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CN106082795A - 氧化石墨烯增强预应力孔道灌浆材料及其制备方法 - Google Patents

氧化石墨烯增强预应力孔道灌浆材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种氧化石墨烯增强预应力孔道灌浆材料，其特征在于：所述灌浆材料由以下重量份的各组分制备：水泥800～1000份，粉煤灰50～150份，氧化石墨烯2～20份，膨胀剂80～120份，高效减水剂12～18份，阻锈剂30～50份，水300～390份。本发明具有将氧化石墨烯作为增强材料，并添加膨胀剂与阻锈剂等化学外加剂，用于预应力孔道灌浆材料的制备，以解决传统灌浆材料的强度、流动度、泌水、体积变化等性能波动较大等问题，从而满足后张预应力混凝土结构施工的要求的优点。

Description

氧化石墨烯增强预应力孔道灌浆材料及其制备方法
技术领域
本发明属于土木工程材料领域，涉及一种氧化石墨烯增强预应力孔道灌浆材料及其制备方法。
背景技术
后张预应力混凝土结构是在混凝土构件的预留孔道中穿入预应力钢筋，然后进行张拉与锚固，最后在孔道中灌入灌浆材料形成粘结受力状态，其具有抗裂性好、刚度大等优点，因而在高层大跨度结构及桥梁工程中得到了越来越广泛的应用。
预应力孔道灌浆材料对于预应力混凝土结构的安全与耐久性有着重要影响。灌浆材料应饱满，以保证预应力的有效传递，同时应具有良好的耐久性，以对预应力钢筋等提供额外的防腐保护。传统水泥浆体的强度、流动度、泌水、体积变化等性能波动较大，难以满足应力孔道灌浆的技术要求，因此亟须发展一种性能可靠的预应力孔道灌浆材料。
随着纳米技术的发展，其表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，在各个领域都展现出良好的应用前景，美国国家自然科学基金委(NSF)结构材料与力学处将纳米材料在土木工程中的研究列入了重点研究方向之一。石墨烯是目前已知材料中强度最高、韧性最好、比面积最大的纳米材料；氧化石墨烯是由石墨氧化制备石墨烯的中间产物，其存在大量的活性基团(如羟基、羧基和环氧基等)可使得石墨片层间的距离扩大且具有亲水性，容易被分散制备成纳米分散液或插层复合物，从而使其在水泥基复合材料领域具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明针对现有技术的上述不足，将氧化石墨烯作为增强材料，并添加膨胀剂与阻锈剂等化学外加剂，用于预应力孔道灌浆材料的制备，以解决传统灌浆材料的强度、流动度、泌水、体积变化等性能波动较大等问题，从而满足后张预应力混凝土结构施工的要求的氧化石墨烯增强预应力孔道灌浆材料。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种氧化石墨烯增强预应力孔道灌浆材料，所述灌浆材料由以下重量份的各组分制备：水泥800～1000份，粉煤灰50～150份，氧化石墨烯2～20份，膨胀剂80～120份，高效减水剂12～18份，阻锈剂30～50份，水300～390份。
本发明所述的水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，强度不低于42.5强度等级。
本发明所述的粉煤灰为F类粉煤灰，比表面积≥400m2/kg，需水量比≤95％，烧失量≤5.0％。本发明之所以做出上述限定，是因为根据所含氧化钙的含量，粉煤灰可分为F类(低钙灰)和C类(高钙灰)。C类灰中含有一定量的游离氧化钙，如果使用不当，用作掺合料可能会造成水泥基复合材料的体积安定性不良等一系列后果，因此强调采用F类灰。此外，粉煤灰之所以能成为使用最为广泛的掺合料，关键在于其具有三大效应(活性效应、形态效应及微集料效应)。比表面积越大，则活性效应越高、微集料效应越显著；需水量比越小，则形态效应越显著；烧失量越小，表明粉煤灰中未燃的碳对于减水剂以及氧化石墨烯等组分的吸附越少；因此上述三个指标的规定均是为了保证灌浆材料的强度和施工性能所做的限定。
本发明所述的膨胀剂为硫铝酸钙类膨胀剂(如青岛虹厦高分子材料有限公司产HEA-1膨胀剂，HEA-1高效混凝土膨胀剂)，之所以添加膨胀剂是为了使灌浆料产生微膨胀，确保了灌浆料使用时能与孔壁之间粘结，从而使预应力能够有效传递。
本发明所述的减水剂为减水率超过20％的缓凝型高效减水剂(如江苏苏博特新材料股份有限公司产(缓凝、泵送)混凝土高效减水剂、聚羧酸高保坍减水剂)，之所以采用这种规格的减水剂是因为其不仅可以提高灌浆材料的工作性和强度，还具有延缓凝结时间和保坍的功效。
本发明所述的阻锈剂为掺入型阻锈剂(如北京瑞晟特建材有限公司GST复合氨基醇类有机钢筋阻锈剂)，其能够在预应力钢筋表面形成吸附膜及氧化膜，起到阻断有害物质与钢筋表面的接触，阻止或延缓锈蚀发生的效果，从而防止预应力消失导致管道坍塌。
本发明所述的氧化石墨烯为水溶性单层氧化石墨烯粉末，片径0.5～5μm，厚度0.8～1.2nm，羟基含量不小于0.005％。石墨烯是由碳原子以sp2杂化结构连成的单原子层构成(厚度仅为0.34nm)，但其价格昂贵，因此目前在水泥基复合材料中多使用氧化石墨烯，其是由石墨氧化制备石墨烯的中间产物，存在大量的活性基团(如羟基、羧基和环氧基等)，可使得石墨片层间的距离扩大且具有亲水性，容易被分散制备成纳米分散液或形成插层复合物。氧化石墨烯强度高、韧性大，且其上含有大量活性基团，在可促进水化晶体的生长，并对水化产物的形状具有模板调控作用，更易形成形状规整、体积微小的晶体状或花瓣状结构，断面形貌结构也更加紧密，孔径更加均匀、细小，极大的提高了灌浆料的物理力学性能，并降低了泌水率。
本发明还提供一种氧化石墨烯增强预应力孔道灌浆材料的制备方法，制备步骤包括：(1)按配方比例称取各原材料；
(2)然后先将水泥、粉煤灰、膨胀剂及阻锈剂在搅拌机内干拌25-30s，然后倒入配方总用水量的50-90％的水搅拌90-100s得到浆体，接着将减水剂倒入搅拌机内与浆体搅拌120-150s，最后将氧化石墨烯与剩余的水在容器内混合；
(3)搅拌均匀后的氧化石墨烯与剩余水的混合液倒入搅拌机内与浆体继续搅拌90-100s，即得到氧化石墨烯增强预应力孔道灌浆材料。
本发明与现有技术相比，具有以下独特的性能和优点：
(1)本发明首次将氧化石墨烯用于灌浆材料的制备，极大的提高了灌浆料的物理力学性能，并降低了泌水率。
(2)本发明灌浆材料中掺入了阻锈剂，极大的提高了预应力混凝土结构的耐久性。
(3)本发明灌浆料中掺入了膨胀剂，使本应产生收缩的浆体产生了微膨胀，极大的提高了体积稳定性，确保了灌浆料与孔壁之间的粘结，从而使预应力能够有效传递。
(4)本发明灌浆料中掺入了缓凝型高效减水剂，极大的提高了灌浆料的流动性，并延缓了凝结时间，确保了灌浆料的施工性能。
(5)本发明灌浆料中掺入了工业废弃物粉煤灰，不仅节能环保，而且充分发挥了粉煤灰的活性效应、形态效应及微集料效应，确保了灌浆料的后期性能。
(6)本发明通过如下各组分的特定配比：水泥800～1000份，粉煤灰50～150份，氧化石墨烯2～20份，膨胀剂80～120份，高效减水剂12～18份，阻锈剂30～50份，水300～390份；各个组分相互影响、相互协同，使得最终的灌浆材料具有优异的强度、粘结性能和耐久性能。
附图说明
图1本发明制备方法工艺流程图。
具体实施方式
下面通过实施例进一步详细描述本发明，但本发明不仅仅局限于以下实施例。
实施例1
按重量组分计算，本实施例灌浆材料各原料组分如下：包括水泥900份，粉煤灰135份，氧化石墨烯15份，膨胀剂80份，高效减水剂12份，阻锈剂42份，水340份。
制备步骤如下：按配方比例称取各原材料，先将水泥、粉煤灰、膨胀剂及阻锈剂在搅拌机内干拌25-30s，然后先倒入配方总用水量的80％的水搅拌90-100s，接着将减水剂倒入搅拌机内与浆体搅拌120-150s，最后将氧化石墨烯与剩余的20％的水在容器内混合，搅拌均匀后将混合液倒入搅拌机内与浆体继续搅拌90-100s，即得到氧化石墨烯增强预应力孔道灌浆材料。技术指标如表1所示。
表1实施例1的技术指标
实施例2
按重量组分计算，本实施例灌浆材料各原料组分如下：包括水泥1000份，粉煤灰80 份，氧化石墨烯11份，膨胀剂90份，高效减水剂15份，阻锈剂35份，水330份。
制备方法同实施例1。技术指标如表2所示。
表2实施例2的技术指标
实施例3
按重量组分计算，本实施例灌浆材料各原料组分如下：包括水泥1050份，粉煤灰50份，氧化石墨烯6份，膨胀剂100份，高效减水剂18份，阻锈剂30份，水330份。
制备方法同实施例1。技术指标如表3所示。
表3实施例3的技术指标
从上述实施例可知，本发明的技术方案获得的灌浆材料具有优异的工作性、强度、体积稳定性以及耐久性；解决了传统灌浆材料的强度、流动度、泌水、体积变化等性能波动较大等问题，从而满足后张预应力混凝土结构施工的要求。

Claims (9)

1.一种氧化石墨烯增强预应力孔道灌浆材料，其特征在于：所述灌浆材料由以下重量份的各组分制备：水泥800～1000份，粉煤灰50～150份，氧化石墨烯2～20份，膨胀剂80～120份，高效减水剂12～18份，阻锈剂30～50份，水300～390份。
2.根据权利要求1所述的氧化石墨烯增强预应力孔道灌浆材料，其特征在于：所述的水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，强度不低于42.5强度等级。
3.根据权利要求1所述的氧化石墨烯增强预应力孔道灌浆材料，其特征在于：所述的粉煤灰为F类粉煤灰，比表面积≥400m2/kg，需水量比≤95％，烧失量≤5.0％。
4.根据权利要求1所述的氧化石墨烯增强预应力孔道灌浆材料，其特征在于：所述的膨胀剂为硫铝酸钙类膨胀剂。
5.根据权利要求1所述的氧化石墨烯增强预应力孔道灌浆材料，其特征在于：所述的减水剂为减水率超过20％的缓凝型高效减水剂。
6.根据权利要求1所述的氧化石墨烯增强预应力孔道灌浆材料，其特征在于：所述的阻锈剂为掺入型阻锈剂。
7.根据权利要求1所述的氧化石墨烯增强预应力孔道灌浆材料，其特征在于：所述的氧化石墨烯为水溶性单层氧化石墨烯粉末，片径0.5～5μm，厚度0.8～1.2nm，羟基含量不小于0.005％。
8.根据权利要求1-7任一权利要求所述的氧化石墨烯增强预应力孔道灌浆材料的制备方法，其特征在于：制备步骤包括：
(1)按配方比例称取各原材料；
(2)然后先将水泥、粉煤灰、膨胀剂及阻锈剂在搅拌机内干拌25-30s，然后倒入配方总用水量的50-90％的水搅拌90-100s得到浆体，接着将减水剂倒入搅拌机内与浆体搅拌120-150s，最后将氧化石墨烯与剩余的水在容器内混合；
(3)搅拌均匀后的氧化石墨烯与剩余水的混合液倒入搅拌机内与浆体继续搅拌90-100s，即得到氧化石墨烯增强预应力孔道灌浆材料。
9.根据权利要求8所述的氧化石墨烯增强预应力孔道灌浆材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中倒入的水为总用水量的80％。
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