CN105272048A - 应变自感知和可融雪化冰多尺度碳水泥复合路面材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应变自感知和可融雪化冰多尺度碳水泥复合路面材料，所述材料由水泥、自来水、外加剂和导电填料组成，其中：导电填料由碳纤维、碳纳米管和纳米炭黑构成的多尺度碳材料组成，碳纤维掺量相对于水泥质量的0.2%~0.4%，碳纳米管掺量相对于水泥质量的1.5%~2.5%，纳米炭黑质量掺量相对于水泥质量的1%~3%。本发明将能够形成隧道效应的多尺度碳材料添加到水泥复合材料中，即添加碳纤维、碳纳米管和纳米炭黑，不仅大幅提高了复合材料的电热性能，而且使复合材料内部形成具有优异、稳定的空间导电网络，其应力应变感知功能不易受环境因素影响。

Description

应变自感知和可融雪化冰多尺度碳水泥复合路面材料

技术领域

本发明涉及一种水泥基智能复合材料，尤其涉及一种用于路面应力应变自感知和可融雪化冰于一体的水泥基路面复合材料。

背景技术

重大桥梁结构工程的使用期长达几十年、甚至上百年，载荷的疲劳效应、环境腐蚀和材料老化等灾变因素的耦合作用将不可避免地导致结构的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害的能力下降、甚至引发灾难性的突发事故。近年来，智能材料的出现与发展，为研制大规模、分布式、高性能、长寿命、具有长期稳定性的智能传感元和监测系统开辟了崭新的途径，为重大工程结构智能监测与健康诊断提供了最有效的手段。在各种智能材料中，通过在水泥基复合材料中添加一定的填料所形成的智能混凝土集力学本征特性与感知功能于一身，其造价低、耐久性好、与混凝土工程与结构具有天然的相容性和相同的寿命，目前已经成为土木工程领域的重要研究方向。目前用于制备智能水泥基复合材料常用的填料可分为三类：聚合物类、碳类和金属类，用的最多的为碳类，包括石墨、碳黑、碳纤维、碳纳米管。目前，水泥基智能复合材料应力应变感知性能往往受环境因素影响较大，如温度，湿度等，而且功能单一。冬季，我国北方天气严寒，降雪量大，在路面上易冻结成冰，严重影响交通运行，并且带来安全隐患。据统计，冬季30%的交通事故是由于路面冰雪的影响。目前用于路面融雪化冰的方法主要有：人工清除、机械清除、化学融化、热融化等。人工清除耗时费力且效率低；机械清除虽铲除了大量冰雪，但路面凹凸不平处仍有冰雪，车辆在其上行驶，附着力低，可操纵性及刹车能力差，安全难以有效保障；化学融化常采用氯盐如NaCl、CaCl₂、MgCl₂等喷洒于路面，降低冰雪熔点，化冰效果好且价格便宜，因而应用较普遍，但是氯盐会引起钢筋锈蚀，产生裂纹而破坏结构，造成严重危害和重大经济损失，并会带来水质污染和后期环境问题。通过向水泥基复合材料中添加一定的导电填料，使复合材料具有一定的电热性能，可用于路面的融雪滑冰。

发明内容

本发明的目的是提供一种应变自感知和可融雪化冰多尺度碳水泥复合路面材料，将能够形成隧道效应的多尺度碳材料添加到水泥复合材料中，即添加碳纤维、碳纳米管和纳米炭黑，不仅大幅提高了复合材料的电热性能，而且使复合材料内部形成具有优异、稳定的空间导电网络，其应力应变感知功能不易受环境因素影响。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种应变自感知和可融雪化冰多尺度碳水泥复合路面材料，由普通硅酸盐水泥、自来水、外加剂和导电填料组成，其中：水灰比为0.5，导电填料由碳纤维、碳纳米管和纳米碳黑构成的多尺度碳材料组成，碳纤维掺量相对于水泥质量的0.2%~0.4%，碳纳米管掺量相对于水泥质量的1.5%~2.5%，纳米碳黑质量掺量相对于水泥质量的1%~3%，外加剂为消泡剂、减水剂、分散剂，添加消泡剂、减水剂、分散剂的目的分别是消除水泥基体中引入的气泡、提高水泥浆体的工作性能、分散水泥基体中的多尺度碳材料，一般依据所用的外加剂种类确定其用量。

本发明中，所述碳纤维长度为毫米级别，直径为微米级别；碳纳米管长度为微米级，直径为纳米级；纳米碳黑粒径为纳米级。

本发明具有如下优点：

1）将多尺度碳材料作为导电填料添加到水泥基复合材料中，极大地提高了复合材料的导电性，相对于单掺碳材料的水泥基复合材料其导电性最大可提高七十万多倍，最小可提高七倍；其融雪化冰能力得到了极大的提高，可实现在0℃下的低温环境下，电能有效利用率为56.8%；而其最大应变感知能力较一般的应变片提高20多倍，多尺度导电填料在水泥基体所形成稳定的空间导电网络结构使复合材料的感知能力受环境因素影响较小，所能感知最大荷载频率为0.5Hz。

2）该复合材料集应变自感知与融雪滑冰功能于一体，具有较广的应用性。

3）以水泥为基体，不仅保证复合材料与混凝土具有天然的兼容性以及复合材料耐久性，而且实现了结构与功能一体化。

附图说明

图1为应变自感知和可融雪化冰多尺度碳水泥复合路面材料工程应用的示意图；图中：1-融雪化冰用的电源，2-应力应变自感知与可融雪化冰的多尺度碳路面水泥复合材料，3-四电极应力应变采集系统，4-用于融雪化冰的电极，5-混凝土路基材料。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式中所制备应变自感知和可融雪化冰多尺度碳路面水泥复合材料所用原材料：普通硅酸盐水泥P.O.42.5、自来水、磷酸三丁脂作为消泡剂、高效聚羧酸作为减水剂、碳纤维、碳纳米管、纳米碳黑、甲基纤维素作为碳纤维的分散剂、聚乙烯毗咯烷作为碳纳米管的分散剂；其中，水灰比为0.5，碳纤维掺量的范围为0.2%~0.4%（相对于水泥质量，下同），甲基纤维素的用量为水泥质量0.3%~0.5%，碳纳米管掺量的范围为1.5%~2.5%，聚乙烯毗咯烷的用量为碳纳米管质量的15%~25%，纳米碳黑质量掺量的范围为1%~3%，磷酸三丁脂和高效聚羧酸的用量分别为0.05%~0.15%和0.5%~1.5%（相对于水泥的质量）。

本实施方式按照如下步骤进行复合材料的制备：

1）为了避免碳黑影响到碳纤维和碳纳米管的分散，将既定配比的拌合物（未加入纳米碳黑和水泥）进行人工搅拌；

2）将拌合物置于超声波细胞粉碎仪分散1h，然后加入纳米炭黑的拌合物采用人工搅拌；

3）将分散好的拌合物置于搅拌机进行半分钟的慢速搅拌，然后在搅拌的过程中缓慢加入水泥，水泥加完后进行两分钟的慢速搅拌和三分钟的快速搅拌；

4）将搅拌均匀的拌合物浇筑相应的路面，同时在浇筑过程中布置相应的电极用于应变的监测和融雪化冰，然后在一定的温湿度条件下，养护28天。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：水灰比为0.5，碳纤维掺量的范围为0.2%（相对于水泥质量，下同），甲基纤维素的用量为水泥质量0.4%，碳纳米管掺量的范围为1.5%，聚乙烯毗咯烷的用量为碳纳米管质量的20%，纳米碳黑质量掺量的范围为1.0%，磷酸三丁脂和高效聚羧酸的用量分别为0.1%和1%（相对于水泥的质量）。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：水灰比为0.5，碳纤维掺量的范围为0.3%（相对于水泥质量，下同），甲基纤维素的用量为水泥质量0.4%，碳纳米管掺量的范围为1.5%，聚乙烯毗咯烷的用量为碳纳米管质量的20%，纳米碳黑质量掺量的范围为3.0%，磷酸三丁脂和高效聚羧酸的用量分别为0.1%和1%（相对于水泥的质量）。

按照上述具体实施方式一~三的配比和步骤，所制备出的水泥路面复合材料电阻率变化范围为10050Ω·cm~11.94Ω·cm；复合材料应变感知的功能受温湿度影响较小；该复合材料应变感知能力随着材料导电性的增加而减弱，当碳纤维、碳纳米管、纳米碳黑的质量掺量分别为0.2%、1.5%、1.0%时，其电阻率为10050Ω·cm，复合材料的灵敏系数为42，较一般应变片的灵敏系数高20多倍，所能感知最大荷载频率为0.5Hz；而融雪滑冰能力随着导电性增强而提高，当碳纤维、碳纳米管、纳米碳黑的质量掺量分别为0.3%、1.5%、3.0%时，在0℃下的低温环境，其电能有效利用率可达56.8%。

通过四电极系统采集监测复合材料的电阻变化率以实现复合材料的自感知功能，借助外部电源来实现复合材料的融雪滑冰功能。下面结合图1举例进一步说明该复合材料如何实现自感知与可融雪滑冰于一体的功能。当需要对路面应力应变监测时，通过图1所示的四电极应系统进行数据采集。当需要对路面进行融雪化冰处理时，通过外接电源，借助于预埋好的电极，通电即可对路面进行融雪化冰。

以上具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，以下情况均应涵盖在本发明的保护范围中：

1）在本发明中是将多尺度碳材料添加到水泥净浆而制备具有应变自感知和可融雪滑冰功能的水泥基路面复合材料，若向复合材料中再一些添加骨料或者仅仅改变复合材料的水灰比而改善其结构功能性能，应属于本发明范畴以内。

2）本发明提出多尺度导电填料的概念，利用不同数量级碳材料混掺来提高复合材料的导电性，若向复合材料中添加其它多尺度导电填料来提高材料的导电性能，应属于本发明范畴以内。

3）本发明提出了应变自感知与融雪滑冰集结构功能一体思想，若利用该思想用于制备其他复合材料，应属于本发明范畴以内。

Claims (9)

1.一种应变自感知和可融雪化冰多尺度碳水泥复合路面材料，由水泥、自来水、外加剂和导电填料组成，其特征在于所述导电填料由碳纤维、碳纳米管和纳米碳黑构成的多尺度碳材料组成，碳纤维掺量相对于水泥质量的0.2%~0.4%，碳纳米管掺量相对于水泥质量的1.5%~2.5%，纳米碳黑质量掺量相对于水泥质量的1%~3%。

2.根据权利要求1所述的应变自感知和可融雪化冰多尺度碳水泥复合路面材料，其特征在于所述水灰比为0.5。

3.根据权利要求1所述的应变自感知和可融雪化冰多尺度碳水泥复合路面材料，其特征在于所述水泥为普通硅酸盐水泥P.O.42.5。

4.根据权利要求1所述的应变自感知和可融雪化冰多尺度碳水泥复合路面材料，其特征在于所述外加剂由消泡剂、减水剂、分散剂组成。

5.根据权利要求4所述的应变自感知和可融雪化冰多尺度碳水泥复合路面材料，其特征在于所述分散剂为甲基纤维素和聚乙烯毗咯烷。

6.根据权利要求5所述的应变自感知和可融雪化冰多尺度碳水泥复合路面材料，其特征在于所述甲基纤维素的用量为水泥质量0.3%~0.5%，聚乙烯毗咯烷的用量为碳纳米管质量的15%~25%。

7.根据权利要求1所述的应变自感知和可融雪化冰多尺度碳水泥复合路面材料，其特征在于所述消泡剂为磷酸三丁脂，减水剂为聚羧酸。

8.根据权利要求1所述的应变自感知和可融雪化冰多尺度碳水泥复合路面材料，其特征在于所述磷酸三丁脂和高效聚羧酸的用量分别为水泥质量的0.05%~0.15%和0.5%~1.5%。

9.根据权利要求1所述的应变自感知和可融雪化冰多尺度碳水泥复合路面材料，其特征在于所述多尺度碳材料为碳纤维，长度为毫米级别，直径为微米级别；碳纳米管长度为微米级，直径为纳米级；纳米碳黑粒径为纳米级。