CN101602591B

CN101602591B - 内掺cccw的石墨机敏混凝土及其应用

Info

Publication number: CN101602591B
Application number: CN2009100629281A
Authority: CN
Inventors: 范晓明; 李卓球; 孙明清
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2029-06-30
Also published as: CN101602591A

Abstract

本发明涉及的机敏混凝土，是以硅酸盐水泥和砂为基本材料，加入CCCW的混凝土掺入剂和石墨构成内掺CCCW的石墨机敏混凝土，水泥与砂子的质量配比为1∶1；其它成分相对于水泥和砂总质量的百分比为：CCCW的混凝土掺入剂1％～2％，石墨5％～25％。本发明利用石墨的接触导电和导电相之间的隧道导电效应形成具有机敏特性的石墨导电混凝土，具有导电好，力学性能较高，导电性和压敏性稳定，制备简单和价格较低等优点；利用该种材料可制作混凝土结构的传感元件，有效实施对混凝土结构的健康监测，亦可用于工业防静电、电工和电热材料。

Description

内掺CCCW的石墨机敏混凝土及其应用

技术领域

本发明涉及混凝土技术领域，特别是内掺CCCW的石墨机敏混凝土及其应用。

背景技术

在传统水泥基材料中掺加碳纤维、钢纤维、石墨等导电组分后，将可获得具有导电性和具有热电效应、压敏性等多功能性的智能混凝土，可望在未来智能建筑、健康监测和防灾减灾等多领域广泛应用。目前，虽然国内外对导电水泥基材料首选的添加组分是碳纤维，但是碳纤维在水泥基中的分散效果不甚理想，导致了其电学性能不稳定，直接影响了此类材料的应用。石墨导电水泥基复合材料的制备不存在分散性问题，但是为了获得稳定的导电性，必须加入一定数量的石墨，这会导致材料力学性能的大幅下降，故石墨导电水泥基复合材料主要应用于对强度要求不高的场合。CCCW作为混凝土掺入剂，其中特殊的活性化学物质会在一定的养护条件下，以水为载体，通过渗透作用，使其活性化学物质在混凝土的微孔及毛细孔中传输，填充并催化混凝土中未完全水化的水泥颗粒继续发生水化作用，形成不溶性的晶体，对微裂缝进行自动填充，实现自修复。这将会降低材料的孔隙率，提高水泥基复合材料的力学性能，可部分弥补石墨的掺入导致的混凝土力学性能的下降。由于石墨的加入，不存在分散性的要求，从而使材料制备工艺简化，并可获得导电性及压敏性稳定的石墨水泥基机敏材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种内掺CCCW的石墨机敏混凝土，该机敏混凝土具有稳定的导电性和压敏性，且制作工艺简单，以克服现有石墨的工艺不足而导致的材料机敏特性不稳定的问题。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的内掺CCCW的石墨机敏混凝土，其以硅酸盐水泥和砂组成的基本材料，加入CCCW的混凝土掺入剂和石墨后构成。水泥与砂子的质量配比为1∶1；其它成分相对于水泥和砂总质量的百分比为：CCCW的混凝土掺入剂1％～2％，石墨5％～25％。

本发明提供的内掺CCCW的石墨机敏混凝土，其用于制作应力应变传感元件。

本发明与现有技术相比具有如下主要的突出效果：

其一.提高了性能。

本发明采用掺入CCCW混凝土掺入剂提高材料的力学性能，可部分弥补掺入石墨后导致的材料力学性能的下降。利用石墨在水泥中分散性好的特点可使材料的制备工艺简化。因此，内掺CCCW的石墨导电机敏混凝土具有导电性好，力学性能较高，电阻率稳定及压敏性稳定的特点。

本发明采用的CCCW材料为混凝土掺入剂，石墨为含碳量≥97％的鳞片石墨。对石墨水泥基复合材料而言，其电阻率主要由石墨的掺量决定。因此，分散性好的适量鳞片石墨的加入，使得石墨导电相之间相互接触的几率增大，导电相之间的平均距离减小，有利于导电相之间的隧道效应。适当加大石墨的加入量，容易使导电相形成空间导电网络通路，保证了材料具有较低的电阻率和电学性能的稳定性。掺入CCCW后，其中所含的特殊活性化学物质可以通过二次水化形成不溶性晶体堵塞混凝土中毛细通道，改善了混凝土基体的微结构，大大降低离子导电所导致的极化效应，亦有利于材料的导电性的稳定，同时，还提高了材料的力学性能。如当水泥和砂的质量配比为1∶1，石墨掺量分别为水泥和砂总质量(以下同)的2.5％、7.5％和12.5％时，不掺CCCW材料的石墨水泥基复合材料的抗压强度分别为39.4MPa、27.5MPa和16.2MPa；掺加CCCW材料的石墨水泥基复合材料的抗压强度则分别为58.4MPa、32.5MPa和23.6MPa。掺加CCCW后，石墨水泥基复合材料的抗压强度分别提高了48.7％、17.1％和45.7％。

适量的CCCW材料和石墨的掺入，保证了材料具有较低的电阻率和压敏稳定性，并具有较高的力学性能。因此，内掺CCCW的石墨水泥基复合材料可作为土木工程结构的应力应变传感器。

其二，成本较低。所采用石墨为工厂生产的普通鳞片石墨。

其三，制作工艺简单。采用普通混凝土的制作工艺即可。

其四，应用广泛。可望在未来智能建筑、健康监测和防灾减灾等多领域广泛应用。

总之，本发明利用石墨的接触导电和导电相之间的隧道导电效应形成具有机敏特性的石墨导电混凝土，具有导电好，力学性能较高，导电性和压敏性稳定，制备简单和价格较低等优点；利用该种材料可制作混凝土结构的传感元件，有效实施对混凝土结构的健康监测，亦可用于工业防静电、电工和电热材料。

附图说明

图1为传感元件及其四电极法测试电阻的示意图。

图2为内掺CCCW的石墨水泥砂浆压敏性测试系统示意图。

图3为短柱(100mm×100mm×300mm，C30)及其中心处内埋传感元件的示意图。

图4为对图3所示短柱单调加载时内埋柱中心位置传感元件的电阻率变化。

图5是含20％石墨的水泥砂浆在循环荷载作用下电阻率、应力及时间关系曲线。

图6是含20％石墨的水泥砂浆在循环荷载作用下应变、应力及时间关系曲线。

图7是含20％石墨的水泥砂浆在循环荷载作用下电阻变化率、应力及时间关系曲线。

图8是含50％石墨的水泥砂浆在循环荷载作用下电阻率、应力及时间关系曲线。

图9是含50％石墨的水泥砂浆在循环荷载作用下应变、应力及时间关系曲线。

图10是含50％石墨的水泥砂浆在循环荷载作用下电阻变化率、应力及时间关系曲线。

图中：1.试块；2.正电极；3.负电极；4.正电极；5.负电极；6.电阻应变片；7.应力应变传感元件；8.混凝土柱。

具体实施方式

本发明提供的是一种含有以硅酸盐水泥和砂组成的基本材料，加入CCCW的混凝土掺入剂和石墨导电相构成石墨水泥基机敏混凝土(简称机敏混凝土)。该机敏混凝土的组成为：水泥与砂子的质量配比为1∶1。2％CCCW(占所加水泥和砂总质量的百分数，以下同)，5％～25％鳞片石墨。

上述石墨为工厂生产的普通鳞片石墨，石墨纯度≥97％，颗粒度≤0.071mm。

上述CCCW材料为市售CCCW混凝土掺入剂。

本发明提供的内掺CCCW的石墨水泥基机敏混凝土制备工艺简单，与普通混凝土的制备工艺相同。例如：首先按比例称取各组分，将2％的CCCW水泥掺入剂加入水泥干拌，再加入石墨与砂，进行干拌混匀。将混合物倒入砂浆搅拌机搅拌，并逐步加入水。实验中改变水灰比(水与水泥+石墨的质量比)，以保持混合料适宜的流动性。石墨的添加量及与之对应的水灰比见表1。配合料搅拌均匀后，注入模具成型，同时埋入不锈钢导电电极，并进行正常脱模、养护。亦可用银粉导电胶在试样表面制成电极。

下面结合具体实例对本发明作进一步说明。

实施例1：制备内掺CCCW的石墨水泥基复合材料传感元件，其尺寸大小为40mm×40mm×40mm(见图1)。采用42.5普通硅酸盐水泥。普通铸造用石英砂，颗粒度为0.154mm～0.315mm。原材料配比及养护28天后相应的电阻率如表1所示。加入CCCW对材料抗压强度的影响如表2所示。CCCW材料、石墨的配比以其占水泥与砂的总质量的百分比表示。

由表1所知，随着石墨掺量的增加，其导电性越好。在掺量为10％左右时，再增加石墨含量对材料电阻率影响不大。表1中的石墨、CCCW的数值为占水泥和砂的总质量的百分比。

由表2可知，掺入石墨后，材料的抗压强度减小。石墨掺入量越大，材料强度越低，但掺入CCCW可有效提高石墨水泥基机敏材料的抗压强度。表2中的石墨、CCCW的数值为占水泥和砂的总质量的百分比。

实施例2：采用上述工艺制备的传感元件40mm×40mm×40mm，并采用图2所示测试系统进行材料的压敏性测试。将试样置于INSTRON 5882万能材料试验机上，即构成压敏性测试系统，以测定石墨水泥砂浆试块在循环加载下的电阻变化情况。同步采用YE2539高速静态应变仪记录试样在加载时的应变值。加载方式为三角波循环加载，加载和卸载速率控制为1分钟一个循环周期。最大压应力为6.25MPa、5次循环研究试样的压阻特性，分析其应变灵敏度系数。在循环荷载作用下，不同石墨掺量试样的传感元件的电阻率和应力存在一定的对应关系。石墨掺量为水泥和砂总质量的10％～15％时，石墨水泥砂浆试样的体积电阻率与压应力呈现良好的可重复性，电阻值在应力加载时几乎呈线性下降，而卸载时增加。当石墨含量分别为10％和15％时，其对应的应变灵敏度系数分别为39.5和25。远远大于金属电阻应变片的灵敏度系数2。图4至图10分别显示了含20％和50％石墨的水泥砂浆在循环荷载作用下电阻率、应力及电阻变化率与时间关系曲线。

实施例3：将传感元件(2％CCCW、10％石墨含量)采用环氧树脂封装后埋入100mm×100mm×300mm的柱中心，柱按C30混凝土制备，如图3所示。对柱施加单调压力载荷，测得的传感元件的对应的电阻率变化如图4所示，图4中AB、BC和CD三个阶段分别对应于石墨应力应变传感器的弹性范围、塑性范围和破坏范围。电阻率与加载应力存在一定的对应关系，重复性好。传感元件能很好的感知结构的受力状况，因此，该传感器能广泛应用于结构的健康监测，车辆称重等工程领域中。

实施例4：应力应变传感元件

内掺CCCW的石墨机敏混凝土应用广泛，其能够用于制作在结构健康监测、车辆称重等领域应用的应力应变传感元件7。该传感元件设有两对电极，如图1至图2所示：两对电极与恒流直流电源和多通道数据自动采集处理系统(记录电压值)构成四电极法电阻测试系统。两对电极用银粉导电胶刷在试块1表面构成，然后用导电胶布将铜芯导线粘在银粉导电胶上引出正电极2、负电极3、正电极4、负电极5；或采用金属网片预埋在试块中。内侧两电极测试电压V，外侧两电极由恒流源提供直流电源I，则内侧两电极间混凝土试块的体积电阻为R＝V/I，电阻率为ρ＝R·S/L，其中，S＝40mm×40mm，L＝20mm。在试块1的一侧面设有以强力胶粘接相连的电阻应变片6(图2)，结合YE2539高速静态应变仪记录传感元件被加载时在压力方向的应变值。试块1由机敏混凝土制成，大小为40mm×40mm×40mm。

所述应力应变传感元件7(简称传感元件)，其埋入C30混凝土结构柱8中(图3)，可以比较方便的监测该传感元件周围的混凝土的受力状态。

附表

表1原材料配比及养护28天后试样相应的电阻率

水泥	砂	石墨	CCCW	水/(水泥+石墨)	电阻率/Ω·m
						50	50	0	2	0.37	529.5
50	50	2.5	2	0.38	90.4
						50	50	5	2	0.39	77.1
50	50	10	2	0.42	24.4
						50	50	15	2	0.42	11.3
50	50	20	2	0.45	4.8
						50	50	25	2	0.52	1.18

表2加入CCCW混凝土掺入剂对材料抗压强度的影响

水泥	砂	石墨	CCCW	水/(水泥+石墨)	抗压强度/MPa
						50	50	2.5	0	0.52	39.4
50	50	2.5	2	0.52	58.6
						50	50	7.5	0	0.53	27.5
50	50	7.5	2	0.53	32.2
						50	50	12.5	0	0.53	16.2
50	50	12.5	2	0.53	23.6

Claims

1.一种机敏混凝土，含有以硅酸盐水泥和砂组成的基本材料，其特征是加入CCCW的混凝土掺入剂和石墨构成内掺CCCW的石墨机敏混凝土，水泥与砂子的质量配比为1∶1；其它成分相对于水泥和砂总质量的百分比为：CCCW的混凝土掺入剂1％～2％，石墨5％～25％；所述石墨采用石墨纯度≥97％和颗粒度≤0.071mm的鳞片石墨。

2.根据权利要求1所述的机敏混凝土，其特征是其它成分相对于水泥和砂总质量的百分比为：CCCW混凝土掺入剂2％，石墨15％。

3.权利要求1至2中任一权利要求所述机敏混凝土的应用，其特征是该机敏混凝土用于制作应力应变传感元件。

4.根据权利要求3所述的应用，其特征是所述应力应变传感元件的结构是：所述应力应变传感元件设有两对电极，电极用银粉导电胶刷在试块表面构成，或采用金属网片预埋在试块中；试块由机敏混凝土制成。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征是所述应力应变传感元件是混凝土结构健康监测、车辆称重的传感元件。