本發(fā)明屬于納米復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

自1842年阿斯譜丁發(fā)明波特蘭水泥以來，水泥基材料在世界上的應(yīng)用已經(jīng)近200年歷史，成為在土木工程、水利工程、交通運(yùn)輸工程等現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程的重要結(jié)構(gòu)材料，水泥基一般由水泥、沙子和水混合攪拌而成，隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的日益加快，水泥的用量呈現(xiàn)逐步增加的趨勢，對水泥基材料的性能提出了更高的要求，一般的水泥基材料雖然造價(jià)低，抗壓能力強(qiáng)，耐久性，但是其抗拉強(qiáng)度低，體積不穩(wěn)定，在固化時(shí)易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)收縮開裂，在極端環(huán)境下耐候性較差，無法滿足建造大型橋梁，壩體，核反應(yīng)堆外圍等特殊場合的需求，隨著納米科技的發(fā)展，利用納米技術(shù)對水泥基材料進(jìn)行改性，不僅可以改善和提高水泥基材料的耐久性，還可以提高水泥基材料的綜合力學(xué)性能，通常對水泥基材料進(jìn)行改性的納米材料有納米二氧化硅、納米碳酸鈣、碳納米管，納米氧化鈦、納米氧化鐵等，但是在改性的過程中納米材料由于其比表面積較大和表面活性較高，在使用過程中極易凝聚成團(tuán)，降低了水泥基材料性能，因此現(xiàn)有技術(shù)需要進(jìn)一步的改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種凝結(jié)快、抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度好的含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料。

基于上述目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：

一種含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料，由以下重量份數(shù)的原料組成：水泥1-2份，鋼纖維0.003-0.05份，納米鉆石烯0.02-0.08份，水0.2-0.6份，摻合料0.25-0.45份，高性能減水劑0.001-0.003份，石英砂0.4-0.5份，碳纖維0.006-0.07份。

進(jìn)一步的，所述的納米鉆石烯為改性的納米鉆石烯，由以下方法制得：

a.超聲波堿洗：將納米鉆石烯放入裝有堿液的超聲波清洗機(jī)中，超聲波頻率為35-45khz，堿液為濃度10%-12%的naoh水溶液，堿洗溫度為50-60℃，旋轉(zhuǎn)攪拌，攪拌速度為35-40rpm，清洗20-30min；

b.超聲波水洗：將堿洗后的納米鉆石稀放入裝有去離子水的超聲波清洗機(jī)中，超聲波頻率為30-40khz，攪拌速度為25-30rpm，攪拌時(shí)間為15-20min，取上層清液測量ph值，反復(fù)清洗直至ph=7；

c.酸洗活化：將經(jīng)過清洗后的納米鉆石稀加入酸洗液中，所述的酸洗液為濃度25%-30%的硝酸溶液，酸洗溫度為25-30℃，旋轉(zhuǎn)攪拌，攪拌速度為30-35rpm，攪拌15-20min；

d.超聲波水洗：將酸洗后的納米鉆石稀放入裝有去離子水的超聲波清洗機(jī)中，超聲波頻率為30-35khz，旋轉(zhuǎn)攪拌，攪拌速度為10-20rpm，攪拌15-20min，取上層清液測量ph值，反復(fù)清洗直至ph=7；

e.將步驟d的納米鉆石烯放入裝有無水乙醇的超聲波清洗機(jī)中攪拌，在超聲波頻率為30-35khz，攪拌速度為2500-3000rpm的條件下，加入硅烷偶聯(lián)劑，攪拌20-30min，然后將其放入真空烘箱內(nèi)，在120-150℃下，烘干得改性后的納米鉆石烯；

所述的納米鉆石烯與乙醇的用量比為2-3g:100ml；所述的硅烷偶聯(lián)劑的質(zhì)量為納米鉆石烯質(zhì)量的3-7%。

進(jìn)一步的，所述的硅烷偶聯(lián)劑為kh550。

進(jìn)一步的，所述的納米鉆石烯粒度配比為20nm︰30nm︰40nm=(4-5)︰(3-4)︰(1-2)。

進(jìn)一步的，所述的鋼纖維為直徑0.1-0.2mm、長度8-10mm、抗拉強(qiáng)度1800-2200mpa的鍍銅鋼纖維。

進(jìn)一步的，所述的碳纖維長度為3-5mm，公稱直徑為2-5um。

進(jìn)一步的，所述的摻合料為硅灰或粉煤灰或者二者混合物。

進(jìn)一步的，所述的硅灰或者粉煤灰比表面積為2000-3500cm²/g。

進(jìn)一步的，所述的高性能減水劑為聚羥酸鹽減水劑；所述的水泥為硅酸鹽水泥。

進(jìn)一步的，所述的含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料的制備方法，由以下步驟組成：

（1）將水和高性能減水劑以800-1000rpm的速度混合攪拌15-20min，然后加入納米鉆石烯以2500-3000rpm的速度攪拌20-30min，制得混合液；

（2）將水泥、摻合料、石英沙倒入球磨機(jī)研磨混合均勻，并在60-80℃下將其烘干，制得混合粉末；

（3）向步驟（2）的混合粉末邊攪拌邊中加入步驟（1）的混合液，直至混合物流化，得到水泥混合漿料，并將該水泥混合漿料喂入高剪切膠體磨中高速剪切5-15min；

（4）將鋼纖維和碳纖維加入到剪切后的混合漿液中進(jìn)行磁力攪拌，攪拌速度為200-250rpm，攪拌20-30min后，得含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料。

本發(fā)明制得的含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料其水化速率快，凝漿時(shí)間短，可適用于需要水泥基具有較高強(qiáng)度和快速凝固的基建場合使用，納米鉆石烯同碳纖維、鋼纖維復(fù)摻后其抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度好。

附圖說明

圖1為含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料的初凝時(shí)間與納米鉆石烯含量的關(guān)系示意圖；

圖2為含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料的終凝時(shí)間與納米鉆石烯含量的關(guān)系示意圖；

圖3為含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度與納米鉆石烯含量的關(guān)系示意圖；

圖4為含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度與納米鉆石烯含量的關(guān)系示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

一種含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料，由以下重量份數(shù)的原料組成：硅酸鹽水泥1份，鋼纖維0.003份，納米鉆石烯0.02份，水0.2份，硅灰0.25份，聚羥酸鹽減水劑0.001份，石英砂0.4份，碳纖維0.006份。

所述的納米鉆石烯為改性的納米鉆石烯，由以下方法制得：

a.超聲波堿洗：將納米鉆石烯放入裝有堿液的超聲波清洗機(jī)中，超聲波頻率為35khz，堿液濃度為10%的naoh溶液，堿洗溫度為50℃，旋轉(zhuǎn)攪拌，攪拌速度為35rpm，清洗20min；

b.超聲波水洗：將堿洗后的納米鉆石稀放入裝有去離子水的超聲波清洗機(jī)中，超聲波頻率為30khz，攪拌速度為25rpm，攪拌時(shí)間為15min，取上層清液測量ph值，反復(fù)清洗直至ph=7；

c.酸洗活化：將經(jīng)過清洗后的納米鉆石稀加入酸洗液中，所述的酸洗液濃度為25%的硝酸溶液，酸洗溫度為25℃，旋轉(zhuǎn)攪拌，攪拌速度為30rpm，攪拌15min；

d.超聲波水洗：將酸洗后的納米鉆石稀放入裝有去離子水的超聲波清洗機(jī)中，超聲波頻率為30khz，旋轉(zhuǎn)攪拌，攪拌速度為10rpm，攪拌15min，取上層清液測量ph值，反復(fù)清洗直至ph=7；

e.將步驟d的納米鉆石烯放入裝有無水乙醇的超聲波清洗機(jī)中攪拌，在超聲波頻率為30khz，攪拌速度為2500rpm的條件下，加入kh550，攪拌20min，然后將其放入真空烘箱內(nèi)，在120℃下，烘干得改性后的納米鉆石烯。

所述的納米鉆石烯與乙醇的用量比為2g:100ml；所述的硅烷偶聯(lián)劑的質(zhì)量為納米鉆石烯質(zhì)量的3%；所述的納米鉆石烯粒度配比為20nm︰30nm︰40nm=4︰3︰1；

所述的鋼纖維直徑0.1mm，長度8mm，抗拉強(qiáng)度1800mpa鍍銅鋼纖維；所述的碳纖維長度為3mm，公稱直徑為2um；所述的硅灰比表面積為2000cm²/g；

所述的含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料的制備方法，由以下步驟組成：

（1）將水和高性能減水劑進(jìn)行以800rpm的速度混合攪拌，攪拌15min，然后加入納米鉆石烯以2500rpm的速度，攪拌20min，制得混合液。

（2）將水泥、硅灰、石英砂倒入球磨機(jī)研磨混合均勻，并在60℃下將其烘干，制得混合粉末。

（3）向步驟（2）的混合粉末邊攪拌邊中加入步驟（1）的混合液，直至混合物流化，得到水泥混合漿料，并將該水泥混合漿料喂入高剪切膠體磨中高速剪切5min。

（4）將鋼纖維和碳纖維加入到剪切后的混合漿液中進(jìn)行磁力攪拌，攪拌速度為200rpm，攪拌20min后，得含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料。

實(shí)施例2：

一種含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料，由以下重量份數(shù)的原料組成：硅酸鹽水泥1.5份，鋼纖維0.0265份，納米鉆石烯0.05份，水0.4份，粉煤灰0.35份，聚羥酸鹽減水劑0.002份，石英砂0.45份，碳纖維0.038份。

所述的納米鉆石烯為改性的納米鉆石烯，由以下方法制得：

a.超聲波堿洗：將納米鉆石烯放入裝有堿液的超聲波清洗機(jī)中，超聲波頻率為40khz，堿液濃度為11%的naoh溶液，堿洗溫度為55℃，旋轉(zhuǎn)攪拌，攪拌速度為38rpm，清洗25min；

b.超聲波水洗：將堿洗后的納米鉆石稀放入裝有去離子水的超聲波清洗機(jī)中，超聲波頻率為35khz，攪拌速度為28rpm，攪拌時(shí)間為17min，取上層清液測量ph值，反復(fù)清洗直至ph=7；

c.酸洗活化：將經(jīng)過清洗后的納米鉆石稀加入酸洗液中，所述的酸洗液濃度為25%-30%的硝酸溶液，酸洗溫度為27℃，旋轉(zhuǎn)攪拌，攪拌速度為32rpm，攪拌17min；

d.超聲波水洗：將酸洗后的納米鉆石稀放入裝有去離子水的超聲波清洗機(jī)中，超聲波頻率為32khz，旋轉(zhuǎn)攪拌，攪拌速度為15rpm，攪拌17min，取上層清液測量ph值，反復(fù)清洗直至ph=7；

e.將步驟d的納米鉆石烯放入裝有無水乙醇的超聲波清洗機(jī)中攪拌，在超聲波頻率為32khz，攪拌速度為2750rpm的條件下，加入kh550，攪拌25min，然后將其放入真空烘箱內(nèi)，在130℃下，烘干得改性后的納米鉆石烯。

所述的納米鉆石烯與乙醇的用量比為2.5g:100ml；所述的硅烷偶聯(lián)劑的質(zhì)量為納米鉆石烯質(zhì)量的5%；所述的納米鉆石烯粒度配比為20nm︰30nm︰40nm=4.5︰3.5︰1.5；

所述的鋼纖維直徑0.15mm，長度9mm，抗拉強(qiáng)度2000mpa鍍銅鋼纖維；所述的碳纖維長度為4mm，公稱直徑為3.5um；所述的粉煤灰比表面積為2750cm²/g；

所述的含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料的制備方法，由以下步驟組成：

（1）將水和高性能減水劑進(jìn)行以900rpm的速度混合攪拌，攪拌17min，然后加入納米鉆石烯以2750rpm的速度，攪拌25min，制得混合液。

（2）將水泥、粉煤灰、石英沙倒入球磨機(jī)研磨混合均勻，并在70℃下將其烘干，制得混合粉末。

（3）向步驟（2）的混合粉末邊攪拌邊中加入步驟（1）的混合液，直至混合物流化，得到水泥混合漿料，并將該水泥混合漿料喂入高剪切膠體磨中高速剪切10min。

（4）將鋼纖維和碳纖維加入到剪切后的混合漿液中進(jìn)行磁力攪拌，攪拌速度為225rpm，攪拌25min后，得含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料。

實(shí)施例3：

一種含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料，由以下重量份數(shù)的原料組成：硅酸鹽水泥2份，鋼纖維0.05份，納米鉆石烯0.08份，水0.6份，硅灰和粉煤灰的混合物0.45份，聚羥酸鹽減水劑0.003份，石英砂0.5份，碳纖維0.07份。

所述的納米鉆石烯為改性的納米鉆石烯，由以下方法制得：

a.超聲波堿洗：將納米鉆石烯放入裝有堿液的超聲波清洗機(jī)中，超聲波頻率為45khz，堿液濃度為12%的naoh溶液，堿洗溫度為60℃，旋轉(zhuǎn)攪拌，攪拌速度為40rpm，清洗30min；

b.超聲波水洗：將堿洗后的納米鉆石稀放入裝有去離子水的超聲波清洗機(jī)中，超聲波頻率為40khz，攪拌速度為30rpm，攪拌時(shí)間為20min，取上層清液測量ph值，反復(fù)清洗直至ph=7；

c.酸洗活化：將經(jīng)過清洗后的納米鉆石稀加入酸洗液中，所述的酸洗液濃度為30%的硝酸溶液，酸洗溫度為30℃，旋轉(zhuǎn)攪拌，攪拌速度為35rpm，攪拌20min；

d.超聲波水洗：將酸洗后的納米鉆石稀放入裝有去離子水的超聲波清洗機(jī)中，超聲波頻率為35khz，旋轉(zhuǎn)攪拌，攪拌速度為20rpm，攪拌20min，取上層清液測量ph值，反復(fù)清洗直至ph=7；

e.將步驟d的納米鉆石烯放入裝有無水乙醇的超聲波清洗機(jī)中攪拌，在超聲波頻率為35khz，攪拌速度為3000rpm的條件下，加入kh550，攪拌30min，然后將其放入真空烘箱內(nèi)，在150℃下，烘干得改性后的納米鉆石烯。

所述的納米鉆石烯與乙醇的用量比為3g:100ml；所述的硅烷偶聯(lián)劑的質(zhì)量為納米鉆石烯質(zhì)量的7%；所述的納米鉆石烯粒度配比為20nm︰30nm︰40nm=5︰4︰2；

所述的鋼纖維直徑0.2mm，長度10mm，抗拉強(qiáng)度2200mpa鍍銅鋼纖維；所述的碳纖維長度為5mm，公稱直徑為5um；所述的硅灰和粉煤灰比表面積為3500cm²/g；

所述的含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料的制備方法，由以下步驟組成：

（1）將水和高性能減水劑進(jìn)行以1000rpm的速度混合攪拌，攪拌20min，然后加入納米鉆石烯以3000rpm的速度，攪拌30min，制得混合液。

（2）將水泥、硅灰和粉煤灰的混合物、石英沙倒入球磨機(jī)研磨混合均勻，并在80℃下將其烘干，制得混合粉末。

（3）向步驟（2）的混合粉末邊攪拌邊中加入步驟（1）的混合液，直至混合物流化，得到水泥混合漿料，并將該水泥混合漿料喂入高剪切膠體磨中高速剪切15min。

（4）將鋼纖維和碳纖維加入到剪切后的混合漿液中進(jìn)行磁力攪拌，攪拌速度為250rpm，攪拌30min后，得含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料。

試驗(yàn)例1：

對實(shí)施例1所述的含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料的制備方法所制備的含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料的凈漿凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行測定，根據(jù)gb/t1346-2011，將含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料在溫度為20℃，相對濕度為50-60%的情況下養(yǎng)護(hù)，把納米鉆石烯的添加量作為變量，對養(yǎng)護(hù)過程中的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖1和圖2所示，含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料相對于未添加納米鉆石烯的水泥基材料的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間短，添加納米鉆石烯的用量在納米鉆石烯0.02-0.08份時(shí)，其初凝時(shí)間和終凝時(shí)間最為合適，如果納米鉆石烯的添加量超過0.08份時(shí)，其初凝時(shí)間和終凝時(shí)間過短，不利于后期養(yǎng)護(hù)，影響含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料的使用。

試驗(yàn)例2：

根據(jù)gb/t17671-1999對實(shí)施例1所述的含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料的制備方法所制備的含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測定，以納米鉆石烯的添加量為變量，選用試件尺寸為50mm×50mm×100mm，試件按照標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定養(yǎng)護(hù)期，養(yǎng)護(hù)室溫度為20℃，濕度為90%，以抗壓強(qiáng)度加載速度為300n/s，折彎強(qiáng)度加載速度為50n/s條件下，進(jìn)行抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度檢測，檢測結(jié)果如圖3和圖4所示，在養(yǎng)護(hù)時(shí)間相同的情況下，含有納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料養(yǎng)護(hù)的砂漿相對于沒有添加納米鉆石烯的水泥基復(fù)合材料養(yǎng)護(hù)的砂漿的抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度大，在納米鉆石烯添加量在0.04份時(shí)，抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度最為適宜。