使水泥基材料的28天電阻率降低6.98％。摻加3％的包硅納米二氧化鈦可以使水泥基材料的28天電阻率降低17.84％。摻加5％的包硅納米二氧化鈦可以使水泥基材料的28天電阻率降低11.75％。這說明包硅納米二氧化鈦可以賦予水泥基材料電學(xué)特性。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。