一种氧化石墨烯掺杂的水工防护用混凝土材料的制作方法

本发明涉及混凝土材料，具体涉及一种氧化石墨烯掺杂的水工防护用混凝土材料。

背景技术：

1、对于大型跨江、跨河桥梁，墩柱作为桥梁关键的受力结构，在承受车辆通过时产生的纵向动态荷载的同时，还要承受水流、砂石的横向冲磨作用。

2、含砂高速水流，尤其是水流流速较快且夹带大量泥砂和砂石时，会对水工建筑物的混凝土过流面造成严重的冲磨破坏。小粒径砂石作为悬移质，悬浮在水中，被水流裹挟着作用于墩柱，主要对最外层混凝土产生磨蚀作用；大粒径砂石作为推移质，多沉积于河床上层，被水流推动作用于墩柱，主要对混凝土产生法向或斜向的冲击作用。混凝土受冲击作用后，会导致内部薄弱区微裂纹的产生与扩张；混凝土受冲磨作用后，表层水泥石会逐渐出现开裂、剥落的情况。实际工程中，桥梁墩柱所受的更多为悬移质冲磨与推移质冲击的共同作用。在二者的共同作用下，大部分桥梁墩柱会在远小于其服役年限的时间内出现不同程度的磨蚀损伤，严重的会出现内部钢筋裸露锈蚀等情况，造成极大的安全隐患。

3、目前对于桥梁墩柱受冲磨损坏的问题，在我国工程中普遍采用加厚外层混凝土或贴防护钢板两种措施。其中，在墩柱底部浇筑较厚的混凝土保护层并不能从根本上解决冲磨问题，普通的混凝土保护层依然难以对长期的含砂水流冲磨作用起到较好的保护效果；而应用钢板围护墩柱底部尽管隔离了高速水流的冲刷效应，然而由于钢板与混凝土间脱空，so42-、cl-等离子的侵蚀破坏仍然存在。同时，对于各类结构的冲磨与离子侵蚀破坏所进行的修补工作具有施工难度大、保护效果差、修补频率高的特点，这样的维护工作消耗了大量的人力财力，并不能长久的从根本上解决冲磨破坏问题。

4、因此，亟需从材料本身的角度出发，寻求水工防护用混凝土冲磨问题的解决方法。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中所存在的作为抗冲磨工程材料的超高性能混凝土材料干燥收缩较大、抗冲磨强度进一步提升的技术问题，提出一种氧化石墨烯掺杂的水工防护用混凝土材料及其制备方法，该材料的抗冲磨性能优异，能够很好地解决桥梁墩柱受冲磨损坏的问题。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种氧化石墨烯掺杂的水工防护用混凝土材料，其特征在于，其所含组分及重量份数如下：

3、胶凝材料：细集料：改性橡胶颗粒：纤维：水性环氧树脂：减水剂：消泡剂：氧化石墨烯水分散液：水＝(1120～1150):(950～850):(150～50):(160～220):(5～23):(34～36):(0.034～0.036):(50～100):(100～160)；即

4、胶凝材料1120～1150份，

5、细集料950～850份，

6、改性橡胶颗粒150～50份，

7、纤维160～220份，

8、水性环氧树脂5～23份，

9、减水剂34～36份，

10、消泡剂0.034～0.036份，

11、氧化石墨烯水分散液50～100份，

12、水100～160份，

13、所述胶凝材料包括水泥、粉煤灰、硅灰。优选的，所述胶凝材料由水泥、粉煤灰、硅灰按质量比780:(140～160):(180～220)在干燥状态下拌合制得。

14、进一步的，所述改性橡胶颗粒由橡胶颗粒经2％～5％浓度的氢氧化钠溶液与硅烷偶联剂复合改性制得，粒径不大于3mm、不小于20目。

15、进一步的，所述改性橡胶颗粒的制备方法：将橡胶颗粒置于2％～5％浓度的氢氧化钠溶液中浸泡，然后水洗至中性，晾干；将干燥的橡胶颗粒置于硅烷偶联剂溶液中浸泡，水洗、晾干，得到改性橡胶颗粒。

16、进一步的，所述硅烷偶联剂采用偶联剂kh570，其溶液采用乙醇溶液。

17、进一步的，所述纤维为镀铜微丝钢纤维、平直形钢纤维、端钩形钢纤维、波浪形钢纤维中的至少一种。

18、进一步的，所述水泥为52.5普通硅酸盐水泥或52.5r普通硅酸盐水泥中的一种。

19、进一步的，所述粉煤灰为粉煤灰微珠；所述细集料为玄武岩机制砂，其最大公称粒径应不大于2.36mm、不小于1.18mm。

20、进一步的，所述减水剂为聚羧酸减水剂。

21、进一步的，所述氧化石墨烯水分散液制备时所用的石墨为天然鳞片石墨，粒径不小于300目。

22、进一步的，所述的一种氧化石墨烯掺杂的水工防护用混凝土的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

23、(1)改性橡胶颗粒的制备

24、首先以去离子水对橡胶颗粒进行洗涤，将洗涤后的橡胶颗粒置于2％～5％浓度的氢氧化钠溶液中浸泡20～30min，用去离子水水将氢氧化钠处理后的橡胶颗粒漂洗4～5次至ph呈中性，自然晾干；配置1％浓度的kh570乙醇溶液，将干燥的橡胶颗粒浸泡其中30～40min，以去离子水漂洗4～5次后自然晾干，得到改性橡胶颗粒。

25、(2)氧化石墨烯水分散液的制备(hummers法制备氧化石墨烯)

26、在冰浴环境下向搅拌反应釜中依次投入浓硫酸、石墨、高锰酸钾，保持0～5℃的反应温度反应2h，之后升温至35～40℃反应2.5～3h，缓慢加入去离子水水解，水解过程中温度最高控制在67±3℃，水解完成后升温至83±3℃反应30min得到浆料，冷却至25±5℃后加入双氧水至浆料呈黄色，过滤后得到氧化石墨烯滤饼。将制得的氧化石墨烯与去离子水按1％～1.5％的浓度置于分散机中分散，并补充一定量的氨水至体系ph＝6～7，得到氧化石墨烯水分散液。

27、(3)混凝土的制备

28、按质量称取相应组分，向混凝土搅拌设备中依次投入水泥、粉煤灰、硅灰等胶凝材料干拌3～5min，之后加入改性橡胶颗粒继续干拌2～3min，再加入规定质量的外加剂与水的混合体系，拌合2～3min，继续在搅拌状态下撒入钢纤维，最后加入氧化石墨烯分散液继续拌合3～5min，得到用于水工防护的混凝土材料。

29、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

30、1.本发明的材料体系中，通过自制的改性橡胶颗粒，改性橡胶颗粒、水性环氧树脂共同作为体系的“柔性相”降低体系的弹性模量，提高超高性能混凝土的抗冲磨性能。橡胶作为一种高分子材料，有着较高的弹性和优异的耐磨性，橡胶颗粒在经过改性后表面极性获得改善且更加粗糙，能够更好地与胶凝基体嵌合，增加相界面处的粘结强度；水性环氧树脂在水泥水化过程中，水性环氧树脂颗粒聚集成膜，聚合物膜具有较低的弹性模量。掺入改性橡胶颗粒与水性环氧树脂的混凝土体系在受到冲磨破坏表层水泥硬化浆体剥落后，内层的橡胶颗粒暴露于混凝土外表面，这些橡胶颗粒与树脂膜直接抵抗冲磨介质的冲击磨损，在这个过程中可以凭借其吸能效应而起到对混凝土整体的缓冲保护作用，进而有效提升混凝土抗冲磨性能。

31、2.氧化石墨烯分散于水泥基体系中，减少了水泥基体系内部的孔隙，位于过渡区的片状氧化石墨烯能够提供水化反应点位，调控水化产物的聚集态，减少混凝土内部的缺陷数量，以实现水工环境下超高性能混凝土更优异的抗冲磨、抗冲击性能。

技术特征：

1.一种氧化石墨烯掺杂的水工防护用混凝土材料，其特征在于，其所含组分及重量份数如下：

2.根据权利要求1所述的氧化石墨烯掺杂的水工防护用混凝土材料，其特征在于，所述胶凝材料中水泥、粉煤灰、硅灰的质量比为780:(140～160):(180～220)。

3.根据权利要求1所述的氧化石墨烯掺杂的水工防护用混凝土材料，其特征在于，所述改性橡胶颗粒由橡胶颗粒经2％～5％浓度的氢氧化钠溶液与硅烷偶联剂复合改性制得。

4.根据权利要求3所述的氧化石墨烯掺杂的水工防护用混凝土材料，其特征在于，所述改性橡胶颗粒的制备方法：将橡胶颗粒置于2％～5％浓度的氢氧化钠溶液中浸泡，然后水洗至中性，晾干；将干燥的橡胶颗粒置于硅烷偶联剂溶液中浸泡，水洗、晾干，得到改性橡胶颗粒。

5.根据权利要求1或3或4所述的氧化石墨烯掺杂的水工防护用混凝土材料，其特征在于，所述改性橡胶颗粒的粒径不大于3mm、不小于20目。

6.根据权利要求1所述的氧化石墨烯掺杂的水工防护用混凝土材料，其特征在于，所述纤维为镀铜微丝钢纤维、平直形钢纤维、端钩形钢纤维、波浪形钢纤维中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的氧化石墨烯掺杂的水工防护用混凝土材料，其特征在于，所述水泥为52.5普通硅酸盐水泥或52.5r普通硅酸盐水泥中的一种。

8.根据权利要求1所述的氧化石墨烯掺杂的水工防护用混凝土材料，其特征在于，所述粉煤灰为粉煤灰微珠；所述细集料为玄武岩机制砂，其最大公称粒径应不大于2.36mm、不小于1.18mm。

9.根据权利要求1所述的氧化石墨烯掺杂的水工防护用混凝土材料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂。

10.根据权利要求1所述的氧化石墨烯掺杂的水工防护用混凝土材料，其特征在于，所述氧化石墨烯水分散液制备时所用的石墨为天然鳞片石墨，粒径不小于300目。

技术总结
本发明提供一种氧化石墨烯掺杂的水工防护用混凝土材料，涉及混凝土材料领域，其所含组分及重量份数如下：胶凝材料：细集料：改性橡胶颗粒：纤维：水性环氧树脂：减水剂：消泡剂：氧化石墨烯水分散液：水＝(1120～1150):(950～850):(150～50):(160～220):(5～23):(34～36):(0.034～0.036):(50～100):(100～160)；本发明通过自制的改性橡胶颗粒，改性橡胶颗粒、水性环氧树脂共同作为体系的“柔性相”降低体系的弹性模量，提高超高性能混凝土的抗冲磨性能。

技术研发人员：李志强,刘同浩,路广,孟凡杰,马雪文,李继男,韩卫,任晓弟
受保护的技术使用者：山东金利特新材料有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23