CN105891268A - 一种石墨烯基骨料式混凝土受力损伤检测装置和方法 - Google Patents

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刘琼
王卓琳
高润东
张富文
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Abstract

本发明公开了一种石墨烯基骨料式混凝土受力损伤检测装置及方法，为粗骨料大小的块体，由水泥基复合智能材料浇筑并养护28天再经烘干、环氧树脂封装、喷砂处理而制成，其特征在于，所述块体内预先置入网片状、杆状或点状电极，所述水泥基复合智能材料由原状石墨烯或氧化石墨烯、水泥、砂子和水拌制而成。本发明所能产生的有益效果如下：1)该混凝土受力损伤检测装置亦由水泥基复合材料制成，与混凝土可以良好结合，兼容性好；2)作为骨料埋入混凝土中，对混凝土本身的影响小；3)耐久性好，可以与结构混凝土同寿命。

Description

一种石墨烯基骨料式混凝土受力损伤检测装置和方法
技术领域
本发明涉及混凝土结构健康检测技术领域，特别涉及一种石墨烯基骨料式混凝土受力损伤检测装置和方法。
背景技术
智能混凝土的研究可追溯到上世纪60年代，前苏联学者采用炭黑掺入混凝土中尝试制备水泥基导电复合材料，之后有学者提出在混凝土中掺加碳纤维，形成智能混凝土。为了制作具有自感知功能的智能混凝土，往往需要往混凝土里添加导电材料，譬如碳类、金属类等，包括碳纤维、炭黑、金属粉末、金属纤维等等。智能混凝土的应用主要有结构受力和损伤监测、交通流量监控等方面。
石墨烯是碳原子单层排列的二维蜂窝状晶格结构，即在分子结构上可理解为单原子层的石墨。石墨烯是已知材料中最薄的，仅有一个碳原子的厚度，然而却具有非常高的强度，其强度是钢材的100倍，杨氏模量达1100GPa，而且也是目前已知材料中导电性能最好的。自2004年石墨烯被发现以来，由于石墨烯卓越的力学和导电性能，成为智能混凝土的新宠，吸引诸多国内外学者针对掺加石墨烯的水泥基复合智能材料展开研究。将石墨烯应用于水泥基复合材料，能使之产生优良导电性能和压敏性能。基于上述特征，可将石墨烯基智能混凝土用于建筑结构混凝土的受力和损伤检测，且具有与混凝土兼容性好、耐久性好和灵敏度高的特点。
发明内容
有鉴于上述石墨烯优良的电学性能，本发明提供了一种石墨烯基骨料式混凝土受力损伤检测装置和方法。
本发明采用的技术方案为：
一种石墨烯基骨料式混凝土受力损伤检测装置，为粗骨料大小的块体，由水泥基复合智能材料浇筑并养护28天再经烘干、环氧树脂封装、喷砂处理而制成，其特征在于，所述块体内预先置入网片状、杆状或点状电极，所述水泥基复合智能材料由原状石墨烯或氧化石墨烯、水泥、砂子和水拌制而成。
优选地，所述原状石墨烯或氧化石墨烯和水泥的质量比为6.4％-12.8％。
优选地，所述原状石墨烯或氧化石墨烯片层厚度<1nm、大小<1μm。
一种石墨烯基骨料式混凝土受力损伤检测方法，将上述骨料式混凝土受力损伤检测装置埋置于建筑结构混凝土中，用导线将电极引出，测量电极间电阻的变化以表征该部位混凝土的受力和损伤状态。
用网片状电极制得的混凝土受力损伤检测装置，可用于沿网片电极法线方向的单轴受力和损伤的检测；用杆状电极制得的混凝土受力损伤检测装置，可用于二维受力状态下的受力和损伤检测；用点状电极制得的混凝土受力损伤检测装置，可用于三维受力状态下的受力和损伤检测。沿受压方向，测得的电阻随压力的增加而减小，随拉力的增加而增加，当混凝土出现损伤(微裂纹)时，电阻出现断崖式增加。
本发明所能产生的有益效果如下：
1)该混凝土受力损伤检测装置亦由水泥基复合材料制成，与混凝土可以良好结合，兼容性好；
2)作为骨料埋入混凝土中，对混凝土本身的影响小；
3)耐久性好，可以与结构混凝土同寿命。
附图说明
图1为实施例1所制备的石墨烯基骨料式混凝土受力损伤检测装置结构示意图。
图2为实施例1所制备的石墨烯基骨料式混凝土受力损伤检测装置其电阻随受压应力的变化规律。
图3为实施例2所制备的石墨烯基骨料式混凝土受力损伤检测装置结构示意图。
图4为实施例2所制备的石墨烯基骨料式混凝土受力损伤检测装置其电阻随受压应力的变化规律。
图5为实施例3所制备的石墨烯基骨料式混凝土受力损伤检测装置结构示意图。
图6为实施例3所制备的石墨烯基骨料式混凝土受力损伤检测装置其电阻随受压应力的变化规律。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例和附图对本发明提供的一种石墨烯基骨料式混凝土受力损伤检测装置和方法进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
取原状石墨烯28.8g，聚羧酸表面活性剂20g，溶解于270g水中，并用超声波打散石墨烯；称取水泥450g，砂子1350g，在搅拌机中搅拌均匀，然后加入石墨烯溶液，继续搅拌均匀。上述配合比中石墨烯相对于水泥的重量比为6.4％。如图1所示，在50×50×50mm的模具中置入两个网片状电极，然后将上述砂浆浇筑入模具中，1天后拆模，放置到标准养护室(温度23℃，湿度100％)中养护28天。
将养护好的智能砂浆块放置到103℃的烘干箱中烘干至恒重，在干燥箱中凉至室温，然后用环氧树脂涂抹在砂浆块表面，在环氧树脂尚未完全凝固时喷撒砂子。待环氧树脂凝固，即得到制作好的石墨烯基骨料式混凝土受力损伤检测装置。
将制作好的骨料式混凝土受力损伤检测装置埋置到受压混凝土中，两电极引出导线，用电阻计采集两电极间电阻的变化。结果显示随压力增加，两电极间电阻逐渐减小，而且在循环荷载下也表现出良好线性规律，其电阻随受压应力的变化规律如图2所示。
实施例2
取原状石墨烯28.8g，聚羧酸表面活性剂20g，溶解于270g水中，并用超声波打散石墨烯；称取水泥450g，砂子1350g，在搅拌机中搅拌均匀，然后加入石墨烯溶液，继续搅拌均匀。上述配合比中石墨烯相对于水泥的重量比为6.4％。如图3所示，在50×50×50mm的模具中置入四个杆状电极，然后将上述砂浆浇筑入模具中，1天后拆模，放置到标准养护室(温度23℃，湿度100％)中养护28天。
将养护好的智能砂浆块放置到103℃的烘干箱中烘干至恒重，在干燥箱中凉至室温，然后用环氧树脂涂抹在砂浆块表面，在环氧树脂尚未完全凝固时喷撒砂子。待环氧树脂凝固，即得到制作好的石墨烯基骨料式混凝土受力损伤检测装置。
将制作好的骨料式混凝土受力损伤检测装置埋置到受压混凝土中，将与受力方向平行的两电极引出导线，用电阻计采集两电极间电阻的变化，亦可用其他电极表征混凝土的受力和损伤状态。结果显示随轴心压力增加，两电极间电阻逐渐减小，其电阻随受压应力的变化规律如图4所示。
实施例3
取氧化石墨烯57.6g，聚羧酸表面活性剂30g，溶解于300g水中，并用超声波打散石墨烯；称取水泥450g，砂子1350g，在搅拌机中搅拌均匀，然后加入石墨烯溶液，继续搅拌均匀。上述配合比中石墨烯相对于水泥的重量比为12.8％。如图5所示，在50×50×50mm的模具中置入8个点状电极，然后将上述砂浆浇筑入模具中，1天后拆模，放置到标准养护室(温度23℃，湿度100％)中养护28天。
将养护好的智能砂浆块放置到103℃的烘干箱中烘干至恒重，在干燥箱中凉至室温，然后用环氧树脂涂抹在砂浆块表面，在环氧树脂尚未完全凝固时喷撒砂子。待环氧树脂凝固，即得到制作好的石墨烯基骨料式混凝土受力损伤检测装置。
将制作好的骨料式混凝土受力损伤检测装置埋置到受压混凝土中，将与受力方向平行的两电极引出导线，用电阻计采集两电极间电阻的变化，亦可用其他电极表征混凝土的受力和损伤状态。结果显示随轴心压力增加，两电极间电阻逐渐减小，其电阻随受压应力的变化规律如图6所示。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (4)

1.一种石墨烯基骨料式混凝土受力损伤检测装置，为粗骨料大小的块体，由水泥基复合智能材料浇筑并养护28天再经烘干、环氧树脂封装、喷砂处理而制成，其特征在于，所述块体内预先置入网片状、杆状或点状电极，所述水泥基复合智能材料由原状石墨烯或氧化石墨烯、水泥、砂子和水拌制而成。
2.根据权利要求1所述的石墨烯基骨料式混凝土受力损伤检测装置，其特征在于，所述原状石墨烯或氧化石墨烯和水泥的质量比为6.4％-12.8％。
3.根据权利要求1所述的石墨烯基骨料式混凝土受力损伤检测装置，其特征在于，所述原状石墨烯或氧化石墨烯片层厚度<1nm、大小<1μm。
4.一种石墨烯基骨料式混凝土受力损伤检测方法，其特征在于，将权利要求1、2或3所述的骨料式混凝土受力损伤检测装置埋置于建筑结构混凝土中，用导线将电极引出，测量电极间电阻的变化以表征该部位混凝土的受力和损伤状态。
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