[发明专利]一种含有煤基碳纳米多形晶的水泥基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种含有煤基碳纳米多形晶的水泥基复合材料及其制备方法，按重量份计，所述水泥基复合材料包括以下原料组分：煤基碳纳米多形晶0.01份‑0.1份、水0.35份‑0.5份、减水剂0.005份‑0.01份、水泥1份，所述煤基碳纳米多形晶是由煤经过物理球磨方式获得。本发明通过使用煤基碳纳米多形晶来增强水泥基材料的强度和韧性，在极低成本和使用量的情况下，使水泥基材料的抗折强度、抗压强度得到了明显提升，同时还能改善水泥基材料的电热性能，其本身无毒无害，对混凝土类型以及外加剂类型的适应性和兼容性好，尤其适合商业化大规模应用。

技术领域

本发明涉及水泥材料技术领域，特别涉及一种含有煤基碳纳米多形晶的水泥基复合材料及其制备方法。

背景技术

目前，关于碳纳米管以及石墨烯在水泥基材料中的应用，多见于论文和专利文献中，将碳纳米管应用与水泥基材料中，其具有的超高长径比、耐酸碱能力，能够在水泥基体中发挥桥联、增韧作用，进而能够有效改善水泥基材料的强度和韧性，但是碳纳米管具有很强的疏水性和范德华力作用，其在水泥浆体中极易团聚而造成副作用，氧化石墨烯虽然与碳纳米管结构不同，但也能有效提高水泥基材料的韧性，相应地，氧化石墨烯也存在分散性的问题。同时，市面上石墨烯和碳纳米管的市场售价在每公斤500美元-10000美元之间，其高昂的价格限制了石墨烯和碳纳米管商业应用，特别是限制了在水泥基材料中，石墨烯和碳纳米管与水泥的使用比例都在1:20以上，导致使用石墨烯和碳纳米管来增强水泥基材料目前只停留在试验阶段，其商业化应用因材料成本高昂而受到了极大限制，难以在商业化中推广应用。

目前，电热混凝土主要有碳纤维电热混凝土、石墨电热混凝土以及纳米炭黑电热混凝土（可参考中国论文《电热混凝土复合材料的研究进展》，王小英、孙明清等著，硅酸盐通报，2007年2月第26卷第1期），碳纤维电热混凝土中碳纤维掺量在0.5%-10%（水泥质量分数，下同）之间，混凝土的电阻率随着碳纤维的增加而减小，当掺量达到渗流阈值时，电阻率大幅下降，其主要作为能感知应力、应变和损伤的智能材料，并且碳纤维价格昂贵，难以成为主要体现发热功能的电热水泥基材料。石墨电热混凝土中石墨掺量在20%以上，石墨电热混凝土中由于石墨掺量必须为高掺量，导致混凝度的抗压强度随掺量的增加而急剧下降，其应用受到很大限制。纳米炭黑电热混凝土中纳米炭黑的掺量在2%-5%，其相比于碳纤维来说，具有成本低、制作工艺简单等优点，但纳米炭黑的材料价格仍然在60元/千克以上，其使用成本仍然较高，其形成电热混凝土的电阻率较低，发热效率不高，并且存在较严重的团聚问题。

发明内容

本发明的第一个发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种含有煤基碳纳米多形晶的水泥基复合材料及其制备方法，本发明通过使用煤基碳纳米多形晶来作为电热纳米材料，在低成本和低使用量的情况下，获得了电热效率优异的电热水泥基复合材料，克服了现有纳米炭黑在商业应用中所存在的不足。

本发明采用的技术方案如下：一种含有煤基碳纳米多形晶的水泥基复合材料，按重量份计，所述水泥基复合材料包括以下原料组分：煤基碳纳米多形晶0.01份-0.1份、水0.35份-0.5份、减水剂0.005份-0.01份、水泥1份，所述煤基碳纳米多形晶是由煤经过物理球磨方式获得。

在本发明中，煤基碳纳米多形晶是从廉价的煤中提取得到，其提取方法简单且高效，采用湿式粉碎法就能获得高浓度的煤基碳纳米多形晶，其材料成本低于纳米炭黑，将煤基碳纳米多形晶掺入水泥基材料中，得到的水泥基材料电发热效率优异，发热效率在发热速率在8.7℃/min-10℃/min之间，其使用效果明显优于纳米炭黑的使用效果。

进一步，本发明的煤基碳纳米多形晶用量仅为0.01重量份-0.1重量份，其可以是0.01重量份、0.02重量份、0.05重量份、0.06重量份、0.08重量份、0.09重量份、0.1重量份等，煤基碳纳米多形晶的用量不宜超过0.1重量份，超过0.1重量份水泥复合材料的机械强度大幅下降，这是因为煤基碳纳米多形晶颗粒与水泥之间存在相对较弱的界面，同时煤基碳纳米多形晶会大量吸水（高比表面积），进而限制了水泥水化过程的可用水。