CN111892356A - 一种弯敏混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种弯敏混凝土及其制备方法，弯敏混凝土包括水泥和导电功能填料，所述导电功能填料包括碳纤维、钢纤维、多壁碳纳米管、炭黑；所述碳纤维的掺量为水泥质量的0.3~1.2%；所述钢纤维的掺量为水泥质量的2~6%；所述多壁碳纳米管的掺量为水泥质量的0.25~1%；所述炭黑的掺量为水泥质量的1~4%。将多种导电功能填料引入混凝土，形成完善导电网络，使其电阻率低、弯阻响应灵敏度高，同时荷载能力强、抗折强度高，可用于长期监测建筑结构的弯曲荷载情况。
Description
技术领域
本发明属于导电混凝土领域，尤其涉及一种弯敏混凝土及其制备方法。
背景技术
随着建筑和基础设施行业的大型化与服役环境的复杂化，人们对材料的要求向多功能化、智能化方向发展，具有自诊断、自调节、自愈合的智能混凝土是建筑材料的一种发展趋势。混凝土结构，尤其是大跨度、大悬挑结构，在服役过程中承受外部荷载产生损伤、承载力下降，容易引起突发性事故，因此实时监测混凝土结构的损伤程度具有很大意义。传统的监测方法是内置传感器，但是存在结构复杂，与水泥基材料相容性较差，在复杂的使用环境下长期稳定性不高，使用寿命短，损坏后难以维修与替换等问题。
导电混凝土为实时监测混凝土结构内部损伤提供了新的可能性。导电混凝土就是在素混凝土中掺入导电功能材料，在内部形成连续不间断的导电网络，电阻率会随应力(应变)的变化而变化，使混凝土具备感应自身变形和损伤的功能。国内外学者对导电混凝土受压机敏性、热电效应、温敏性研究较多，但对于弯敏性的研究少有涉及。《碳纤维-石墨导电混凝土力学性能及受弯机敏性研究》（《混凝土与水泥制品》 2016年12期）公开了一种在混凝土中掺入碳纤维和石墨以改善其力学及机敏性能的的导电混凝土，并建立了导电混凝土在受弯过程中荷载-挠度-电阻变化率的关系。在导电混凝土中适量用石墨代替碳纤维袁可在不影响其力学性能的同时提高导电混凝土机敏性，且挠度与电阻变化相关性较好。但是，其荷载能力和弯阻响应灵敏度还有待提高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种弯敏混凝土及其制备方法，将导电功能填料碳纤维（CF）、钢纤维（SF）、多壁碳纳米管（MWCNTs）、炭黑（CB）引入混凝土，多种功能填料的复掺完善导电网络，使其电阻率低、弯阻响应灵敏度高，同时荷载能力强、抗折强度高，可用于长期监测建筑结构的弯曲荷载情况。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种弯敏混凝土，包括水泥和导电功能填料，所述导电功能填料包括CF、SF、MWCNTs、CB，所述CF的掺量为水泥质量的0.3~1.2%；所述SF的掺量为水泥质量的2~6%；所述MWCNTs的掺量为水泥质量的0.25~1%；所述CB的掺量为水泥质量的1~4%；所述导电功能填料在形成完整导电网络，降低电阻率，提高受弯过程中电阻最大变化率。
优选的，所述弯敏混凝土的开裂荷载为3.4~5.37KN，电阻率为888~14677Ω•cm，受弯过程电阻最大变化率为11.36~158%。
优选的，所述碳纤维的直径≤8mm，含碳量≥95%，拉伸强度≥3500MPa。
优选的，所述多壁碳纳米管的直径为10~20nm。
导电功能填料应具有良好的导电性能，在混凝土内部形成均匀分布的致密的导电网络，在受弯过程中，受拉区纤维与基体间逐渐脱粘，接触电阻逐渐增加；当纤维完全拔出或断裂时，电阻趋于无穷大；当外部荷载减小或取消时，纤维与基体间电阻逐渐降低，表现出一定的弯敏特性。此外还应具有一定的力学强度和化学稳定性，且要保证与混凝土拥有相似的线膨胀系数。
本发明将导电功能填料（CF、SF、MWCNTs、CB）按照不同的比例加入混凝土，SF的掺入可以提高混凝土的抗折、抗弯强度和抗冲击性能，CF的掺入可以提高混凝土的抗拉和抗弯强度，以CF和SF作为结构材料，可以提高混凝土构件的韧性及抗裂性能；并通过互相搭接在基体内部形成互相连通的导电网络，使得普通混凝土具备导电能力和感应应变、损伤的能力。纳米填料MWCNTs的加入可以填充混凝土间的孔隙，降低孔隙率，其与水泥基体的粘合作用可以抵消复合材料受荷载时的一部分能量，从而提高力学性能；并可以提高材料的导电性能，完善导电网络；也可以通过部分代替CF，在一定程度上缓解CF在基体中的团聚现象。CB的掺入部分代替CF，在一定程度上降低弯敏混凝土的成本。
一种弯敏混凝土的制备方法，包括以下步骤：
（1）在烧杯中加入温水，将分散剂缓慢加入水中，搅拌至充分溶解，再加入CF搅拌均匀，形成CF混合物。
（2）在搅拌机中加入水泥、砂和石子，再加入CB、SF、MWCNTs，搅拌机干拌。
（3）将步骤（1）制得的CF混合物和减水剂加入搅拌机中搅拌。
（4）将步骤（3）所得产物浇筑成型，在振动台上振捣，并插入铜网，脱模后养护，得到弯敏混凝土。
优选的，所述步骤（1）中的水温为60℃，水量为水泥质量的80%；分散剂为羟乙基纤维素，加入量为水泥质量的0.6% 。
优选的，所述步骤（2）中砂的加入量为水泥质量的133%；石子的加入量为水泥质量的247%；所述步骤（3）中减水剂的加入量为水泥质量的0.4%。
优选的，所述步骤（2）中干拌时间为3min；所述步骤（3）中的搅拌时间为3min。
优选的，所述步骤（4）中的养护时间为28天。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
1）本发明通过掺入不同种类和比例的导电功能填料，在形成完整导电网络的同时，具有较好的抗折强度和荷载能力，所得弯敏混凝土开裂荷载为3.4~5.37KN，能满足工程使用的需要。
2）本发明所得的弯敏混凝土电阻率低，可达到1000Ω•cm以下；受弯过程中电阻最大变化率为11.36~158%且与挠度具有很好的相关性，弯阻响应灵敏度高，可用作长期监测建筑结构的弯曲荷载情况的传感器。
附图说明
图1为实施例1~9的弯敏混凝土养护龄期-电阻率图；
图2为实施例1~9的弯敏混凝土的开裂荷载图；
图3为实施例1的弯敏混凝土的挠度-电阻变化率图；
图4为实施例2的弯敏混凝土的挠度-电阻变化率图；
图5为实施例3的弯敏混凝土的挠度-电阻变化率图；
图6为实施例4的弯敏混凝土的挠度-电阻变化率图；
图7为实施例5的弯敏混凝土的挠度-电阻变化率图；
图8为实施例6的弯敏混凝土的挠度-电阻变化率图；
图9为实施例7的弯敏混凝土的挠度-电阻变化率图；
图10为实施例8的弯敏混凝土的挠度-电阻变化率图；
图11为实施例9的弯敏混凝土的挠度-电阻变化率图。
具体实施方式
实施例1~9
材料及性能要求：
水泥：P•II 42.5级硅酸盐水泥，质量符合《通用硅酸盐水泥》GB175-2007规范的要求。
硅灰：总碱度<1.5%，SiO2含量>85% ，活性指数>105% ，比表面积为15m2/g，吸水率<125%，含水率<3.0%。
CF：直径≤8mm，含碳量≥95%，拉伸强度≥3500MPa，拉伸模量≥210GPa，电阻率为1.0~1.6Ω•cm。。
SF：长度为6mm。
MWCNTs：纯度>95%，直径为10~20nm，比表面积为320m2/g，密度为2.1g/cm3。
CB：纯度≥95%，灼烧残渣≤0.15%，颗粒度≤30um，筛余度≤5%。
配比表如下表所示（以水泥质量为单位1）：
制备步骤：
（1）在烧杯中加入水泥质量80% 的60℃的水，将水泥质量0.6%的分散剂（羟乙基纤维素）缓慢地加入水中，搅拌至充分溶解，按比例加入CF并搅拌均匀，形成CF混合物。
（2）在搅拌机中加入水泥、水泥质量133%的砂和水泥质量247%的石子，按比例将称取好的CB、SF、MWCNTs倒入搅拌机中干拌3min。
（3）将步骤（1）制得的CF混合物、水泥质量0.4%的减水剂加入搅拌机中搅拌3min。
（4）将步骤（3）所得产物在100×100×400mm3的模具中成型，在振动台上振捣，并插入铜网，24h后脱模，在标准养护箱中养护28d。
电阻率检测：养护过程及荷载过程监测电阻率，采用二电极法测量试块的电阻，计算体积电阻率大小。
弯敏性试验：采用三点加载，加载方式微机控制（0.1MPa/s），通过交流电桥实时记录电阻，通过DH3818静态应变仪每隔5s记录一次挠度和荷载。
如图1所示，电阻率随养护龄期的增长呈缓慢增加趋势，原因是水化过程主要集中于养护早期阶段，随着养护时间的增长，水化反应逐渐减缓；而且功能填料的掺入已形成稳定的导电网络，水泥水化对孔隙结构影响大，但对导电网络的影响很小。实施例1~9的弯敏混凝土养护28d的电阻率分别为10810Ω•cm、14677Ω•cm、12505Ω•cm、2891Ω•cm、3891Ω•cm、4928Ω•cm、1281Ω•cm、888Ω•cm、2278Ω•cm，显著低于干燥状态下普通混凝土电阻率（约105~107Ω•cm），具有良好的导电能力。
如图2所示，实施例1~9的弯敏混凝土的开裂荷载分别为4.59KN、5.37KN、4.12KN、4.71KN、5.24KN、4.6KN、3.4KN、4.25KN、4.89KN，说明按照本发明的导电功能填料种类和比例掺入混凝土，使之具有较好的抗折强度和荷载能力。
如图3至11所示，实施例1~9的弯敏混凝土在失效前最大电阻变化率分别为59.56%、28.45%、11.36%、47.47%、148%、93.7%、158%、109.6%、82.5%，说明弯阻响应灵敏度高。在受弯状态下挠度和电阻变化率相关系数分别为0.996、0.992、0.993、0.961、0.978、0.961、0.977、0.987、0.997，挠度-电阻变化率拟合结果相关系数均大于0.95，具有很好的相关性，可用作长期监测建筑结构的弯曲荷载情况的传感器。
Claims (9)
1.一种弯敏混凝土，其特征在于，包括水泥和导电功能填料，所述导电功能填料包括碳纤维、钢纤维、多壁碳纳米管、炭黑；所述碳纤维的掺量为水泥质量的0.3~1.2%；所述钢纤维的掺量为水泥质量的2~6%；所述多壁碳纳米管的掺量为水泥质量的0.25~1%；所述炭黑的掺量为水泥质量的1~4%；所述导电功能填料在形成完整导电网络，降低电阻率，提高受弯过程中电阻最大变化率。
2.如权利要求1所述的弯敏混凝土，其特征在于，所述弯敏混凝土的开裂荷载为3.4~5.37KN，电阻率为888~14677Ω•cm，受弯过程电阻最大变化率为11.36~158%。
3.如权利要求1所述的弯敏混凝土，其特征在于，所述碳纤维的直径≤8mm，含碳量≥95%，拉伸强度≥3500MPa。
4.如权利要求1所述的弯敏混凝土，其特征在于，所述多壁碳纳米管的直径为10~20nm。
5.一种如权利要求1所述的弯敏混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在烧杯中加入温水，将分散剂缓慢加入水中，搅拌至充分溶解，再加入碳纤维搅拌均匀，形成碳纤维混合物；
（2）在搅拌机中加入水泥、砂和石子，再加入钢纤维、多壁碳纳米管、炭黑，搅拌机干拌均匀；
（3）将步骤（1）制得的碳纤维混合物和减水剂加入搅拌机中搅拌均匀；
（4）将步骤（3）所得产物浇筑成型，在振动台上振捣，并插入铜网，脱模后养护，得到弯敏混凝土。
6.如权利要求4所述的弯敏混凝土，其特征在于，所述步骤（1）中的水温为60℃，水量为水泥质量的80%；分散剂为羟乙基纤维素，加入量为水泥质量的0.6%。
7.如权利要求4所述的弯敏混凝土，其特征在于，所述步骤（2）中砂的加入量为水泥质量的133%；石子的加入量为水泥质量的247%；所述步骤（3）中减水剂的加入量为水泥质量的0.4%。
8.如权利要求4所述的弯敏混凝土，其特征在于，所述步骤（2）中干拌时间为3min；所述步骤（3）中的搅拌时间为3min。
9.如权利要求4所述的弯敏混凝土，其特征在于，所述步骤（4）中的养护时间为28天。
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| Title |
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| 衡震: ""智能混凝土开裂自监测性能及温湿度的影响"", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士) 工程科技Ⅱ辑(月刊)》, no. 05, 15 May 2018 (2018-05-15), pages 038 - 254 * |
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|---|---|---|---|---|
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