CN112268933B - 一种具备多智能特性的混凝土传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种具备多智能特性的混凝土传感器，各组分的配合比按照重量比为水泥：纳米二氧化硅：矿渣：砂：减水剂：消泡剂：三维碳纳米材料水性分散液＝1：(0.05‑0.12)：(0.1‑0.2)：(0.8‑1.2)：(0.02‑0.03)：(0.001‑0.004)：(0.240‑0.284)，其中钢纤维的体积掺量为1.0％至2.0％，超高分子量聚乙烯纤维的体积掺量为0.5％至1.5％。以及提供一种具备多智能特性的混凝土传感器的制备方法。本发明解决了智能混凝土仅作为单一性能传感器以及在负载超过其自身弹性范围或开裂后而导致的感知性能的下降的问题，同时可稳定监测结构的温度、湿度以及负载状态的改变。

Description

一种具备多智能特性的混凝土传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种先进水泥基复合材料领域，具体涉及一种具有多智能特性的混凝土传感器及其制备方法。
背景技术
迄今为止，大多数现役的基础设施都是由混凝土建造而成的。然而，由于混凝土材料的耐久性问题，以及混凝土材料与其所处环境之间的相互作用，导致混凝土材料出现功能性退化。由于缺乏适宜的监测手段，导致未能及时进行维护，致使大量的混凝土结构处于损伤状态，乃至造成结构破坏。因此，凸显了结构损伤评估和健康监测的重要性。
结构的健康监测的传统方法最多的是采用在结构中预埋传感器进行实时监测或采用一系列的检测方法进行定时监测。传统的传感器存在造价高、耐久性差以及与混凝土结构兼容性不好等问题。然而，普通混凝土自身属于电的不良导体。因此，从20世纪初期开始，大量科研人员利用碳纤维、石墨、金属粉和碳纤维等材料制备导电混凝土。这种复合材料是一种多功能智能材料，其既有结构特性，又具备了导电机敏性。因此，智能水泥基复合材料无疑是一种解决上述问题的理想工程材料。
公开号为CN 109987886 A的《一种水泥基传感器原件及其制备方法》根据水泥基传感元件的弹性极限，使混凝土强度与水泥基传感元件抗压强度有着对应关系。这样导致实际使用时需要提前对使用的水泥基传感元件进行选择配比，且很难使水泥基传感器元件与实际工程相对应。公开号为CN 105236850 A的《一种导电活性粉末混凝土及其制备方法和应用》掺入短切特细不锈钢微丝可以提高基体的强度、韧性以及导电能力。但强度以及韧性具体提高的幅度并没有明确说明，且在循环弹性受压荷载的作用下，该发明产品的应变灵敏度系数仅为3.71，与传统金属应变片相比，其增加程度并不明显。公开号为CN105801047A的《一种石墨烯水泥基智能混凝土材料及其制备方法》所引入的石墨烯对混凝土具有增强增韧功能。然而其实施例中抗压强度最高仅为35.4MPa，且并没有具体提到其增韧的效果。公开号为CN109626908A的《一种导电超高延性的水泥基复合材料及其制备方法》所制备的水泥复合材料同时具有超高的导电能力及裂缝控制能力。然而其仅用于路面融雪化冰，并没有提及其有感知能力。
公开号为CN 108439908 A的《一种具有高压敏灵敏度的智能水泥基复合材料》所制备的水泥基复合材料具有稳定且高灵敏度的压敏性，然而仅具备一种压敏性性能。公开号为CN 104089986 A的《一种湿度传感器的制备及检测方法》所制备的湿度传感器能够实时监测混凝土内部的湿度，仅提及该传感器强度高、韧性好，并没有具体的参数指标，而且该传感器仅作为湿度传感器。公开号为CN 102879119 A的《一种复合材料温度传感器及其制作方法》制备了一种碳纤维/纳米碳黑水泥基复合材料温度传感器，该传感器仅具有温敏性能。
综上所述，当前智能水泥基复合材料的主要存在3个方面的问题：(1)在超过智能水泥基复合材料自身的弹性范围时，就不能获取稳定的感知性能；(2)智能水泥基复合材料的强度以及韧性较差，受载容易产生自身的损伤，导致感知性能的下降；(3)现有的智能水泥基复合材料基本上仅具有单一的感知性能，这使得大大提升了工程实际应用的造价。因此，本发明将三维碳纳米材料、超高分子量聚乙烯纤维和微细钢纤维引入传统的水泥基材料，制备一种具备多智能特性的混凝土传感器。
发明内容
为了克服现有技术中的智能混凝土的监测性能单一，且适用的负载范围仅为其基体的弹性范围的不足，本发明提供了一种具备多智能特性的混凝土传感器及其制备方法，通过复掺三维碳纳米材料、超高分子量聚乙烯纤维和钢纤维解决了智能混凝土仅作为单一性能传感器以及在负载超过其自身弹性范围或开裂后而导致的感知性能的下降的问题，同时可稳定监测结构的温度、湿度以及负载状态的改变。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种具备多智能特性的混凝土传感器，包括水泥、纳米二氧化硅、矿渣、三维碳纳米材料水性分散液、减水剂、消泡剂、钢纤维、超高分子量聚乙烯纤维和砂，各组分的配合比按照重量比为水泥：纳米二氧化硅：矿渣：砂：减水剂：消泡剂：三维碳纳米材料水性分散液＝1：(0.05-0.12)：(0.1-0.2)：(0.8-1.2)：(0.02-0.03)：(0.001-0.004)：(0.240-0.284)，其中钢纤维的体积掺量为1.0％至2.0％，超高分子量聚乙烯纤维的体积掺量为0.5％至1.5％。
进一步，所述水泥为52.5普通硅酸盐水泥，所述纳米二氧化硅的粒径20-50nm，纯度高于95％；所述矿渣为S105级粒化高炉矿渣。
再进一步，所述砂为机制砂，采用不同目数范围的机制砂混合而成，20目～40目：40目～100目＝(3.0～2.0)：1.0。
更进一步，所述的钢纤维为螺旋形微细钢纤维，纤维长度为13mm至16mm，直径200μm。
优选地，所述的超高分子量聚乙烯纤维，其弹性模量超过100GPa和拉伸强度3500MPa以上。
所述的三维碳纳米材料由纳米石墨烯和碳纳米管按质量比为4：1合成，是一种三维结构，具体的形态为碳纳米管生长于纳米石墨烯表面上，纯度高于90％，其中碳纳米管的外径为50-80nm，石墨烯直径为3-6μm。
所述的三维碳纳米材料水性分散液的原材料包括三维碳纳米材料、离子型表面活性剂和水，其中，三维碳纳米材料、离子型表面活性剂和水的质量比为(0.008-0.02)：(0.002-0.004)：(0.23-0.26)。
进一步，所述的三维碳纳米材料水性分散液的制备方法为：将离子型表面活性剂加入水中并搅拌均匀，再加入三维碳纳米材料搅拌湿润，随后将该水溶液置于冰水浴中，放于频率为20KHz，功率为600w的超声波处理器中，经过15-25min的超声处理，得到分散均匀的三维碳纳米材料水性分散液。
所述混凝土传感器还包括导电电极，所述导电电极尺寸为35mm×60mm钢网，钢网目数为4-8目和丝径为0.8-1.2mm。
一种具有多智能特性的混凝土传感器的制备方法，将水泥、纳米二氧化硅、矿渣、减水剂、消泡剂混合，在水泥胶砂搅拌机中低速搅拌2～4分钟；接着加入砂，继续中低速干拌2～3分钟；然后加入分散均匀的三维纳米材料水性分散液，进行中低速搅拌2～3分钟和高速搅拌3～4分钟；接着加入纤维，进行中低速搅拌2～3分钟和高速搅拌3～4分钟；最后，将得到搅拌均匀的拌合物浇筑到模具中，按等间距且相邻电极的距离为20-40mm插入导电电极，并进行20-40s的振捣。
所述混凝土传感器适用温度范围为-10℃～60℃，适用湿度范围为混凝土传感器干燥状态至饱水状态，适用受荷状态为拉伸荷载和压缩荷载。
本发明的技术构思为：本发明通过复掺三维碳纳米材料、超高分子量聚乙烯纤维和微细钢纤维制备的智能混凝土拥有超高强度、高韧性以及强感知能力，可以适用于更广的荷载范围以及抵抗荷载变形引起基体损伤。其中，三维碳纳米材料是目前最先进的纳米碳系材料，其具有三维结构，以及纳米碳系材料均具备的高导电能、高弹性模量等，将其作为感知填料，大幅度提高基体的感知特性；超高分子量聚乙烯抗拉强度可达3500MPa，弹性模量达到100GPa以上，极限延伸率为5％，密度0.97g/cm3，具有良好的耐腐蚀性、抗冲击、抗切割性能等，利用其特性可以大大提高基体的韧性；钢纤维的形态为螺旋形，螺旋型微细钢纤维在拔出过程中要经历滑移硬化、基体剥落以及路径破坏等过程，将会吸收大量的能量，产生更高的桥联应力。相较于单一钢纤维或超高分子量聚乙烯纤维的有限的阻裂效果，多种纤维混杂可以获得更好的增强增韧效果，相比单一纤维的性能提升更加全面。在混杂纤维基体中，由于不同纤维之间的混杂可能产生性能互补、工艺互补、经济互补，使得混杂材料之间产生协同效应，从而生产出使用性能、经济效益和社会效益都比较理想的混杂纤维混凝土。
本发明的具有多感知特性的混凝土传感器引入三维碳纳米材料，利用其优异的导电性能以及纳米特性，大幅度提高基体的感知特性。再者通过复掺三维碳纳米材料、超高分子量聚乙烯纤维和螺旋型微细钢纤维保证了基体的力学性能、韧性以及开裂性能，使其在使用过程中，表现出稳定且高灵敏的感知性能。
本发明的有益效果主要表现在：
(1)本发明的智能混凝土传感器具有多感知性能，与传统智能混凝土相比，其可以作为温度、湿度和拉(压)力传感器；
(2)本发明的智能混凝土传感器其自身具备超高强、高韧性的力学性能(抗压强度120MPa，抗拉强度10MPa，拉伸应变高达0.60％，且其早期抗压强度表现优异，1d抗压强度高于60MPa；3d抗压强度高于90MPa)，已有的智能混凝土自身强度较低或需根据工程实况要求的强度进行设计，这使其应用的普遍性得到了很好的提升。
(3)本发明的智能混凝土传感器由于其自身超高强、高韧性的力学性能，以及复掺三维碳纳米材料、超高分子量聚乙烯纤维和钢纤维，与现有的智能混凝土相比，在负载超过其自身弹性范围或大变形开裂后，均可获得稳定的感知性能，更好的适用于超高层建筑、超大跨桥梁等工程的健康监测。
(4)本发明的智能混凝土传感器由于其复掺三维碳纳米材料、超高分子量聚乙烯纤维和钢纤维，与现有的智能混凝土相比，其耐久性大大提升，这使得其应用的场景更加广泛。
附图说明
图1为发明具体实施例的电阻率变化率随压应力和应变的变化曲线图；
图2为发明具体实施例的电阻率变化随不同温度的变化曲线图；
图3为发明具体实施例的电阻率变化随不同含水率的变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图3，一种具备多智能特性的混凝土传感器，该混凝土中的三维碳纳米材料和钢纤维均能有效的降低混凝土的电阻，使得其内部形成良好的导电网络，具有感知性能。同时，复掺三维碳纳米材料、超高分子量聚乙烯纤维和螺旋形微细钢纤维使得混凝土的强度、韧性以及耐久性等大大提升，使其在大变形开裂前后均具有稳定的感知性能。为了更好得理解本发明的内容，下面将对本发明实施例进行全面的描述，但不局限于此。
除特殊说明外，实施例中所使用均为公知、市售的原料，具体为：
普通硅酸盐水泥标号为：PII52.5；
纳米二氧化硅，粒径为20-50nm，纯度高于95％；
S105级粒化高炉矿渣；
机制砂，目数为20-100目；
微细钢纤维，形态为螺旋形，长度为13mm；
超高分子量聚乙烯纤维，弹性模量超过100GPa和拉伸强度3500MPa以上；
三维碳纳米材料由纳米石墨烯和碳纳米管按质量比为4：1合成，纯度高于90％，其中碳纳米管的外径为50-80nm，石墨烯的直径为3-6μm。
钢网导电电极，其目数为4目和丝径为1mm。
实施例1
本实施中所述的具备复合智能特性的混凝土传感器，包括水泥、纳米二氧化硅、矿渣、三维碳纳米材料水性分散液、减水剂、消泡剂、钢纤维、超高分子量聚乙烯纤维、砂和导电电极。各组产品的质量如表1所示：
表1智能混凝土的配合比
本实施例中所述的具备复合感知特性的智能混凝土的制备方法如下：
(1)将分散剂加入水中并搅拌均匀，再加入三维碳纳米材料搅拌湿润，随后将该水溶液置于冰水浴中，放于频率为20KHz，功率为750w的超声波处理器中，采用超声功率为80％，开闭循环分别3s和6s的参数，经过20min的超声处理，得到分散均匀的三维碳纳米材料水性分散液。
(2)将表1所述的水泥、纳米二氧化硅、矿渣、减水剂、消泡剂混合，在水泥胶砂搅拌机中低俗搅拌2～4分钟；接着加入砂子，继续中低速干拌2～3分钟；然后加入(1)分散均匀的三维碳纳米材料水性分散液，进行中低速搅拌2～3分钟和高速搅拌3～4分钟；接着加入钢纤维和超高分子量聚乙烯纤维，进行中低速搅拌2～3分钟和高速搅拌3～4分钟；最后，将得到搅拌均匀的拌合物浇筑到模具中，按等间距且相邻电极的距离为40mm插入导电电极，并进行20-40s的适当振捣。
(3)将成型的试件置于标准养护箱内1d后拆模；最后将拆模后的试件置于20±1℃水中养护至28d以上，即得产品。
性能测试：
对实施例1各组混凝土进行强度、韧性以及智能特性(压敏性能、温敏性能、湿敏性能)测试。
强度试验以及韧性试验均采用标准测试方法。
表2实施例1中产品的实施结果
编号 抗压强度/MPa 拉伸强度/MPa 拉伸应变/％
1-1 122.9 10.5 0.63
1-2 127.3 10.7 0.61
1-3 120.5 10.2 0.60
在电液伺服万能试验机上对实施例1制备而成的混凝土试件进行压敏性能测试。
实施例1中的产品均具有稳定且高的灵敏度。其中，1-1、1-2和1-3组的混凝土产品的应力灵敏系数分别为0.85％/MPa、2.34％/MPa和1.02％/MPa，应变灵敏系数分别为98.0、291.1和105.9，而传统的金属应变片的灵敏系数为2-3。1-1组的压敏性能测试结果如图1所示。
在不同温度下，对实施例1制备而成的混凝土通过四电极法测试方法对其进行电阻率的测试。由图2可知，1-1组混凝土试件的电阻率随着温度的升高而降低。从-10℃至60℃的变化过程中，温度变化导致的电阻率的降低程度十分明显，其中整个过程电阻率降低了88.85％。因此，实际应用中可以根据测得的电阻率，然后通过图2的温度与电阻率的关系，读出测量时刻的温度。1-2组和1-3组因相同的温度变化导致电阻率分别降低了80.91％和91.14％。
在不同湿度条件下，对实施例1制备而成的混凝土通过四电极法测试方法对其进行电阻率的测试。如图3所示，可以明显看到随着含水率的增加，1-1组混凝土传感器的电阻率呈降低的趋势。故，当该产品处于不同环境湿度之中，该产品因外部环境湿度的影响导致其内部含水率的变化，进而引起导电性的差异。因此，可以根据图3给出的电阻率与含水率的关系，通过测试混凝土传感器的电阻率，从而确定测试时的含水率状态，进而获取对应的外部环境湿度。1-2组和1-3组的测试结果同1-1组相似，均具有含水率与传感器本身的电阻率呈负相关。
通过分析实施例1的压敏性能、温敏性能以及湿敏性能的智能特性，实例1混凝土的导电能力和感知能大幅度提高，可稳定监测其自身的温度、湿度以及负载状态的改变。
上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种具备多智能特性的混凝土传感器的制备方法，其特征在于，将水泥、纳米二氧化硅、矿渣、减水剂、消泡剂混合，在水泥胶砂搅拌机中低速搅拌2~4分钟；接着加入砂，继续中低速干拌2~3分钟；然后加入分散均匀的三维纳米材料水性分散液，进行中低速搅拌2~3分钟和高速搅拌3~4分钟；接着加入超高分子量聚乙烯纤维和钢纤维，进行中低速搅拌2~3分钟和高速搅拌3~4分钟；最后，将得到搅拌均匀的拌合物浇筑到模具中，按等间距且相邻电极的距离为20-40mm插入导电电极，并进行20-40s的振捣；
各组分的配合比按照重量比为水泥：纳米二氧化硅：矿渣：砂：减水剂：消泡剂：三维碳纳米材料水性分散液=1：（0.05-0.12）：（0.1-0.2）：（0.8-1.2）：（0.02-0.03）：（0.001-0.004）：（0.240-0.284），其中钢纤维为长度为13 mm至16mm、直径200μm的螺旋形微细钢纤维，钢纤维体积掺量为1.0%至2.0%，砂为20目~40目与40目~100目按照（3.0~2.0）：1.0比例混合而成的机制砂，超高分子量聚乙烯纤维的体积掺量为0.5%至1.5%；
所述水泥为52.5普通硅酸盐水泥，所述纳米二氧化硅的粒径20-50nm，纯度高于95%；所述矿渣为S105级粒化高炉矿渣；
所述的超高分子量聚乙烯纤维，其弹性模量超过100GPa和拉伸强度3500MPa以上；
所述的三维碳纳米材料由纳米石墨烯和碳纳米管按质量比为4：1合成，是一种三维结构，具体的形态为碳纳米管生长于纳米石墨烯表面上，纯度高于90%，其中碳纳米管的外径为50-80nm，石墨烯直径为3-6μm；
所述的三维碳纳米材料水性分散液的原材料包括三维碳纳米材料、离子型表面活性剂和水，其中，三维碳纳米材料、离子型表面活性剂和水的质量比为（0.008-0.02）：（0.002-0.004）：（0.23-0.26）；
所述的三维碳纳米材料水性分散液的制备方法为：将离子型表面活性剂加入水中并搅拌均匀，再加入三维碳纳米材料搅拌湿润，随后将水溶液置于冰水浴中，放于频率为20KHz，功率为600w的超声波处理器中，经过15-25min 的超声处理，得到分散均匀的三维碳纳米材料水性分散液。
2.如权利要求1所述的一种具备多智能特性的混凝土传感器的制备方法，其特征在于，所述混凝土传感器还包括导电电极，所述导电电极尺寸为35mm×60mm钢网，钢网目数为4-8目和丝径为0.8-1.2mm。
3.如权利要求1所述的一种具备多智能特性的混凝土传感器的制备方法，其特征在于，所述混凝土传感器适用温度范围为-10℃~60℃，适用湿度范围为混凝土传感器干燥状态至饱水状态，适用受荷状态为拉伸荷载和压缩荷载。
4.一种具备多智能特性的混凝土传感器，其特征在于，所述混凝土传感器使用如权利要求1所述的具备多智能特性的混凝土传感器的制备方法制备得到。
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