具有高阻尼性能的水泥材料及其製備方法

2023-09-21 13:54:35

專利名稱：具有高阻尼性能的水泥材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種水泥材料及製備方法，尤其是一種具有高阻尼性能的水泥材料及其製備方法。
背景技術：
高強、高阻尼複合材料是未來建築材料發展的一個重要方向，水泥基材料是其中使用最廣、用量最大的建築材料之一。水泥是水硬性膠凝材料，它在各種建築工程中都有著極廣的應用，如水利、房屋、道橋、海洋開發等，常用來製備混凝土、砂漿及水泥混凝土製品。 而高阻尼水泥材料可以消耗傳入其內部的振動能量，減輕颱風、地震、風振、爆炸衝擊等所引起的振動損傷，顯著提高建築物的抗地質災害能力。為此，人們試圖通過在水泥基材料中添加一些物料來提高水泥的阻尼性能，如2009年《混凝土》雜誌第6期(總第236期)第 7 9頁報導了題為「水泥基阻尼材料的研究進展」的文章。該文公開了普通水泥基材料 (主要由水泥、粗骨料、細骨料、水、外加劑五部分組成)、橡膠顆粒及橡膠粉、乳液、纖維、界面改性對水泥基材料阻尼性能的影響。由該文章可知，這些物料的添加雖有助於水泥基材料阻尼性能的提高，卻同時是以犧牲其剛度和強度為代價的。

發明內容
本發明要解決的技術問題為克服現有技術中的不足之處，提供一種在不降低其強度的同時還具有高阻尼性能的水泥材料。本發明要解決的另一個技術問題為提供一種具有高阻尼性能的水泥材料的製備方法。為解決本發明的技術問題，所採用的技術方案為具有高阻尼性能的水泥材料由水泥和添加物組成，特別是，所述水泥與所述添加物間的重量比為1 0. 1 0. 8 ；所述添加物為具有La3_xAxLi5+sTa2_YBY012化學式組成的鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒，化學式中的A為鑭位摻雜物，其為鋇(Ba)或鈣(Ca)或鉀(K)或稀土元素，χ為0 1. 25，B為鉭位摻雜物，其為銦(In)或釩(V)或鉍(Bi)或鈮(Nb)或鎢(W)或碲(Te)，y為0 1. 25 ；所述鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒的粒徑為1 1. 5 μ m。作為具有高阻尼性能的水泥材料的進一步改進，所述的稀土元素為鐠，或釹，或 乙，或鋪，或衫，或為解決本發明的另一個技術問題，所採用的另一個技術方案為具有高阻尼性能的水泥材料的製備方法包括固相反應法，特別是完成步驟如下步驟1，先按照La3_xAxLi5+sTa2_YBY012的成分比，稱取相應量的鑭、鋰、鉭、鑭位摻雜物和/或鉭位摻雜物的氧化物或碳酸鹽，將其球磨至少12h後風乾，得到粉末狀混合物，再將粉末狀混合物置於650 750°C下預燒至少6h，得到中間產物；步驟2，待中間產物自然冷卻後，先將其球磨至少12h後風乾，得到粉末狀中間產物，再將粉末狀中間產物置於900 1050°C下燒結至少12h，得到鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒；步驟3，將鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒與水泥按照所需的重量比例混合均勻，製得具有高阻尼性能的水泥材料。作為具有高阻尼性能的水泥材料的製備方法的進一步改進，所述的稀土元素為鐠，或釹，或釔，或鈰，或釤，或釓；所述的將粉末狀混合物升溫至650 750°C時的升溫速率為1 10°C /min ；所述的水泥為普通矽酸鹽水泥，或矽酸鹽水泥，或礦渣矽酸鹽水泥，或火山灰矽酸鹽水泥，或粉煤灰矽酸鹽水泥。相對於現有技術的有益效果是，其一，對得到的添加物——鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒分別使用掃描電鏡和X射線衍射儀進行表徵，由其結果可知，鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒的粒徑為1 1. 5μπι，其由化學式為La3_xAxLi5+sTa2_YBY012的物質構成，化學式中的A為鑭位摻雜物，其為鋇或鈣或鉀或稀土元素，χ為0 1. 25，B為鉭位摻雜物，其為銦或釩或鉍或鈮或鎢或碲，y為0 1. 25 ；其中的稀土元素為鐠，或釹，或釔，或鈰，或釤，或釓；其二，對製得的產物使用X射線衍射儀進行表徵，由其結果可知，水泥與鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒間沒有發生任何化學反應，即鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒的加入不會對水泥自身的性能產生任何影響；其三，分別對純水泥和產物使用倒扭擺內耗儀和電子萬能試驗機進行表徵，由其結果可知，產物的內耗峰值處的阻尼約為純水泥的三倍。產物的抗壓強度和抗彎強度與純水泥相比，均有不同程度的提高，其中的抗壓強度的提高幅度較大。測試時的條件為，分別將純水泥和產物製作成相同尺寸的用於測試抗壓強度的柱狀測試樣品及用於測試抗彎強度和阻尼性能的條狀測試樣品；其中，產物測試樣品的製作為先按照水泥與鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒間的重量比為1 0.1 0.8的比例稱量後混合均勻，再按照水灰比為0.3 0.6調配漿料，隨後，將漿料分別注入柱狀和條狀模具中，使其在10 600MPa的壓強下保壓30 1440min後，脫模得到柱狀和條狀的產物測試樣品。純水泥測試樣品的製作為直接將水泥按照水灰比為0. 3 0. 6調配漿料，其餘步驟與產物測試樣品的製作完全一樣。不論是產物測試樣品，還是純水泥測試樣品，均為將脫模後的測試樣品置於水中養護至28天後，才進行相應的測試；其四， 製備方法簡便易行，適於工業化生產。作為有益效果的進一步體現，一是稀土元素優選為鐠，或釹，或釔，或鈰，或釤，或釓，水泥優選為普通矽酸鹽水泥，或矽酸鹽水泥，或礦渣矽酸鹽水泥，或火山灰矽酸鹽水泥， 或粉煤灰矽酸鹽水泥，除使稀土元素和水泥均有較大選擇的餘地之外，也使製備工藝更易實施且靈活；二是將粉末狀混合物升溫至650 750°C時的升溫速率優選為1 10°C /min, 利於確保鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒的品質和質量的穩定。


下面結合附圖對本發明的優選方式作進一步詳細的描述。圖1是分別對純水泥、產物和鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒使用X射線衍射(XRD)儀進行表徵的結果之一 ；XRD譜圖中的曲線a為純水泥的譜線，曲線b為產物中的水泥與鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒間的重量比為1 0.4時的譜線，曲線c為鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒的譜線。由XRD 譜圖可看出，水泥和加入的鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒間沒有發生化學反應。圖2是分別將純水泥和產物製作成相同尺寸的條狀測試樣品後，再將其置於計算機自動控制的倒扭擺內耗儀上使用強迫振動的方式進行測量的結果之一。圖中的曲線a為純水泥測試樣品的阻尼曲線，曲線b、曲線c和曲線d為產物測試樣品的阻尼曲線；其中，測試時的振動頻率為1Hz，鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒由化學式為La3Li5Ta2O12的物質構成，具有曲線b特性的產物中的水泥與鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒間的重量比為1 0.12，具有曲線c特性的產物中的水泥與鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒間的重量比為1 0.4，具有曲線d特性的產物中的水泥與鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒間的重量比為1 0.65。由圖2中的曲線可看出，純水泥的室溫阻尼(內耗)只有0. 005左右，而且隨溫度單調增加；產物在室溫附近阻尼有很明顯的提高，出現了內耗峰，其峰值處的阻尼高達0. 015，為純水泥的三倍左右。圖3是將產物的條狀測試樣品置於計算機自動控制的倒扭擺內耗儀上使用強迫振動的方式進行測量的結果之一。圖中的曲線a為測試時的振動頻率為1Hz，曲線b為測試時的振動頻率為2Hz，曲線c為測試時的振動頻率為4Hz ；其中，產物中的水泥與鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒間的重量比為1 0.65，鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒由化學式為La3Li5Ta2O12W物質構成。由圖3中的曲線可看出，在近室溫處有明顯的內耗峰出現，如振動頻率為IHz時，峰高在0.015以上；內耗峰的位置隨著振動頻率的增加而移向高溫，表現為弛豫特徵，說明此內耗峰來源於鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒中點缺陷的弛豫過程。圖4是對含有不同鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒重量比的產物的條狀和柱狀測試樣品使用微機控制的電子萬能試驗機進行測量的結果之一。圖中的曲線a為產物的條狀測試樣品的抗彎強度曲線，曲線b為產物的柱狀測試樣品的抗壓強度曲線；其中，鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒由化學式為La3Li5Ta2O12的物質構成，水泥與鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒間的重量比為1 0 0. 65，此點反映在圖4的橫坐標上，以產物中含有鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒的重量百分比為0 25%來表示。由圖4中的曲線a和曲線b可看出，產物的抗彎強度由純水泥的2IMPa上升到23MPa ；抗壓強度有明顯的提高，由純水泥的81MPa上升到105MPa，與純水泥相比產物的抗壓強度提高了 30%以上。
具體實施例方式首先從市場購得或用常規方法製得鑭、鋰、鉭的氧化物或碳酸鹽；作為鑭位摻雜物的鋇、鈣、鉀和稀土元素的氧化物或碳酸鹽，其中的稀土元素為鐠、釹、釔、鈰、釤和釓；作為鉭位摻雜物的銦、釩、鉍、鈮、鎢和碲的氧化物或碳酸鹽；以及作為水泥的普通矽酸鹽水泥、矽酸鹽水泥、礦渣矽酸鹽水泥、火山灰矽酸鹽水泥和粉煤灰矽酸鹽水泥。接著，實施例1製備的具體步驟為步驟1，先按照La3_xAxLi5+sTa2_YBY012的成分比，稱取相應量的鑭、鋰、鉭、鑭位摻雜物和/或鉭位摻雜物的氧化物或碳酸鹽，化學式中的A為鑭位摻雜物、B為鉭位摻雜物，因 X、y現取值均為0，即鑭位和鉭位均不摻雜；故只需先按照La3Li5Ta2O12的成分比，稱取相應量的鑭、鋰、鉭的氧化物或碳酸鹽，將其球磨12h後風乾，得到粉末狀混合物。再將粉末狀混合物置於650°C下預燒8h ；其中，將粉末狀混合物升溫至650°C時的升溫速率為1°C /min, 得到中間產物。步驟2，待中間產物自然冷卻後，先將其球磨12h後風乾，得到粉末狀中間產物。再將粉末狀中間產物置於900°C下燒結14h，得到如圖1中的曲線c所示的粒徑為1. 5μπι的
鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒。步驟3，將鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒與水泥按照0. 1 1的重量比例混合均勻；其中， 水泥為普通矽酸鹽水泥。製得近似於圖1中的曲線b所示，由其製作的測試樣品的曲線近似於圖2中的曲線b和圖3中的曲線所示、如圖4中的曲線所示的具有高阻尼性能的水泥材料。實施例2製備的具體步驟為步驟1，先按照La3_xAxLi5+sTa2_YBY012的成分比，稱取相應量的鑭、鋰、鉭、鑭位摻雜物和/或鉭位摻雜物的氧化物或碳酸鹽，化學式中的A為鑭位摻雜物、B為鉭位摻雜物，因 X、y現取值均為0，即鑭位和鉭位均不摻雜；故只需先按照La3Li5Ta2O12的成分比，稱取相應量的鑭、鋰、鉭的氧化物或碳酸鹽，將其球磨13h後風乾，得到粉末狀混合物。再將粉末狀混合物置於680°C下預燒7. 5h ；其中，將粉末狀混合物升溫至680°C時的升溫速率為3°C / min，得到中間產物。步驟2，待中間產物自然冷卻後，先將其球磨13h後風乾，得到粉末狀中間產物。再將粉末狀中間產物置於940°C下燒結13. 5h，得到如圖1中的曲線c所示的粒徑為1.4μπι 的鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒。步驟3，將鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒與水泥按照0. 12 1的重量比例混合均勻；其中， 水泥為普通矽酸鹽水泥。製得近似於圖1中的曲線b所示，由其製作的測試樣品的曲線如圖2中的曲線b和近似於圖3中的曲線所示、如圖4中的曲線所示的具有高阻尼性能的水泥材料。實施例3製備的具體步驟為步驟1，先按照La3_xAxLi5+sTa2_YBY012的成分比，稱取相應量的鑭、鋰、鉭、鑭位摻雜物和/或鉭位摻雜物的氧化物或碳酸鹽，化學式中的A為鑭位摻雜物、B為鉭位摻雜物，因 X、y現取值均為0，即鑭位和鉭位均不摻雜；故只需先按照La3Li5Ta2O12的成分比，稱取相應量的鑭、鋰、鉭的氧化物或碳酸鹽，將其球磨14h後風乾，得到粉末狀混合物。再將粉末狀混合物置於700°C下預燒7h ；其中，將粉末狀混合物升溫至700°C時的升溫速率為5°C /min, 得到中間產物。步驟2，待中間產物自然冷卻後，先將其球磨14h後風乾，得到粉末狀中間產物。再將粉末狀中間產物置於980°C下燒結13h，得到如圖1中的曲線c所示的粒徑為1. 3μπι的鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒。步驟3，將鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒與水泥按照0. 4 1的重量比例混合均勻；其中， 水泥為普通矽酸鹽水泥。製得如圖1中的曲線b所示，由其製作的測試樣品的曲線如圖2 中的曲線c和近似於圖3中的曲線所示、如圖4中的曲線所示的具有高阻尼性能的水泥材料。實施例4製備的具體步驟為步驟1，先按照La3_xAxLi5+sTa2_YBY012的成分比，稱取相應量的鑭、鋰、鉭、鑭位摻雜物和/或鉭位摻雜物的氧化物或碳酸鹽，化學式中的A為鑭位摻雜物、B為鉭位摻雜物，因 X、y現取值均為0，即鑭位和鉭位均不摻雜；故只需先按照La3Li5Ta2O12的成分比，稱取相應量的鑭、鋰、鉭的氧化物或碳酸鹽，將其球磨15h後風乾，得到粉末狀混合物。再將粉末狀混合物置於730°C下預燒6. 5h ；其中，將粉末狀混合物升溫至730°C時的升溫速率為8V / min，得到中間產物。步驟2，待中間產物自然冷卻後，先將其球磨15h後風乾，得到粉末狀中間產物。再將粉末狀中間產物置於1030°C下燒結12. 5h，得到如圖1中的曲線c所示的粒徑為1. 15μπι 的鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒。步驟3，將鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒與水泥按照0. 65 1的重量比例混合均勻；其中， 水泥為普通矽酸鹽水泥。製得近似於圖1中的曲線b所示，由其製作的測試樣品的曲線如圖2中的曲線d和圖3中的曲線所示、如圖4中的曲線所示的具有高阻尼性能的水泥材料。實施例5製備的具體步驟為步驟1，先按照La3_xAxLi5+sTa2_YBY012的成分比，稱取相應量的鑭、鋰、鉭、鑭位摻雜物和/或鉭位摻雜物的氧化物或碳酸鹽，化學式中的A為鑭位摻雜物、B為鉭位摻雜物，因 X、y現取值均為0，即鑭位和鉭位均不摻雜；故只需先按照La3Li5Ta2O12的成分比，稱取相應量的鑭、鋰、鉭的氧化物或碳酸鹽，將其球磨16h後風乾，得到粉末狀混合物。再將粉末狀混合物置於750°C下預燒6h ；其中，將粉末狀混合物升溫至750°C時的升溫速率為10°C /min, 得到中間產物。步驟2，待中間產物自然冷卻後，先將其球磨16h後風乾，得到粉末狀中間產物。再將粉末狀中間產物置於1050°C下燒結12h，得到如圖1中的曲線c所示的粒徑為Iym的鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒。步驟3，將鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒與水泥按照0. 8 1的重量比例混合均勻；其中， 水泥為普通矽酸鹽水泥。製得近似於圖1中的曲線b所示，由其製作的測試樣品的曲線近似於圖2中的曲線d和圖3中的曲線所示、如圖4中的曲線所示的具有高阻尼性能的水泥材料。再分別選用鑭位摻雜物為鋇或鈣或鉀或稀土元素的氧化物或碳酸鹽，其中的稀土元素為鐠或釹或釔或鈰或釤或釓，鉭位摻雜物為銦或釩或鉍或鈮或鎢或碲的氧化物或碳酸鹽，按照化學式La3_xAxLi5+sTa2_YBY012來進行鑭位摻雜或鉭位摻雜或雙位摻雜，化學式中的A 為鑭位摻雜物，χ為0 1. 25，B為鉭位摻雜物，y為0 1. 25，同樣得到了近似於圖1中的曲線c所示的粒徑為1 1. 5 μ m的具有La3_xAxLi5+sTa2_YBY012化學式的鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒；以及選用作為水泥的普通矽酸鹽水泥或矽酸鹽水泥或礦渣矽酸鹽水泥或火山灰矽酸鹽水泥或粉煤灰矽酸鹽水泥；重複上述實施例1 5，同樣製得了如或近似於圖1中的曲線b 所示，由其製作的測試樣品的曲線如或近似於圖2中的曲線和圖3中的曲線所示、如圖4中的曲線所示的具有高阻尼性能的水泥材料。顯然，本領域的技術人員可以對本發明的具有高阻尼性能的水泥材料及其製備方法進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若對本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.一種具有高阻尼性能的水泥材料，由水泥和添加物組成，其特徵在於所述水泥與所述添加物間的重量比為1 0. 1 0. 8 ；所述添加物為具有La3_xAxLi5+sTa2_YBY012化學式組成的鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒，化學式中的A為鑭位摻雜物，其為鋇或鈣或鉀或稀土元素，χ為0 1. 25，B為鉭位摻雜物，其為銦或釩或鉍或鈮或鎢或碲，y為0 1. 25 ；所述鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒的粒徑為1 1. 5 μ m。
2.根據權利要求1所述的具有高阻尼性能的水泥材料，其特徵是稀土元素為鐠，或釹， 或 乙，或鋪，或衫，或軋ο
3.—種權利要求1所述具有高阻尼性能的水泥材料的製備方法，包括固相反應法，其特徵在於完成步驟如下步驟1，先按照La3_xAxLi5+sTa2_YBY012的成分比，稱取相應量的鑭、鋰、鉭、鑭位摻雜物和/ 或鉭位摻雜物的氧化物或碳酸鹽，將其球磨至少12h後風乾，得到粉末狀混合物，再將粉末狀混合物置於650 750°C下預燒至少6h，得到中間產物；步驟2，待中間產物自然冷卻後，先將其球磨至少12h後風乾，得到粉末狀中間產物，再將粉末狀中間產物置於900 1050°C下燒結至少12h，得到鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒；步驟3，將鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒與水泥按照所需的重量比例混合均勻，製得具有高阻尼性能的水泥材料。
4.根據權利要求3所述的具有高阻尼性能的水泥材料的製備方法，其特徵是稀土元素為鐠，或釹，或釔，或鈰，或釤，或釓。
5.根據權利要求3所述的具有高阻尼性能的水泥材料的製備方法，其特徵是將粉末狀混合物升溫至650 750°C時的升溫速率為1 10°C /min。
6.根據權利要求3所述的具有高阻尼性能的水泥材料的製備方法，其特徵是水泥為普通矽酸鹽水泥，或矽酸鹽水泥，或礦渣矽酸鹽水泥，或火山灰矽酸鹽水泥，或粉煤灰矽酸鹽水泥。
全文摘要
本發明公開了一種具有高阻尼性能的水泥材料及其製備方法。材料為水泥與添加物間的重量比為1∶0.1～0.8，添加物為具有La3-XAXLi5+δTa2-YBYO12化學式組成的鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒，化學式中的A為鑭位摻雜物，x為0～1.25，B為鉭位摻雜物，y為0～1.25，鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒的粒徑為1～1.5μm；方法為先按照La3-XAXLi5+δTa2-YBYO12的成分比，稱取相應量的鑭、鋰、鉭、鑭位摻雜物和/或鉭位摻雜物的氧化物或碳酸鹽，將其球磨並風乾後置於650～750℃下預燒，得中間產物，接著，先將中間產物球磨並風乾，再將其置於900～1050℃下燒結，得鉭酸鑭鋰基陶瓷顆粒，隨後，將其與水泥按照所需的重量比例混合均勻，製得具有高阻尼性能的水泥材料。它與純水泥相比，其在強度提高的同時，阻尼性能提高了約三倍。
文檔編號C04B28/00GK102219443SQ201010150179
公開日2011年10月19日 申請日期2010年4月15日 優先權日2010年4月15日
發明者方前鋒, 王偉國, 王先平, 胡菁, 闞志鵬, 高雲霞 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院