CN103232204B

CN103232204B - 一种传感材料的制备方法、传感材料及其应用

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Publication number: CN103232204B
Application number: CN201310161481.XA
Authority: CN
Inventors: 蒋林华; 熊传胜; 宋子健; 游渌棽; 王涛; 刘蓉
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2013-05-03
Filing date: 2013-05-03
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2033-05-03
Also published as: CN103232204A

Abstract

本发明公开了一种传感材料的制备方法，先制备石墨烯和纳米导电炭黑的水溶液，再以水泥为胶凝材料，加入水和砂子，水灰比为0.28~0.7，胶砂比为1:8~1:3，将水泥和砂子用搅拌器搅拌，优选2~5min，同时倒入制得的石墨烯和纳米导电炭黑的水溶液，继续搅拌后将混合物倒入模具成型即制得所述传感材料。本发明还公开了按照该制备方法制得的传感材料及其应用。本发明传感材料的制备工艺简单、成本低；本发明的传感材料对硫酸盐侵蚀作用响应效果好、灵敏度高；本发明传感材料本身弹性模量及热膨胀系数与混凝土相近，不会由于应力变形差异及温度变形差异而产生破坏；本发明传感材料性能稳定，耐久性较好。

Description

一种传感材料的制备方法、传感材料及其应用

技术领域

本发明涉及一种传感材料的制备方法、传感材料及其应用，特别是用于监测混凝土硫酸盐侵蚀的传感材料的制备方法、传感材料及其应用。

背景技术

混凝土是土木工程中应用最为广泛的结构材料，混凝土结构除了受到外界荷载影响外，还面临着碱－集料反应、混凝土碳化、冻融循环破坏、化学侵蚀和钢筋锈蚀等众多耐久性问题。人们对于混凝土耐久性的研究大多停留在对其发生机理、性能变化规律及寿命预测等理论的研究阶段，这对满足今后智能化工程的发展需求是远远不够的。

在硫酸盐侵蚀环境下的混凝土结构，硫酸盐侵蚀是造成混凝土耐久性劣化的最主要原因之一。当外界的硫酸根离子侵入到混凝土内部后，与混凝土内的氢氧化钙、水化铝酸钙、水化硅酸钙等发生化学反应生成石膏、钙矾石等结晶产物，产生体积膨胀，膨胀应力达到混凝土的抗拉强度，混凝土开裂破坏。硫酸盐侵蚀混凝土是混凝土内部膨胀应力不断变化的过程，同时伴随着混凝土内孔结构、微裂缝、界面过渡区等微观结构的不断的变化，进而影响混凝土的电化学参。了解混凝土内部微观结构的变化有助于预测混凝土结构的寿命，而现有技术缺乏能有效监测混凝土内部微观结构的变化的方法、手段。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决上述背景技术中提到的问题，提供一种与混凝土材料弹性模量相当、性能稳定的传感材料的制备方法，还提供了按照该制备方法制得的传感材料及其应用。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

一种传感材料的制备方法，所述方法步骤为：

（1）制备石墨烯和纳米导电炭黑的水溶液：将分散剂加入到蒸馏水中搅拌使分散剂溶解在水中，将称量好的石墨烯和纳米导电炭黑加入，继续搅拌，使石墨烯和纳米导电炭黑被分散剂水溶液完全润湿，不是浮在表面；用超声波粉碎机振荡，优选5～10min，使石墨烯和纳米导电炭黑均匀分散于水中；

（2）以水泥为胶凝材料，加入水和砂子，水灰比为0.28～0.7，胶砂比为1:8～1:3，将水泥和砂子用搅拌器搅拌，优选2～5min，同时倒入步骤（1）制得的石墨烯和纳米导电炭黑的水溶液，继续搅拌后将混合物倒入模具成型即制得所述传感材料。

在将传感材料作为试件时，在传感材料较长一边试件两侧距端头5mm埋设不锈钢网作为测试电极，试件成型1天后，拆模并放入标准养护箱养护90天。

由于石墨烯和纳米导电炭黑比表面积很大，具有一定的疏水效应，所以在水中的分散效果很差。为降低石墨烯和纳米导电材料的聚集效应和缠绕现象，需事先在溶剂蒸馏水中加入适量的分散剂；加入石墨烯及纳米导电炭黑的目的是改善传感材料的内部电路结构，增加其导电性能，进而增强传感材料的灵敏性和导电稳定性。

所述水泥为42.5级硅酸盐水泥或42.5级普通硅酸盐水泥。

所述分散剂为乳化剂，掺量为蒸馏水质量的0.05%～0.5%。

所述石墨烯掺量为水泥质量的0.01%～5.00%、纳米导电碳黑掺量为水泥质量的0.01%～5.00%

所述石墨烯的控制指标为：平均厚度0.8～5nm；直径为1～10μm；电导率为500S/cm～1500S/cm；比表面积为120～200cm²/g；松装密度为0.020～0.027g/cm³。

所述纳米导电炭黑的控制指标为：表观比容为4.0～5.0cm³/g；吸碘值为600g/kg～1000g/kg；电阻率为0.5～1.2Ω·m；pH值为7～8；加热减量为0～0.5%；灰分为0～1.5%。

所述分散剂为壬基酚与环氧乙烷缩合物。

所述分散剂的控制指标为：1%水溶液的浊点为68～78℃；羟值为87±5mgKOH/g；水分为0.1～1.0%；pH值为5.0～7.0；HLB值为13.3～14.0。

所述传感材料的制备方法制成的传感材料。

所述传感材料在监测混凝土硫酸盐侵蚀上的应用。

本发明制得的传感材料试件的弹性模量与普通钢筋混凝土的弹性模量相当，因此可以作为传感材料埋置于混凝土内部。本发明通过将传感材料设计成规定的形状和尺寸，两头埋置导线用以传导材料的电化学特征信号，再将传感材料元件埋置于混凝土结构的不同位置，即可实现硫酸侵蚀混凝土的监测。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点是：本发明传感材料的制备工艺简单、成本低；本发明的传感材料对硫酸盐侵蚀作用响应效果好、灵敏度高，可以用于监测混凝土硫酸盐侵蚀；本发明传感材料本身弹性模量及热膨胀系数与混凝土相近，不会由于应力变形差异及温度变形差异而产生破坏；本发明传感材料性能稳定，耐久性较好，可以服务于混凝土结构服役期的整个过程。

附图说明

图1是实施例1传感材料试样硫酸盐侵蚀前后的交流阻抗谱；

图2是实施例2传感材料试样硫酸盐侵蚀前后的交流阻抗谱；

图3是实施例3传感材料试样硫酸盐侵蚀前后的交流阻抗谱。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明进一步说明，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

实施例1

以42.5级硅酸盐水泥为胶凝材料，水灰比为0.28，胶砂比为1:8。选取浊点（1%水溶液）为68℃；羟值为87mgKOH/g；水分为0.1%；pH值为5.0；HLB值为13.3的分散剂，将0.05g的分散剂加入到100ml蒸馏水中搅拌使分散剂溶解在水中，将称量好的石墨烯和纳米导电炭黑加入，石墨烯粉末的平均厚度0.8nm；直径为1μm；电导率为500S/cm；比表面积为120cm²/g；松装密度为0.020g/cm^3，掺量为水泥质量的0.01%。纳米导电炭黑粉末的表观比容为4.0cm³/g；吸碘值为600g/kg；电阻率为0.5Ω·m；pH值为7；加热减量为0.1%；灰分为0.1%。纳米导电碳黑掺量为水泥质量的0.01%。加入石墨烯和纳米导电炭黑后继续搅拌，使石墨烯和纳米导电炭黑被分散剂水溶液完全润湿，不是浮在表面；用超声波粉碎机振荡5min，使石墨烯和纳米导电炭黑均匀分散于水中。将称量好的水泥和砂子放在搅拌器中搅拌，同时缓慢倒入石墨烯和纳米导电炭黑的水溶液，搅拌2min后停止，然后迅速将水泥砂浆倒入自制的模具中成型，模具尺寸为30mm×20mm×20mm。试件浇筑成型过程中，在较长一边试件两侧距端头5mm埋设不锈钢网作为测试电极，试件成型1天后，拆模并放入标准养护箱养护90天。

制得的测试试件的弹性模量为2.93×10⁴MPa，该值与普通钢筋混凝土的弹性模量相当，可以作为传感材料埋置于混凝土内部。将试件浸泡于质量浓度5%的硫酸钠溶液中60天后，测试硫酸盐侵蚀前后试件的交流阻抗谱，如图1所示（图中横坐标为交流阻抗谱的实部，纵坐标为交流阻抗谱的虚部）。从图中可以看出，硫酸盐侵蚀之后，试样的交流阻抗谱的拓扑结构发生了明显的变化，说明本发明的传感材料对硫酸盐侵蚀作用响应效果及灵敏度均较好，可以作为用于监测混凝土硫酸盐侵蚀的传感材料。

实施例2

以42.5级普通硅酸盐水泥为胶凝材料，水灰比为0.7，胶砂比为1:3。选取浊点（1%水溶液）为78℃；羟值为82mgKOH/g；水分为1.0%；pH值为7.0；HLB值为14.0的分散剂，将0.5g的分散剂加入到100ml蒸馏水中搅拌使分散剂溶解在水中，将称量好的石墨烯和纳米导电炭黑加入，石墨烯粉末的平均厚度5nm；直径为10μm；电导率为1500S/cm；比表面积为200cm²/g；松装密度为0.027g/cm^3，掺量为水泥质量的5.00%。纳米导电炭黑粉末的表观比容为5.0cm³/g；吸碘值为1000g/kg；电阻率为1.2Ω·m；pH值为8；加热减量为0.5%；灰分为1.5%。纳米导电碳黑掺量为水泥质量的5.00%。加入石墨烯和纳米导电炭黑后继续搅拌，使石墨烯和纳米导电炭黑被分散剂水溶液完全润湿，不是浮在表面；用超声波粉碎机振荡10min，使石墨烯和纳米导电炭黑均匀分散于水中。将称量好的水泥和砂子放在搅拌器中搅拌，同时缓慢倒入石墨烯和纳米导电炭黑的水溶液，搅拌2min后停止，然后迅速将水泥砂浆倒入自制的模具中成型，模具尺寸为30mm×20mm×20mm。试件浇筑成型过程中，在较长一边试件两侧距端头5mm埋设不锈钢网作为测试电极，试件成型1天后，拆模并放入标准养护箱养护90天。

制得的测试试件的弹性模量为2.81×10⁴MPa，该值与普通钢筋混凝土的弹性模量相当，因此可以作为传感材料埋置于混凝土内部。将试件浸泡于5%的硫酸钠溶液中60天后，测试硫酸盐侵蚀前后试件的交流阻抗谱，如图2所示（图中横坐标为交流阻抗谱的实部，纵坐标为交流阻抗谱的虚部）。从图中可以看出，硫酸盐侵蚀之后，试样的交流阻抗谱的拓扑结构发生了明显的变化，说明本发明的传感材料对硫酸盐侵蚀作用响应效果及灵敏度均较好，可以作为用于监测混凝土硫酸盐侵蚀的传感材料。

实施例3

以42.5级硅酸盐水泥为胶凝材料，水灰比为0.5，胶砂比为1:5。选取浊点（1%水溶液）为：72℃；羟值为92mgKOH/g；水分为1.0%；pH值为7.0；HLB值为14.0的分散剂，将0.25g的分散剂加入到100ml蒸馏水中搅拌使分散剂溶解在水中，将称量好的石墨烯和纳米导电炭黑加入，石墨烯粉末的平均厚度2nm；直径为5μm；电导率为1000S/cm；比表面积为160cm²/g；松装密度为0.023g/cm^3，掺量为水泥质量的2.5%。纳米导电炭黑粉末的表观比容为4.5cm³/g；吸碘值为800g/kg；电阻率为0.8Ω·m；pH值为7.5；加热减量为0.25%；灰分为0.7%。纳米导电碳黑掺量为水泥质量的2.5%。加入石墨烯和纳米导电炭黑后继续搅拌，使石墨烯和纳米导电炭黑被分散剂水溶液完全润湿，不是浮在表面；用超声波粉碎机振荡5min，使石墨烯和纳米导电炭黑均匀分散于水中。将称量好的水泥和砂子放在搅拌器中搅拌，同时缓慢倒入石墨烯和纳米导电炭黑的水溶液，搅拌2min后停止，然后迅速将水泥砂浆倒入自制的模具中成型，模具尺寸为30mm×20mm×20mm。试件浇筑成型过程中，在较长一边试件两侧距端头5mm埋设不锈钢网作为测试电极，试件成型1天后，拆模并放入标准养护箱养护90天。

制得的测试试件的弹性模量为2.74×10⁴MPa，该值与普通钢筋混凝土的弹性模量相当，因此可以作为传感材料埋置于混凝土内部。将试件浸泡于5%的硫酸钠溶液中60天后，测试硫酸盐侵蚀前后试件的交流阻抗谱，如图3所示（图中横坐标为交流阻抗谱的实部，纵坐标为交流阻抗谱的虚部）。从图中可以看出，硫酸盐侵蚀之后，试样的交流阻抗谱的拓扑结构发生了明显的变化，说明本发明的传感材料对硫酸盐侵蚀作用响应效果及灵敏度均较好，可以作为用于监测混凝土硫酸盐侵蚀的传感材料。

实施例1、2和3中的传感材料试样在经过硫酸侵蚀之后，试样的交流阻抗谱拓扑结构均发生了明显的变化，说明本发明的传感材料对硫酸盐侵蚀作用响应效果较好，灵敏性较高，且试样参数测试的稳定性较好，可以作为监测混凝土硫酸盐侵蚀的传感材料。

Claims

1.一种传感材料的制备方法，其特征在于：所述方法步骤为：

（1）制备石墨烯和纳米导电炭黑的水溶液：将分散剂加入到蒸馏水中搅拌使分散剂溶解在水中，将称量好的石墨烯和纳米导电炭黑加入，继续搅拌，使石墨烯和纳米导电炭黑被分散剂水溶液完全润湿；用超声波粉碎机振荡，使石墨烯和纳米导电炭黑均匀分散于水中；所述分散剂掺量为蒸馏水质量的0.05%~0.5%，所述石墨烯掺量为水泥质量的0.01%~5.00%、纳米导电碳黑掺量为水泥质量的0.01%~5.00%；所述石墨烯的控制指标为：平均厚度0.8~5nm；直径为1~10μm；电导率为500S/cm~1500S/cm；比表面积为120~200cm²/g；松装密度为0.020~0.027g/cm³；

（2）以水泥为胶凝材料，加入水和砂子，水灰比为0.28~0.7，胶砂比为1:8~1:3，将水泥和砂子用搅拌器搅拌，同时倒入步骤（1）制得的石墨烯和纳米导电炭黑的水溶液，继续搅拌后将混合物倒入模具成型即制得所述传感材料。

2.如权利要求1所述的传感材料的制备方法，其特征在于：所述水泥为42.5级硅酸盐水泥或42.5级普通硅酸盐水泥。

3.如权利要求1所述的传感材料的制备方法，其特征在于：所述纳米导电炭黑的控制指标为：表观比容为4.0~5.0cm³/g；吸碘值为600g/kg~1000g/kg；电阻率为0.5~1.2Ω･m；pH值为7~8；加热减量为0~0.5%；灰分为0~1.5%。

4.如权利要求1所述的传感材料的制备方法，其特征在于：所述分散剂为壬基酚与环氧乙烷缩合物。

5.如权利要求1所述的传感材料的制备方法，其特征在于：所述分散剂的控制指标为：1%水溶液的浊点为68~78℃；羟值为87±5mgKOH/g；水分为0.1~1.0%；pH值为5.0~7.0；HLB值为13.3~14.0。

6.按照权利要求1所述的传感材料的制备方法制成的传感材料。

7.权利要求6所述传感材料在监测混凝土硫酸盐侵蚀上的应用。