CN112010601A

CN112010601A - 一种具有高灵敏度的压-阻效应混凝土及制备方法

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Publication number: CN112010601A
Application number: CN202010823654.XA
Authority: CN
Inventors: 孙亚飞; 周天舒; 吴发红; 彭月月; 刘宏伟; 李隽�
Original assignee: Yancheng Institute of Technology
Current assignee: Yancheng Institute of Technology
Priority date: 2020-08-17
Filing date: 2020-08-17
Publication date: 2020-12-01

Abstract

本发明提供了具有高灵敏度的压‑阻效应混凝土，所述压‑阻效应混凝土以碳纤维、钢纤维、多壁碳纳米管、石墨烯纳米片为功能填料进行制备，通过多种功能填料的复掺，完善了导电网络，从而提高压‑阻响应灵敏度。以硅酸盐水泥的重量为100份计，所述具有高灵敏度的压‑阻效应混凝土，还包含碳纤维0.6‑1.8份、钢纤维2‑6份、多壁碳纳米管0.25‑1份、石墨烯纳米片0‑0.05份。通过改变填料的掺量，提供了一系列压‑阻效应混凝土材料，至少在16MPa荷载作用下电阻率变化率不少于4%。在5、10、20、30KN/min的加载速率下电阻率变化率能保持稳定性与重复性。

Description

一种具有高灵敏度的压-阻效应混凝土及制备方法

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，具体涉及一种具有高灵敏度的压-阻效应混凝土。本发明还进一步涉及所述混凝土的制备方法。

背景技术

当前，随着建筑和基础设施的大型化，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。在土木工程领域，目前常用的结构监测方法是在结构中安装传感器，由传感器接收到力学变化从而转换为电信号，再经由电信号分析得到结构健康状况，常用的传感器包括应变传感器、应变计、光导纤维等。但是该类传感器结构复杂，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。因此，开发出与水泥基材料相容性好，能够长期使用，且性能稳定的结构健康监测元件已成为一种迫切需要。

在混凝土中掺入一定量的功能填料不仅可以通过“桥连”作用等抑制微裂缝的开展，而且可赋予混凝土其他的功能特性，如压阻特性。混凝土的压阻特性实际上是一种应变-电阻效应，当材料受到垂直方向的加载时，裂缝开始闭合并被压实，功能填料间的势垒减小，对应着电阻减小的过程。压阻材料在建筑结构与道面远程监测、道路双黄线警示、车辆超载检测等领域具有广阔地应用前景。

压-阻混凝土是一种由粘结剂、导电材料、骨料与水等组成的非均质材料。在干燥状态下，普通混凝土电阻率约处于10⁴~10⁷Ω·cm范围内，而压-阻混凝土的电阻率可达到1000Ω·cm以下，由于其具有智能特性，可广泛应用于智能建筑、健康监测、灾害防治等领域。混凝土一般处于含水状态，即非饱和状态。纯水本身不是导体，但存在于混凝土孔隙中的水溶解了一定的可溶性水化产物及杂质盐，电离产生了大量可自由移动的阴阳离子，为混凝土导电提供了重要的载流子。为了将普通混凝土转化为压-阻混凝土，通常在制备过程中添加导电外掺料。通过掺加导电功能填料，使其均匀分散在基体中形成致密的导电网络，从而得到电阻率稳定且功能性好的压-阻混凝土。并不是导电性越好的材料越适合用来做功能填料，除了拥有良好的导电性外，部分代替骨料的功能填料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。

压-阻混凝土的功能填料按材料属性可分为无机非金属材料与金属材料等，按材料性状可分为纤维状填充物、微纳米颗粒状填充物等，功能填料的种类和掺量是影响导电性和压敏性的重要因素。由于传统导电材料成分存在某些特性，压阻混凝土易发生力、长期性能和造价等方面问题。例如，钢纤维（Steel Fiber，简称SF）在碱性环境下会钝化，从而提高电阻率，过多的炭黑（Carbon Black，简称CB）掺入会降低导电水泥基材料力学性能。多壁碳纳米管（MWCNTs）价格较为高昂、分散程度低、易在水泥基中团聚，不易形成导电网络，此外因纳米材料的高比表面积及强吸附性，大大降低了材料的和易性。

不连续的碳纤维（Carbon Fiber，简称CF）是增强压-阻混凝土感应能力的有效掺合材料。CF不溶于水，本身性质稳定，在水泥基材料中不与其他物质发生化学反应，但存在着不易分散且容易发生团簇现象的缺点。研究表明，CF比表面积大，会吸附浆体中的自由水，造成浆体和易性差。在水泥浆体中掺0%、0.4%、0.8%、1.2%的CF以研究对净浆流动度的影响，结果如图1所示。在混凝土中掺0、0.4%、0.8%、1.6%、3.2%的CF以研究对混凝土抗压强度的影响，结果如图2所示。在图1中，随着CF掺量上升，水泥浆体流动呈下降趋势。当CF掺量为0时（对比试样），水泥浆体流动性最好，此时流动度为23.4mm。当CF掺量分别0.4%、0.8%、1.2%时，与对比试样相比，流动性分别降低9%、24.4%、53.4%。在图2中，当CF掺量为0%（空白组）、0.4%、0.8%、1.6%、3.2%时，28d抗压强度分别为41.2MPa、38.2MPa、37.8MPa、35.6MPa、32.3MPa，与空白组相比，分别下降了7.3%、8.3%、13.6%、21.6%。CF不溶与水，分散困难，易发生团簇现象并引进气体，在基体中产生微裂纹。

纳米石墨烯片（Nano Graphene Piles，简称NGPs）是目前公认得电阻率最小材料，NGPs是由碳原子通过sp²杂化轨道组成的苯六环状晶格结构。独特的二维纳米晶体结构赋予了NGPs稳定的结构状态和优异的的导电性能（≤10^-6Ω·cm）、热学性能，同时，具有表面尺寸效应、量子霍尔效应、宏观量子隧道效应、库仑堵塞与量子遂穿效应及介电限域效应等纳米材料特性。近年来，国内外诸多学者针对石墨烯纳米片（NGPs）及氧化石墨烯（rGO）在水泥基材料中应用开展了研究，研究结果表明，NGPs因其独特的平面褶皱结构与超大的比表面积，能够大量吸附基体中自由水分子，与附着在NGPs上的未水化水泥颗粒发生反应，形成块状晶体结构，从而提高力学性能。将其复掺于压-电混凝土中以达到降低电阻率，提高压阻响应灵敏度目的。但是该材料价格昂贵，导致混凝土的生产成本过高。

针对现有技术的研究情况，因此还有必要进一步对压-阻混凝土功能填料进行研究，以完善导电网络，提高压-阻响应灵敏度。

发明内容

为了解决现有技术中的缺陷，本发明目的在于提供具有高灵敏度的压-阻效应混凝土，所述压-阻效应混凝土以碳纤维、钢纤维、多壁碳纳米管、石墨烯纳米片为功能填料进行制备，通过多种功能填料的复掺，完善了导电网络，从而提高压-阻响应灵敏度。

为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：一种具有高灵敏度的压-阻效应混凝土：以硅酸盐水泥的重量为100份计，还包含碳纤维0.6-1.8份、钢纤维2-6份、多壁碳纳米管0.25-1份、石墨烯纳米片0-0.05份。

作为一种优选的实施方式，以硅酸盐水泥的重量为100份计，还包含碳纤维1-1.5份、钢纤维4-6份、多壁碳纳米管0.5-1份、石墨烯纳米片0.01-0.03份。

作为一种最优选的实施方式，以硅酸盐水泥的重量为100份计，还包含碳纤维1.2份、钢纤维4份、多壁碳纳米管1份、石墨烯纳米片0.03份。

进一步的，所述压-阻效应混凝土还包含减水剂、分散剂、砂、石子和硅灰。

作为可以优选的实施方式，所述减水剂选自由木质素减水剂、三聚氰胺减水剂、萘系减水剂、聚羧酸减水剂组成的组中的一种或多种。

作为可以优选的实施方式，所述分散剂选自由六偏磷酸钠分散剂、十二烷基苯磺酸钠分散剂、聚丙烯酰胺分散剂组成的组中的一种或多种。

作为可以优选的实施方式，以硅酸盐水泥的重量为100份计，包含所述减水剂0.4-0.8份，所述分散剂0.3-0.9份，所述砂120-300份，所述石子120-300份，所述硅灰5-15份。

作为一种最优选的实施方式，以硅酸盐水泥的重量为100份计，包含所述减水剂0.6份，所述分散剂0.6份，所述砂200份，所述石子213份，所述硅灰10份。

作为一种优选的实施方式，所述压-阻效应混凝土的水胶比为0.55-0.75。作为更优选的示例，所述压-阻效应混凝土的水胶比为0.75。

作为一种优选的实施方式，所述压-阻效应混凝土的胶砂比为0.83、砂率为36%。

本发明的另一个目的是提供了一种所述具有高灵敏度的压-阻效应混凝土的制备方法，在容器中加入称取好的60℃的水，将分散剂缓慢地加入水中，搅拌至充分溶解，在容器中加入CF并搅拌均匀得分散液；在搅拌锅中加入硅酸盐水泥、砂、硅灰经超声分散，加入MWCNTs，通过搅拌机使之搅拌均匀，加入已搅拌均匀的分散液和分散好的NGPs溶液继续搅拌，先慢搅2.5min，加石子后慢搅30s，再加入SF慢搅30s，快搅30s，停90s，再快速搅拌30s。在100×100×100mm³的模具中成型，在振动台上振捣，并插入90×120mm²的铜网作为测量电阻的电极，24h后脱模，在养护箱中养护28天，即得。

本发明以CF、MWCNTs、SF及NGPs等功能填料制备出一系列电阻率低、压阻响应灵敏度好的压-阻效应混凝土。压敏性测试结果表明，压-阻效应混凝土在16MPa荷载作用下电阻率变化率至少不少于4%。在5、10、20、30KN/min的加载速率下电阻率变化率能保持稳定性与重复性。不同加载幅值下压-阻混凝土电阻率灵敏度高达74.9%，不同加载速率下压-阻混凝土电阻率灵敏度高达46.8%。

本发明有益的技术效果是：

（1）、本发明的压-阻效应混凝土具有良好的导电能力。

（2）、本发明的压-阻效应混凝土在荷载作用下电阻率变化率基本上不少于4%，荷载与电阻率变化率具有良好的对应关系，且能保持稳定性与重复性，能广泛适用重要的结构部件。

（3）、本发明的压-阻效应混凝土制备工艺简单，成形方便，其28天抗压强度均超过现行《混凝土结构设计规范》中C40混凝土所对应的抗压强度值。

（4）、本发明的压-阻效应混凝土具有较高的灵敏度。

附图说明

图1 是现有研究中掺CF水泥浆体流动度测定值图。

图2是现有研究中掺CF混凝土抗压强度测定值图。

图3是本发明实施例A1-A9所获得压-阻效应混凝土的电阻率图。

图4是本发明实施例A1所获得压-阻效应混凝土在不同的加载幅值下的电阻变化率图。

图5是本发明实施例A2所获得压-阻效应混凝土在不同的加载幅值下的电阻变化率图。

图6是本发明实施例A3所获得压-阻效应混凝土在不同的加载幅值下的电阻变化率图。

图7是本发明实施例A4所获得压-阻效应混凝土在不同的加载幅值下的电阻变化率图。

图8是本发明实施例A5所获得压-阻效应混凝土在不同的加载幅值下的电阻变化率图。

图9是本发明实施例A6所获得压-阻效应混凝土在不同的加载幅值下的电阻变化率图。

图10是本发明实施例A7所获得压-阻效应混凝土在不同的加载幅值下的电阻变化率图。

图11是本发明实施例A8所获得压-阻效应混凝土在不同的加载幅值下的电阻变化率图。

图12是本发明实施例A9所获得压-阻效应混凝土在不同的加载幅值下的电阻变化率图。

图13是本发明实施例A1所获得压-阻效应混凝土在不同的加载速率下的电阻变化率图。

图14是本发明实施例A2所获得压-阻效应混凝土在不同的加载速率下的电阻变化率图。

图15是本发明实施例A3所获得压-阻效应混凝土在不同的加载速率下的电阻变化率图。

图16是本发明实施例A4所获得压-阻效应混凝土在不同的加载速率下的电阻变化率图。

图17是本发明实施例A5所获得压-阻效应混凝土在不同的加载速率下的电阻变化率图。

图18是本发明实施例A6所获得压-阻效应混凝土在不同的加载速率下的电阻变化率图。

图19是本发明实施例A7所获得压-阻效应混凝土在不同的加载速率下的电阻变化率图。

图20是本发明实施例A8所获得压-阻效应混凝土在不同的加载速率下的电阻变化率图。

图21是本发明实施例A9所获得压-阻效应混凝土在不同的加载速率下的电阻变化率图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

1.1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。

硅灰性能指数如下：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%。

石墨烯纳米片（NGPs）性能指标如下：纯度达>99.5%，直径为5-10µm，厚度为0.4-20nm，层数为1-5层，密度为0.23g/cm³，体积电阻率4×10^-4 Ω·cm。

碳纤维（CF）性能指标如下：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。

多壁碳纳米管（MWCNTs）性能指标如下：纯度>95%，直径为10-20nm，比表面积为320m²/g，密度为2.1g/cm³。

钢纤维（SF）性能指标如下：长度为6mm。

1.2实施例A1-A9的组分以及配比如表1所示：

表1：配合比

（以硅酸盐水泥质量为单位1，其他材料以与硅酸盐水泥重量比计）

1.3制备方法和加载方式：

在容器中加入称取好的60℃的水，将分散剂缓慢地加入水中，搅拌至充分溶解，在容器中加入CF并搅拌均匀得分散液；在搅拌锅中加入硅酸盐水泥、砂、硅灰，加入MWCNTs，通过搅拌机使之搅拌均匀，加入已搅拌均匀的分散液和分散好的NGPs溶液继续搅拌，先慢搅2.5min，加石子后慢搅30s，再加入SF慢搅30s，快搅30s，停90s，再快速搅拌30s。在100×100×100mm³的模具中成型，在振动台上振捣，并插入90×120mm²的铜网作为测量电阻的电极，24h后脱模，在养护箱中养护28d。

在不同的加载幅值下，电阻变化率测试方法为：以同样的速率（5MPa/min）加载到不同幅值（2、4、8与16MPa），再以相同的速率归零。同时每隔5s记录一次电阻以及荷载和应变，测试所用仪器为DH3818静态应变仪。

在不同的加载速率下，压敏性测试方法为：以不同加载速率（5、10、20与30KN/min）加载到100KN，再以相同的速率归零。

1.4性能与结果

本发明实施例A1-A9的电阻率测试结果如图3所示，数值结果列于下表2：

表2：电阻率（Ω·cm）

从上述测试结果可以看出，本发明中的压-阻效应混凝土具有良好的导电能力。

本发明实施例A1-A9中不同加载幅值下压-阻混凝土电阻率变化率的测试图分别如图4-图12所示，具体的结果参数如下表3所示：

表3：不同加载幅值下压-阻效应混凝土电阻变化率

从表3的测试结果可以看出，本发明中的压-阻效应混凝土，在16MPa荷载作用下电阻率变化率不少于4%。从图4-图12的图形中可以看出，荷载与电阻变化率具有良好的对应关系。

本发明实施例A1-A9中不同加载速率下压-阻效应混凝土电阻率变化率的测试图分别如图13-图21所示，具体的结果参数如下表4所示：

表4：不同加载速率下压-阻效应混凝土电阻变化率

从表4的测试结果可以看出，本发明中的压-阻效应混凝在不同加载速率下，均表现出明显的压阻响应。从图13-图21的图形中可以看出，荷载与电阻变化率能保持稳定性与重复性。

综上所述，通过本发明制备的压-阻效应混凝土具有良好的导电能力，荷载与电阻率变化率具有良好的对应关系，且能保持稳定性与重复性，且压敏响应灵敏度高。本发明的制备方法通过改变填料的掺量，通过不同性能填料之间的相互配合，提供了一系列压-阻效应混凝土材料，至少在16MPa荷载作用下电阻率变化率不少于4%。在5、10、20、30KN/min的加载速率下电阻率变化率能保持稳定性与重复性。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种具有高灵敏度的压-阻效应混凝土，其特征在于：以硅酸盐水泥的重量为100份计，还包含碳纤维0.6-1.8份、钢纤维2-6份、多壁碳纳米管0.25-1份、石墨烯纳米片0-0.05份。

2.根据权利要求1所述的具有高灵敏度的压-阻效应混凝土，其特征在于：以硅酸盐水泥的重量为100份计，还包含碳纤维1-1.5份、钢纤维4-6份、多壁碳纳米管0.5-1份、石墨烯纳米片0.01-0.03份。

3.根据权利要求1所述的具有高灵敏度的压-阻效应混凝土，其特征在于：以硅酸盐水泥的重量为100份计，还包含碳纤维1.2份、钢纤维4份、多壁碳纳米管1份、石墨烯纳米片0.03份。

4.根据权利要求1所述的具有高灵敏度的压-阻效应混凝土，其特征在于：所述压-阻效应混凝土还包含减水剂、分散剂、砂、石子和硅灰。

5.根据权利要求4所述的具有高灵敏度的压-阻效应混凝土，其特征在于：所述减水剂选自由木质素减水剂、三聚氰胺减水剂、萘系减水剂、聚羧酸减水剂组成的组中的一种或多种；所述分散剂选自由六偏磷酸钠分散剂、十二烷基苯磺酸钠分散剂、聚丙烯酰胺分散剂组成的组中的一种或多种。

6.根据权利要求4所述的具有高灵敏度的压-阻效应混凝土，其特征在于：以硅酸盐水泥的重量为100份计，包含所述减水剂0.4-0.8份，所述分散剂0.3-0.9份，所述砂120-300份，所述石子120-300份，所述硅灰5-15份。

7.根据权利要求6所述的具有高灵敏度的压-阻效应混凝土，其特征在于：以硅酸盐水泥的重量为100份计，包含所述减水剂0.6份，所述分散剂0.6份，所述砂200份，所述石子213份，所述硅灰10份。

8.根据权利要求4所述的具有高灵敏度的压-阻效应混凝土，其特征在于：所述压-阻效应混凝土的水胶比为0.55-0.75。

9.根据权利要求8所述的具有高灵敏度的压-阻效应混凝土，其特征在于：所述压-阻效应混凝土的水胶比为0.75。

10.根据权利要求1-9任一项所述具有高灵敏度的压-阻效应混凝土的制备方法，其特征在于：在容器中加入称取好的60℃的水，将分散剂缓慢地加入水中，搅拌至充分溶解，在容器中加入碳纤维并搅拌均匀得分散液；在搅拌锅中加入硅酸盐水泥、砂、硅灰经超声分散，加入多壁碳纳米管，通过搅拌机使之搅拌均匀，加入已搅拌均匀的分散液和分散好的石墨烯纳米片溶液继续搅拌，先慢搅2.5min，加石子后慢搅30s，再加入钢纤维慢搅30s，快搅30s，停90s，再快速搅拌30s；成型，在振动台上振捣，并插入90×120mm²的铜网作为测量电阻的电极，24h后脱模，在养护箱中养护28天，即得。