一种二维纳米材料增强大掺量粉煤灰水泥及其制备方法

摘要

本发明属于无机非金属材料技术领域，具体涉及一种二维纳米材料增强大掺量粉煤灰水泥及其制备方法。所述水泥按照重量比组成如下：MXene：粉煤灰：硅酸盐水泥=（0.0002?0.1）：（0.3?0.7）：（0.3?0.7）。本发明既解决了粉煤灰排放大量堆放的问题，又提供了一种粉煤灰掺量高、生产工艺简单、早期强度性能优异的粉煤灰水泥。

权利要求

1.一种二维纳米材料增强大掺量粉煤灰水泥，其特征在于，所述水泥按照重量比组成如下：MXene：粉煤灰：硅酸盐水泥=（0.0002-0.1）：（0.3-0.7）：（0.3-0.7）。

2.如权利要求1所述的二维纳米材料增强大掺量粉煤灰水泥，其特征在于，所述MXene的D50小于2μm。

3.如权利要求2所述的二维纳米材料增强大掺量粉煤灰水泥，其特征在于，所述MXene的D95小于5μm。

4.如权利要求1-3任一所述的二维纳米材料增强大掺量粉煤灰水泥，其特征在于，所述粉煤灰水泥中MXene的掺量为0.02-3wt%。

5.如权利要求4所述的二维纳米材料增强大掺量粉煤灰水泥，其特征在于，所述粉煤灰水泥中粉煤灰的掺量为40-60wt%。

6.如权利要求4所述的二维纳米材料增强大掺量粉煤灰水泥，其特征在于，所述水泥为PI型硅酸盐水泥。

7.权利要求1-6所述二维纳米材料增强大掺量粉煤灰水泥的制备方法，其特征在于，按照比例取MXene、粉煤灰与水泥，在混料机中干混均匀，即得所述大掺量粉煤灰水泥。

说明书

一种二维纳米材料增强大掺量粉煤灰水泥及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于无机非金属材料技术领域，具体涉及一种二维纳米材料增强大掺量粉煤灰水泥及其制备方法。

背景技术

[0002] 长期以来，水泥作为一种重要的胶凝材料，广泛应用于土木建筑、水利、国防等工程，但水泥的生产过程会带来严重的资源、能源和环境问题，严重制约了水泥工业的发展。因此，在不明显改变水泥性能的情况下，尽可能多的使用工业废渣来制备水泥，是一项符合“可持续发展”和“节能减排”政策的课题，具有重要的环保价值和经济价值。

[0003] 粉煤灰作为当前排量较大的工业废渣之一，其排放量还在逐年增加。我国粉煤灰的利用率仅为30-40%，远低于欧美发达国家的70-90%，剩余的粉煤灰只能依靠大面积堆放来解决，造成土地资源的浪费，并带来一些严重的环境问题。粉煤灰的形成历经高温，产生部分熔融，在冷却后，其结构中保留一定量的玻璃质物质。粉煤灰中的玻璃质为不规则三维架状结构，主要由硅氧四面体、铝氧八面体或铝氧四面体组成，在常温水或酸性溶液中较稳定。但玻璃质结构能量较高，处于亚稳定状态，具有一定的潜在活性。当与普通硅酸盐水泥混合，并且体系中存在水时，由于普通硅酸盐水泥水化产物Ca(OH)2的作用，使玻璃质网络结构中部分Si-O或Al-O键断裂，网络空间的聚集度减小，网络缺陷增多,Ca2+有机会与带负电的硅氧或铝氧离子团反应，生成水化产物，具有水硬性。

[0004] 粉煤灰水泥具有水化热低、和易性好，干缩性小、后期强度高、泌水率低、有利于高温季节施工及远距离运输等优点而适用于大体积水工混凝土和地下、海港工程。我国现行国家标准（GB1344-92）允许粉煤灰的掺入量为20-40%，但实际生产中通常只能掺入20%左右，并且由于粉煤灰的活性较低，当掺量较大时，水化反应速度较慢，生成的水化产物变少，早期的强度较低，严重制约粉煤灰水泥在工程中的大规模应用。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种二维纳米材料增强大掺量粉煤灰水泥及其制备方法，可以实现在水泥中大掺量应用粉煤灰，且水泥早期强度高，稳定性好。

[0006] 本发明采用的技术方案如下：

[0007] 一种二维纳米材料增强大掺量粉煤灰水泥，所述水泥按照重量比组成如下：MXene：粉煤灰：硅酸盐水泥=（0.0002-0.1）：（0.3-0.7）：（0.3-0.7）。

[0008] 较好的，所述MXene的D50小于2μm。

[0009] 优选的，所述MXene的D95小于5μm。

[0010] 优选的，所述粉煤灰水泥中MXene的掺量为0.02-3wt%。

[0011] 优选的，所述粉煤灰水泥中粉煤灰的掺量为40-60wt%。

[0012] 优选的，所述水泥为PI型硅酸盐水泥。

[0013] 原料中，粉煤灰可选择市售二级或一级粉煤灰；MXene可采用下法获得：利用氢氟酸(HF)选择性刻蚀掉三维层状化合物Ti3AlC2 中的Al原子层，得到二维原子晶体化合物Ti3C2，即MXene。水泥可采用普通硅酸盐水泥，优选PI型。

[0014] 本发明的二维纳米材料增强大掺量粉煤灰水泥，在掺入纳米材料后，掺入的MXene因其独特的纳米层状结构和较高的活性，可以使粉煤灰玻璃质的架装结构较快解聚，从而与水泥浆体体系中的Ca(OH)2发生水化反应，生成水化产物，起到调控水泥石的微观结构、使水化产物的结构更加致密的作用，从而提高粉煤灰水泥的性能如提高水泥早期的强度。此外，水泥70%的水化产物是C-S-H凝胶，其本身具有纳米尺度，纳米材料以其超微细的特殊结构，表现出晶粒小尺寸效应、界面效应等诸多优异的性能。掺入的粉煤灰，可以有效的利用工业废弃物，降低材料的制造成本，通过掺入的二维纳米材料可以显著的增强粉煤灰水泥早期的抗折、抗压及抗拉性能。综上，采用纳米材料对粉煤灰水泥进行纳米改性，调控水泥石微观结构，可实现粉煤灰大掺量应用，且大幅提高水泥的早期物理力学性能，拓宽其应用范围。

[0015] 本发明还进一步提供了一种二维纳米材料增强大掺量粉煤灰水泥的制备方法，优选但不限于按照如下方法进行：按照比例取MXene、粉煤灰与水泥，在混料机中干混均匀，即得所述大掺量粉煤灰水泥。

[0016] 本发明与现有技术相比，具有如下优点：

[0017] 本发明既解决了粉煤灰排放大量堆放的问题，又提供了一种粉煤灰掺量高、生产工艺简单、早期强度性能优异的粉煤灰水泥。

附图说明

[0018] 图1为实施例中采用的MXene的SEM照片。

具体实施方式

[0019] 以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：

[0020] 对比例

[0021] 二维纳米材料增强的大掺量粉煤灰水泥组成如下： 100克PI型硅酸盐水泥和100粉煤灰。

[0022] 按照我国现行标准（GB／T 17671）中普通水泥胶砂试件的制备过程制备水泥胶砂试件。当养护到实验龄期后取出水泥试件，利用WDW-20型万能试验机测试其3天的抗压、抗折强度，具体实验数据如表1 所示。

[0023] 实施例1

[0024] 二维纳米材料增强的大掺量粉煤灰水泥，组成如下：99.8克PI型硅酸盐水泥，99.8克粉煤灰，0.4克MXene。所述MXene的粒径为5-20nm，SEM照片如图1所示，下同。

[0025] 将MXene、粉煤灰与水泥在混料机中干混均匀，即得所述大掺量粉煤灰水泥。

[0026] 将所述二维纳米材料增强的大掺量粉煤灰水泥制成水泥胶砂试件，按照对比例的方法测试其3天的抗压、抗折强度，数据见表1。

[0027] 实施例2

[0028] 二维纳米材料增强的大掺量粉煤灰水泥，组成如下：99.4克PI型硅酸盐水泥，99.4克粉煤灰，1.2克MXene。

[0029] 将MXene、粉煤灰与水泥在混料机中干混均匀，即得所述大掺量粉煤灰水泥。

[0030] 将所述二维纳米材料增强的大掺量粉煤灰水泥制成水泥胶砂试件，按照对比例的方法测试其3天的抗压、抗折强度，数据见表1。

[0031] 实施例3

[0032] 二维纳米材料增强的大掺量粉煤灰水泥，组成如下：98.5克PI型硅酸盐水泥，98.5克粉煤灰，3克MXene。

[0033] 将MXene、粉煤灰与水泥在混料机中干混均匀，即得所述大掺量粉煤灰水泥。

[0034] 将所述二维纳米材料增强的大掺量粉煤灰水泥制成水泥胶砂试件，按照对比例的方法测试其3天的抗压、抗折强度，数据见表1。

[0035] 实施例4

[0036] 二维纳米材料增强的大掺量粉煤灰水泥，组成如下：97克PI型硅酸盐水泥，97克粉煤灰，6克MXene。

[0037] 将MXene、粉煤灰与水泥在混料机中干混均匀，即得所述大掺量粉煤灰水泥。

[0038] 将所述二维纳米材料增强的大掺量粉煤灰水泥制成水泥胶砂试件，按照对比例的方法测试其3天的抗压、抗折强度，数据见表1。

[0039] 表1 水泥胶砂试件3d强度对比

[0040]

[0041] 以上所列举的实施例，仅为本发明优选的的具体实施方式，目的是更好的理解本发明，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。