一种氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土及其制备方法
阅读说明：本技术 一种氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土及其制备方法 (Graphene oxide reinforced iron tailing ceramsite concrete and preparation method thereof ) 是由 李晓光 屈雅安 陶斌 王旭 于 2021-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明属于工程材料技术领域,公开了一种氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土及其制备方法,包括以下制备原料：水泥基胶凝材料、氧化石墨烯、粗骨料、石英砂、减水剂和水。可明显提高铁尾矿陶粒混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量,显著提高陶粒混凝土的安全性以及扩大其在建筑行业的应用范围；其制备方法简单,造价成本低廉,便于工业化生产及应用,可适用于装配式建筑的非承重构建,显著降低其安全风险。(The invention belongs to the technical field of engineering materials, and discloses graphene oxide reinforced iron tailing ceramsite concrete and a preparation method thereof, wherein the graphene oxide reinforced iron tailing ceramsite concrete comprises the following preparation raw materials: the concrete comprises a cement-based cementing material, graphene oxide, coarse aggregate, quartz sand, a water reducing agent and water. The compression strength, the splitting tensile strength and the elastic modulus of the iron tailing ceramsite concrete can be obviously improved, the safety of the ceramsite concrete is obviously improved, and the application range of the ceramsite concrete in the building industry is expanded; the preparation method is simple, low in manufacturing cost and convenient for industrial production and application, and is suitable for non-bearing construction of the fabricated building, so that the safety risk of the fabricated building is remarkably reduced.)
技术领域
本发明涉及工程材料技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土及其制备方法。
背景技术
直到今天，普通硅酸盐水泥仍然是土木工程领域的首选建筑材料，因其来源广泛、价格低廉，成为建筑上无法被取代的胶凝材料。然而，水泥基胶凝材料缺陷在于它应变能力有限，导致其抗裂性、抗拉伸性能差。
纳米材料因其独特的材料属性，对水泥的水化进程有着明显的促进效果。纳米材料与水泥在纳米尺度上的相互作用而产生粘附现象，使得水泥基胶凝材料的强度以及密实性能都得到明显的提高。与普通纤维相比，氧化石墨烯在增强水泥基胶凝材料性能方面具有较为合理和更加适宜的长径比。在水化反应方面，氧化石墨烯对水泥水化起着晶种作用，促进水合产物的生长。水泥石破坏形态可知，氧化石墨烯能提高水泥石的延性。
目前陶粒混凝土在装配式建筑的应用主要是非承重构件，比如保温墙板、楼梯、内外隔墙板等构件。未来随着装配式建筑的进一步发展，提升陶粒混凝土性能至关重要。可见装配式建筑将成为建筑行业的主流方向，与此同时陶粒混凝土也将成为建筑行业的主流建材之一。相对于普通混凝土，陶粒混凝土具有自重轻、耐火性好、抗震性好、抗冻性好的特点，但是当两者具有相同水灰比时，陶粒混凝土的力学性能明显的低于普通混凝土，其力学性能的缺陷阻碍了陶粒混凝土的发展与应用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土及其制备方法，可明显提高铁尾矿陶粒混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量，显著提高陶粒混凝土的安全性以及扩大其在建筑行业的应用范围；其制备方法简单，造价成本低廉，便于工业化生产及应用，可适用于装配式建筑的非承重构建，显著降低其安全风险。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
(一)一种氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土，包括以下制备原料：水泥基胶凝材料、氧化石墨烯、粗骨料、石英砂、减水剂和水。
优选的，所述原料的用量为：粗骨料30.1％～34.6％、石英砂34.4％～38.3％、水泥基胶凝材料21.1％～25.2％和水7.8％～8.6％；所述氧化石墨烯占所述水泥基胶凝材料质量的0.02％～0.10％；所述减水剂占所述水泥基胶凝材料质量的1.70％～2.15％。
优选的，所述水泥基胶凝材料包含强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥和二级以上的粉煤灰。
进一步优选的，所述普通硅酸盐水泥的中位径(D50)为11.02μm-15.10μm。
进一步优选的，所述粉煤灰的活性为65％～70％。
优选的，所述氧化石墨烯是比表面积为700～1500m2/g、长宽比为2500～10000、弹性模量为25～35GPa、抗拉强度为126～135MPa、直径为0.7nm-5nm的单层碳纳米片。
优选的，所述粗骨料为铁尾矿陶粒。
优选的，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水剂的减水率为20-30％。
优选的，所述石英砂的纯度为97％-99％，细度模数为0.75-1.23。
(二)一种氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将氧化石墨烯与水进行混合，搅拌，再进行超声波分散，得到氧化石墨烯水溶液；
步骤2，将所述氧化石墨烯水溶液与减水剂进行混合搅拌，得水剂；
步骤3，将粗骨料、石英砂、水泥基胶凝材料混合，搅拌，得到混合物；
步骤4，将所述水剂、所述混合物与水进行混合，搅拌，得到氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土。
优选的，步骤1中，所述超声波分散的超声波功率为971～1126w，所述超声波分散的时间间隔为1-4s，所述超声波分散的分散时间为40～80min。
优选的，步骤1和步骤4中水的用量比为7:3。
优选的，步骤1中，所述搅拌的速度为700-900rpm，搅拌的时间为5-10分钟。
优选的，步骤2中，所述搅拌为人工搅拌，搅拌时间为5-10min。
优选的，步骤3和步骤4中，所述搅拌采用混凝土搅拌机搅拌，所述搅拌为先低速搅拌5min，再高速搅拌10min，最后低速搅拌3分钟；所述低速为混凝土搅拌机自转的145±5r/min、公转60±5r/min；所述高速为混凝土搅拌机自转275±10r/min、公转120±10r/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土可明显提高氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土的抗压强度、抗折强度和断裂韧性。利用不同含量的氧化石墨烯制备的氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土具有较好的耐久性，其28d具有较高的抗压强度和抗折强度，氧化石墨烯占水泥基胶凝材料的质量的0.02％～0.04％时最佳，其抗压强度，抗拉强度和弹性模量相对对比例1得到明显提升，能够适用于装配式建筑非承重构件。
(2)本发明提供的氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土不影响其本身的弹性模量，本发明的氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土的制备方法简单，价格低廉，便于工业化生产及应用。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
实施例1
一种氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土，包括以下质量百分比的原料：
粗骨料铁尾矿陶粒31.8％、细度模数1.13的石英砂36.5％、水泥基胶凝材料23.4％和水8.3％；氧化石墨烯占水泥基胶凝材料的质量的0.02％，聚羧酸高效减水剂占水泥基胶凝材料质量的2.0％。其中，铁尾矿陶粒的筒压强度为5.43MPa、堆积密度811kg/m3、表观密度1756kg/m3、吸水率5.94％。水泥基胶凝材料包含强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥和二级以上的粉煤灰，硅酸盐水泥的中位径(D50)为11.02μm-15.10μm，粉煤灰的活性为68％。氧化石墨烯是比表面积为1000m2/g、长宽比为3000、弹性模量为32GPa、抗拉强度为130MPa、直径为2.5nm的单层碳纳米片。聚羧酸高效减水剂的碱水率为25.5％。石英砂的纯度为97％。
上述氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土的制备方法，包括以下制备步骤:
步骤1，将氧化石墨烯与5.81％水进行混合，在搅拌速度为800rpm下搅拌5分钟，再进行超声波在功率为1030w，每隔3s超声分散，超声分散60min，得到氧化石墨烯水溶液。
步骤2，将氧化石墨烯水溶液与聚羧酸高效减水剂进行混合，人工缓慢搅拌5min，得水剂。
步骤3，将粗骨料、石英砂、水泥基胶凝材料混合，采用混凝土搅拌机，先在自转为145±5r/min、公转60±5r/min低速搅拌5min，再在自转275±10r/min、公转120±10r/min高速搅拌10min，最后在自转为145±5r/min、公转60±5r/min低速搅拌3min，得混合物。
步骤4，将水剂、混合物与2.49％水进行混合，采用混凝土搅拌机，先在自转为145±5r/min、公转60±5r/min低速搅拌5min，再在自转275±10r/min、公转120±10r/min高速搅拌10min，最后在自转为145±5r/min、公转60±5r/min低速搅拌3min，得到氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土。
实施例2
一种氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土，包括以下质量百分比的原料：
粗骨料铁尾矿陶粒31.8％、细度模数1.13的石英砂36.5％、水泥基胶凝材料23.4％和水8.3％；氧化石墨烯占水泥基胶凝材料的质量的0.04％，聚羧酸高效减水剂占水泥基胶凝材料质量的2.0％。其中，铁尾矿陶粒的筒压强度为5.43MPa、堆积密度811kg/m3、表观密度1756kg/m3、吸水率5.94％。水泥基胶凝材料包含强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥和二级以上的粉煤灰，硅酸盐水泥的中位径(D50)为11.02μm-15.10μm，粉煤灰的活性为68％。氧化石墨烯是比表面积为1000m2/g、长宽比为3000、弹性模量为32GPa、抗拉强度为130MPa、直径为2.5nm的单层碳纳米片。聚羧酸高效减水剂的碱水率为25.5％。石英砂的纯度为97％。
上述氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土的制备方法同实施例1。
实施例3
一种氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土，包括以下质量百分比的原料：
粗骨料铁尾矿陶粒31.8％、细度模数1.13的石英砂36.5％、水泥基胶凝材料23.4％和水8.3％；氧化石墨烯占水泥基胶凝材料的质量的0.06％，聚羧酸高效减水剂占水泥基胶凝材料质量的2.0％。其中，铁尾矿陶粒的筒压强度为5.43MPa、堆积密度811kg/m3、表观密度1756kg/m3、吸水率5.94％。水泥基胶凝材料包含强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥和二级以上的粉煤灰，硅酸盐水泥的中位径(D50)为11.02μm-15.10μm，粉煤灰的活性为68％。氧化石墨烯是比表面积为1000m2/g、长宽比为3000、弹性模量为32GPa、抗拉强度为130MPa、直径为2.5nm的单层碳纳米片。聚羧酸高效减水剂的碱水率为25.5％。石英砂的纯度为97％。
上述氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土的制备方法同实施例1。
实施例4
一种氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土，包括以下质量百分比的原料：
粗骨料铁尾矿陶粒31.8％、细度模数1.13的石英砂36.5％、水泥基胶凝材料23.4％和水8.3％；氧化石墨烯占水泥基胶凝材料的质量的0.08％，聚羧酸高效减水剂占水泥基胶凝材料质量的2.0％。其中，铁尾矿陶粒的筒压强度为5.43MPa、堆积密度811kg/m3、表观密度1756kg/m3、吸水率5.94％。水泥基胶凝材料包含强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥和二级以上的粉煤灰，硅酸盐水泥的中位径(D50)为11.02μm-15.10μm，粉煤灰的活性为68％。氧化石墨烯是比表面积为1000m2/g、长宽比为3000、弹性模量为32GPa、抗拉强度为130MPa、直径为2.5nm的单层碳纳米片。聚羧酸高效减水剂的碱水率为25.5％。石英砂的纯度为97％。
上述氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土的制备方法同实施例1。
实施例5
一种氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土，包括以下质量百分比的原料：
粗骨料铁尾矿陶粒31.8％、细度模数1.13的石英砂36.5％、水泥基胶凝材料23.4％和水8.3％；氧化石墨烯占水泥基胶凝材料的质量的0.10％，聚羧酸高效减水剂占水泥基胶凝材料质量的2.0％。其中，铁尾矿陶粒的筒压强度为5.43MPa、堆积密度811kg/m3、表观密度1756kg/m3、吸水率5.94％。水泥基胶凝材料包含强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥和二级以上的粉煤灰，硅酸盐水泥的中位径(D50)为11.02μm-15.10μm，粉煤灰的活性为68％。氧化石墨烯是比表面积为1000m2/g、长宽比为3000、弹性模量为32GPa、抗拉强度为130MPa、直径为2.5nm的单层碳纳米片。聚羧酸高效减水剂的碱水率为25.5％。石英砂的纯度为97％。
上述氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土的制备方法同实施例1。
实施例6
一种氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土，包括以下质量百分比的原料：
粗骨料铁尾矿陶粒31.0％、细度模数1.13的石英砂38.2％、水泥基胶凝材料22.5％和水8.3％；氧化石墨烯占水泥基胶凝材料的质量的0.02％，聚羧酸高效减水剂占水泥基胶凝材料质量的1.7％。其中，铁尾矿陶粒的筒压强度为5.43MPa、堆积密度811kg/m3、表观密度1756kg/m3、吸水率5.94％。水泥基胶凝材料包含强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥和二级以上的粉煤灰，硅酸盐水泥的中位径(D50)为11.02μm-15.10μm，粉煤灰的活性为65％。氧化石墨烯是比表面积为1200m2/g、长宽比为4500、弹性模量为35GPa、抗拉强度为128MPa、直径为0.95nm的单层碳纳米片。聚羧酸高效减水剂的碱水率为22.2％。石英砂的纯度为99％。
上述氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土的制备方法，包括以下制备步骤:
步骤1，将氧化石墨烯与5.81％水进行混合，在搅拌速度为1000rpm下搅拌8分钟，再进行超声波在功率为1000w，每隔2.5s超声分散，超声分散45min，得到氧化石墨烯水溶液。
步骤2，将氧化石墨烯水溶液与聚羧酸高效减水剂进行混合，人工缓慢搅拌8min，得水剂。
步骤3，将粗骨料、石英砂、水泥基胶凝材料混合，采用混凝土搅拌机，先在自转为145±5r/min、公转60±5r/min低速搅拌5min，再在自转275±10r/min、公转120±10r/min高速搅拌10min，最后在自转为145±5r/min、公转60±5r/min低速搅拌3min，得混合物。
步骤4，将水剂、混合物与2.49％水进行混合，采用混凝土搅拌机，先在自转为145±5r/min、公转60±5r/min低速搅拌5min，再在自转275±10r/min、公转120±10r/min高速搅拌10min，最后在自转为145±5r/min、公转60±5r/min低速搅拌3min，得到氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土。
实施例7
一种氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土，包括以下质量百分比的原料：
粗骨料铁尾矿陶粒33.5％、细度模数1.13的石英砂35.2％、水泥基胶凝材料23％和水8.3％；氧化石墨烯占水泥基胶凝材料的质量的0.02％，聚羧酸高效减水剂占水泥基胶凝材料质量的1.9％。其中，铁尾矿陶粒的筒压强度为5.43MPa、堆积密度811kg/m3、表观密度1756kg/m3、吸水率5.94％。水泥基胶凝材料包含强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥和二级以上的粉煤灰，硅酸盐水泥的中位径(D50)为11.02μm-15.10μm，粉煤灰的活性为70％。氧化石墨烯是比表面积为750m2/g、长宽比为2800、弹性模量为29GPa、抗拉强度为130MPa、直径为3.1nm的单层碳纳米片。聚羧酸高效减水剂的碱水率为28％。石英砂的纯度为98％。
上述氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土的制备方法，包括以下制备步骤:
步骤1，将氧化石墨烯与5.81％水进行混合，在搅拌速度为800rpm下搅拌5分钟，再进行超声波在功率为1030w，每隔3s超声分散，超声分散60min，得到氧化石墨烯水溶液。
步骤2，将氧化石墨烯水溶液与聚羧酸高效减水剂进行混合，人工缓慢搅拌5min，得水剂。
步骤3，将粗骨料、石英砂、水泥基胶凝材料混合，采用混凝土搅拌机，先在自转为145±5r/min、公转60±5r/min低速搅拌5min，再在自转275±10r/min、公转120±10r/min高速搅拌10min，最后在自转为145±5r/min、公转60±5r/min低速搅拌3min，得混合物。
步骤4，将水剂、混合物与2.49％水进行混合，采用混凝土搅拌机，先在自转为145±5r/min、公转60±5r/min低速搅拌5min，再在自转275±10r/min、公转120±10r/min高速搅拌10min，最后在自转为145±5r/min、公转60±5r/min低速搅拌3min，得到氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土。
实施例8
一种氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土，包括以下质量百分比的原料：
粗骨料铁尾矿陶粒34.6％、细度模数1.13的石英砂34.4％、水泥基胶凝材料22.7％和水8.3％；氧化石墨烯占水泥基胶凝材料的质量的0.02％，聚羧酸高效减水剂占水泥基胶凝材料质量的2.1％。其中，铁尾矿陶粒的筒压强度为5.43MPa、堆积密度811kg/m3、表观密度1756kg/m3、吸水率5.94％。水泥基胶凝材料包含强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥和二级以上的粉煤灰，硅酸盐水泥的中位径(D50)为11.02μm-15.10μm，粉煤灰的活性为68％。氧化石墨烯是比表面积为1300m2/g、长宽比为4200、弹性模量为30GPa、抗拉强度为135MPa、直径为0.85nm的单层碳纳米片。聚羧酸高效减水剂的碱水率为29％。石英砂的纯度为97％。
上述氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土的制备方法，包括以下制备步骤:
步骤1，将氧化石墨烯与5.81％水进行混合，在搅拌速度为900rpm下搅拌5.5分钟，再进行超声波在功率为1010w，每隔1s超声分散，超声分散80min，得到氧化石墨烯水溶液。
步骤2，将氧化石墨烯水溶液与聚羧酸高效减水剂进行混合，人工缓慢搅拌6.5min，得水剂。
步骤3，将粗骨料、石英砂、水泥基胶凝材料混合，采用混凝土搅拌机，先在自转为145±5r/min、公转60±5r/min低速搅拌5min，再在自转275±10r/min、公转120±10r/min高速搅拌10min，最后在自转为145±5r/min、公转60±5r/min低速搅拌3min，得混合物。
步骤4，将水剂、混合物与2.49％水进行混合，采用混凝土搅拌机，先在自转为145±5r/min、公转60±5r/min低速搅拌5min，再在自转275±10r/min、公转120±10r/min高速搅拌10min，最后在自转为145±5r/min、公转60±5r/min低速搅拌3min，得到氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土。
对比例1
铁尾矿陶粒混凝土，包括以下质量百分比的原料:
粗骨料铁尾矿陶粒31.8％、细度模数1.13石英砂36.5％、水泥基胶凝材料23.4％和水8.3％；聚羧酸减水剂占水泥基胶凝材料的2.0％。
上述氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土的制备方法，包括以下制备步骤:
步骤1，将粗骨料、石英砂、水泥基胶凝材料混合，采用混凝土搅拌机，先在自转为145±5r/min、公转60±5r/min低速搅拌5min，再在自转275±10r/min、公转120±10r/min高速搅拌10min，最后在自转为145±5r/min、公转60±5r/min低速搅拌3min，得混合物。
步骤2，将混合物、水与聚羧酸减水剂进行混合，采用混凝土搅拌机，先在自转为145±5r/min、公转60±5r/min低速搅拌5min，再在自转275±10r/min、公转120±10r/min高速搅拌10min，最后在自转为145±5r/min、公转60±5r/min低速搅拌3min，得到铁尾矿陶粒混凝土。
试验
试件制备：根据本发明进行试件制备，试件尺寸为100mm×100mm×100mm，试件在温度为20±2℃，相对湿度95％条件下养护28天。
将实施例1-5的氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土按上述制备方法分别制成试件1-5；将对比例实施1铁尾矿陶粒混凝土制备成试件0。
对试件0-5的抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量、断裂韧性分别进行测试，具体如下：
实验方法：
抗压强度：参考GB/T 50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》。
劈裂抗拉强度：参考GB/T 50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》。
弹性模量：参考GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能实验方法标准》。
试验1-5：将试件1-5按上述实验方法对抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量、断裂韧性进行测定，试验结果如表1所示。
对比试验1：将试件0按上述试验方法对抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量、试验结果如表1所示。
表1
由表1可知，实施例1-5所得的氧化石墨烯增强铁尾矿陶粒混凝土的28d抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量明显高于对比例1所得的铁尾矿陶粒混凝土，说明适当掺量氧化石墨烯与铁尾矿混凝土复合，可显著提升铁尾矿混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量，提高的范围分别是5.23％-14.82％，23.07％-45.48％，3.28％-8.27％。主要归功于氧化石墨烯与混凝土复合，促进了水泥水化，改善混凝土微观结构，并且氧化石墨烯纳米混凝土可以从微观纳米尺度上阻止裂纹的扩展，因此有效地提高了混凝土性能。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
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