CN112341078A - 一种基于超声震荡分散技术的复相导电混凝土及制备方法 - Google Patents

一种基于超声震荡分散技术的复相导电混凝土及制备方法 Download PDF

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CN112341078A CN202011178273.7A CN202011178273A CN112341078A CN 112341078 A CN112341078 A CN 112341078A CN 202011178273 A CN202011178273 A CN 202011178273A CN 112341078 A CN112341078 A CN 112341078A
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Abstract

本发明的目的是提供一种基于超声震荡分散技术的智能复相导电混凝土及制备方法。该方法选用工业生产中产生的钢渣、高炉矿渣，设计不同的比例取代水泥，同时以2％为一个梯度，加入石墨粉以增强混凝土导电性。同时，该混凝土在配置时采用超声震荡分散技术，先对石墨进行表面活化处理并进行超声震荡，加入水和外加剂制成混合溶液，将混合溶液分两次倒入干料中，分别进行搅拌和震荡，使各微粒均匀分散形成性能良好的导电网络，最终得到的复相混凝土既可以满足智能监测的导电性能，也保证了其优秀的力学性能。

Description

一种基于超声震荡分散技术的复相导电混凝土及制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，具体来说，是涉及一种基于超声震荡分散技术的智能石墨- 钢渣-矿渣复相导电混凝土及其制备方法。
背景技术
水泥基混凝土是以硅酸盐水泥为基体，加入填料、化学助剂和水，经复合工艺形成的复合材料，其具有良好的力学性能，工作性能，和较低的成本，是土木工程领域最常用的建筑材料。随着施工技术的不断发展，大跨度结构和复杂结构建筑日益增多，结构在极端环境下或长期使用的环境下会产生破裂或降解，导致严重的危害。因此常对结构进行健康智能监测，这就对混凝土的导电性能提出了一定要求，因此近年来已经研究出了多种加入不同导电填料的导电混凝土。
石墨是一种良好的导电材料，加入混凝土后可以显著改善电阻，可以保证压电智能监测的准确性，因此以石墨为导电填料的导电混凝土被发明出来，但是少量的石墨粉并不能形成良好的导电网络，必须加入较高含量的石墨粉才能达到预期的导电效果，而由于石墨晶体微观界面较为光滑，减小了微观骨料与水化产物界面的摩擦力，随着石墨含量的增加，混凝土的抗压性能呈线性降低趋势，因此大量加入石墨粉的导电混凝土的力学性能不能满足工程需要，且石墨价格较高，在大型建筑结构中实用加入石墨的混凝土会大幅提高工程造价，因此不具备广泛推广的价值。
金属材料也是电的良导体，且具有较好的抗压性能，因此加入不同种类的金属渣的导电混凝土也是近年来导电混凝土的重点研究对象，其中最常见的加入钢渣，由于在钢铁的锻造过程中会产生大量的钢渣，将钢渣收集并磨碎后以一定比例加入混凝土中可以得到力学性能优良的导电混凝土，且造价低廉。但是金属的腐蚀会使混凝土的压阻效应受到影响，因此导电性能不及加入石墨的导电混凝土。
加入其他种类金属材料渣，矿渣等填料的导电混凝土也在被大量地研究和试验，但都很难平衡导电性能、力学性能、造价三方面的关系，因此需要发明一种复合导电混凝土及其制备方法，能最大限度地利用填料的导电性能和力学性能，同时造价低廉，可以应用于实际工程的导电混凝土。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超声震荡分散技术的智能石墨-钢渣-矿渣复相导电混凝土及其制备方法。该方法选用工业生产中产生的钢渣、高炉矿渣，设计不同的比例取代水泥，同时以2％为一个梯度，加入石墨粉以增强混凝土导电性，石墨，高炉矿渣和矿渣复相混凝土既可以满足智能监测的导电性能，也保证了其优秀的力学性能。同时，该混凝土在配置时采用超声震荡分散技术(如图3超声震荡装置)，先对石墨进行表面活化处理并进行超声震荡，加入水和外加剂制成混合溶液，将混合溶液分两次倒入干料中，分别进行搅拌和震荡，使各微粒均匀分散形成性能良好的导电网络，得到混凝土样品，对样品进行轴心抗压强度检测并利用四电极法进行导电性能检测，最终得到最理想的复相导电混凝土的配合比。
本发明的技术解决方案为：
一种基于超声震荡分散技术的智能石墨-钢渣-矿渣复相导电混凝土及其制备方法，按重量份数计，混凝土的组成和含量分别为：
普通硅酸盐水泥1份；
粗骨料：4.0-5.0份；
河砂：2.5-3.3份；
水：0.6-0.85份；
高效减水剂：0.003-0.006份；
钢渣(SS):0.30-0.45份；
高炉矿渣(GGBS)：0.1-0.4份；
石墨粉(GP)：0.04-0.08份；
进一步地，一种基于超声震荡分散技术的智能石墨-钢渣-矿渣复相导电混凝土及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(1)按重量份数计，将上述原料分成三组，第一组为，石墨粉(GP)：0.04-0.08份(石墨粉成份见表1)，第二组为水0.60-0.85份和高效减水剂0.003-0.006份，第三组为普通硅酸盐水泥1份，粗骨料4.0-5.0份，河砂2.5-3.3份，钢渣(SS)0.30-0.45份(钢渣成份见表2)，高炉矿渣(GGBS)0.1-0.4份(矿渣性能见表3)。
表1石墨成份表
成份 碳 灰分 挥发份 硫 水分
含量 98.5％ 0.9％ 0.6 0.05 2
表2钢渣成份表
成份 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> CaO MgO Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
含量 15.32％ 3.8％ 30.12％ 16％ 33.24％
表3矿渣的性能检验表
Figure RE-GDA0002893692260000021
Figure RE-GDA0002893692260000031
(2)将第一组加入到丙醇溶液中静置1小时，并在105℃的环境下烘干，进行表面活性处理。
(3)将如(2)所述的活化处理后的石墨加入200ml乙醇溶液中制成悬浊液，将悬浊液置于超声波振动器中，用20KHz的振动频率，400W功率进行震荡处理，在震荡至第5分钟时逐次滴入偶联剂0.002-0.004份，在震荡至10分钟时均匀滴加0-0.008份分散剂，继续震荡第20分钟停止，每震荡2秒静止5秒来让溶液保持在室温(20-25摄氏度左右)，避免受热导致的团聚作用。
(4)将满足水灰比的第二组原料加入如(3)所述的悬浊液中进行二次搅拌形成混合溶液。
(5)将第三组原料的干料搅拌5分钟，将如(4)所述的混合液的一半加入到干料进行 80秒的搅拌，接着进行200秒的震荡，放入另一半混合溶液，进行80秒搅拌，最后振动台振动30秒制备成导电混凝土。
进一步地，所述混凝土的力学性能采用立方体轴心抗压强度试验和抗折试验(如附图6) 测定，导电性能需将新拌混凝土制成100mm*100mm*400mm的试块并等距插入4个电极，采用四电极法进行测定(如附图5)。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用石墨-钢渣-矿渣三项辅掺的工艺，可以充分利用石墨良好的导电性能，有效降低混凝土电阻，显著增强混凝土压阻效应的敏感程度，达到智能检测的效果；钢渣的主要成分是铁的氧化物，本身具有较好的耐磨性，耐久性以及金属导电性，可利用这些特性应用于融化路面积雪、地面采暖、建筑内部结构自监测等；粒化高炉矿渣的化学成分类似于普通硅酸盐水泥，具有潜在的水硬性，物理特性类似于天然砂，是优质的混凝土掺合料。将这三种填料按照一定比例掺和，最终得到的智能导电混凝土的导电性能和力学性能均能满足工程需求，极好地解决了现有技术中存在的问题。
(2)本发明所选用的钢渣和高炉矿渣均为工业生产中大量产生的工业废料，尤其是高炉矿渣，常采用填埋处理，将工业废料利用在混凝土中可以实现材料回收和资源再利用，且可以大幅降低导电混凝土成本。
(3)本发明所述的智能复相导电混凝土在制备过程中，采用超声震荡分散技术，将石墨先乳化成悬浊液，再制成混合溶液，分两次加入干料中，不断进行振捣和超声震荡，使导电粒子均匀分散并和周围微粒充分结合，形成导电网络，可最大限度地发挥材料的导电性能。
附图说明
图1为本发明钢渣(SS)的SEM图；
图2为本发明石墨(GP)的SEM图像；
图3为本发明超声震荡装置图像；
图4为本发明导电性能四极法测试示意图；
图5为本发明导电性能四极法测试示意图；
图6为本发明力学试验测试图；
图7为本发明导电混凝土制备流程图。
图8为本发明实施例1力学破坏图像，左为抗压试验破坏图，右为抗折试验破坏图。
图9为本发明实施例1力学破坏图像，左为抗压试验破坏图，右为抗折试验破坏图。
图10为本发明实施例1力学破坏图像，左为抗压试验破坏图，右为抗折试验破坏图。
图11为本发明实施例3的SEM图像，图中GP为石墨，SS为钢渣，GGBS为高炉矿渣， C-S-H为水化物。
图12为本发明实施例4力学破坏图像，左为抗压试验破坏图，右为抗折试验破坏图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图进一步解释本发明。发明流程图见图7(混凝土制备流程图)。
一种基于超声震荡分散技术的智能石墨-钢渣-矿渣复相导电混凝土及其制备方法，按重量份数计，混凝土的组成和含量分别为：
普通硅酸盐水泥1份；
粗骨料：4.0-5.0份；
河砂：2.5-3.3份；
水：0.6-0.85份；
高效减水剂：0.003-0.006份；
钢渣(SS):0.30-0.45份；
高炉矿渣(GGBS)：0.1-0.4份；
石墨粉(GP)：0.04-0.08份
所述石墨粉呈黑色粉末状，规格为200目，纯度为99％，松装密度为0.33g/ml，水分为 0.35％，层间距为0.3355nm，产品检测合格。
所述钢渣呈粉状，Fe2O3含量为16.28％，CaO含量为31.49％，MgO含量为13.83％，Al2O3 含量为5.71％，SiO2含量为14.6％。
所述高炉矿渣呈粉状，Fe2O3含量为0.71％，CaO含量为37.14％，MgO含量为8.51％， Al2O3含量为15.76％，SiO2含量为33.21％，TiO2含量为1.91％。7天活性指数为90％，28 天活性指数为99％，流动度比为96％，含水量为0.2％，密度为2.84g/cm3，比表面积为472m2/kg，三氧化硫含量为2.7％，铁烧失量为-0.4％，氯离子含量为0.02％，内照射指数为0.4，外照射指数为0.6，上述参数均满足国家标准。
本发明一种基于超声震荡分散技术的智能石墨-钢渣-矿渣复相导电混凝土及其制备方法包括以下步骤：
(1)按重量份数计，将上述原料分成三组，第一组为，石墨粉(GP)：0.04-0.08份，第二组为水0.60-0.85份和高效减水剂0.003-0.006份，第三组为普通硅酸盐水泥1份，粗骨料4.0-5.0份，河砂2.5-3.3份，钢渣(SS)0.30-0.45份，高炉矿渣(GGBS)，0.1-0.4份。
(2)将第一组加入到丙醇溶液中静置1小时，并在105℃的环境下烘干，进行表面活性处理。
(3)将如(2)所述的活化处理后的石墨加入200ml乙醇溶液中制成悬浊液，将悬浊液置于超声波振动器中，用20KHz的振动频率，400W功率进行震荡处理，在震荡至第5分钟时逐次滴入偶联剂0.002-0.004份，在震荡至10分钟时均匀滴加0-0.008份分散剂，继续震荡第20分钟停止，每震荡2秒静止5秒来让溶液保持在室温(20-25摄氏度左右)，避免受热导致的团聚作用。
(4)将满足水灰比的第二组原料加入如(3)所述的悬浊液中进行二次搅拌形成混合溶液
(5)将第三组原料的干料搅拌5分钟，将如(4)所述的混合液的一半加入到干料进行 80秒的搅拌，接着进行200秒的震荡，放入另一半混合溶液，进行80秒搅拌，最后振动台振动30秒制备成导电混凝土。
导电性能测试：将新拌混凝土制成100mm*100mm*400mm的试块并等距插入4个电极，采用四电极法测定其7天、14天、21天和28天导电率。
试验采用四极法分别测试试件7d、14d、21d和28d的电阻率来反映混凝土的导电性能，在试件中平行等距预埋尺寸40mm×40mm的金属网片，金属网片上连接有导线。采用两台型号为VC86E的数字万用表分别测试混凝土试件的电压和电流。采用可调稳流变压器和整流器将实验室220V交流电转化为低压直流电，对混凝土试件外加电压，使电压值和电流值达到仪器可测范围，混凝土电阻率计算公式如下：
Figure RE-GDA0002893692260000061
其中：p—电阻率，Ω·m
U—电压，V
I—电流，A
A—试件横截面积，m2
L—电极间的距离，m
力学性能采用立方体轴心抗压强度与抗弯强度试验测定其7天、14天和28天强度
试件养护28天以后，开始进入加载程序，测定混凝土的抗压强度和抗折强度。
抗压实验：参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-200)，在建筑工程学院土木工程材料实验室混凝土万能压力机上进行；
抗压强度计算：
Figure RE-GDA0002893692260000062
式中：
σ—砼试块抗压强度(MPa)；
F—试件破坏荷载(N)；
A—试件承压面积(mm2)。
实验步骤如下：
①试件放置在试验机前，将试件表面与上、下承压板面擦拭干净。
②以试件成型时的侧面为承压面，将试件安放在试验机的下压板或垫板上，试件的中心与试验机下压板中心对准。
③启动试验机，试件表面与上、下承压板或钢垫板应均匀接触。
④试验过程连续均匀加载，加荷速度取0.5Mpa/s。
抗折实验：
抗折强度计算：
Figure RE-GDA0002893692260000063
式中：
ft—砼试块抗折强度(Mpa)，计算结果应精确至0.1Mpa；
F—试件破坏荷载(N)；
l—支座间跨度(mm)；
b—试件截面宽度(mm)；
h—试件截面高度(mm)。
跨径l取300mm，试件截面宽度和试件截面高度取100mm。
实施例1
本实施例基于超声震荡分散技术的智能石墨-钢渣-矿渣复相导电混凝土及其制备方法，按重量份数计，混凝土的组成含量分别为：
普通硅酸盐水泥：1.0份；
粗骨料：4.14份；
河砂：2.81份；
水：0.71份；
高效减水剂：0.0045份；
钢渣(SS):0.32份；
高炉矿渣(GGBS)：0.11份；
石墨粉(GP)：0.057份
所述石墨粉呈黑色粉末状，规格为200目，纯度为99％，松装密度为0.33g/ml，水分为 0.35％，层间距为0.3355nm，产品检测合格。
所述钢渣呈粉状，Fe2O3含量为16.28％，CaO含量为31.49％，MgO含量为13.83％，Al2O3 含量为5.71％，SiO2含量为14.6％。
所述高炉矿渣呈粉状，Fe2O3含量为0.71％，CaO含量为37.14％，MgO含量为8.51％， Al2O3含量为15.76％，SiO2含量为33.21％，TiO2含量为1.91％。7天活性指数为90％，28 天活性指数为99％，流动度比为96％，含水量为0.2％，密度为2.84g/cm3，比表面积为472m2/kg，三氧化硫含量为2.7％，铁烧失量为-0.4％，氯离子含量为0.02％，内照射指数为0.4，外照射指数为0.6，上述参数均满足国家标准。
本发明一种基于超声震荡分散技术的智能石墨-钢渣-矿渣复相导电混凝土及其制备方法包括以下步骤：
(1)按重量份数计，将上述原料分成三组，第一组为，石墨粉(GP)：0.057份，第二组为水0.71份和高效减水剂0.0045份，第三组为普通硅酸盐水泥1.0份，粗骨料4.14份，河砂2.81份，钢渣(SS)0.32份，高炉矿渣(GGBS)，0.11份。
(2)将第一组加入到丙醇溶液中静置1小时，并在105℃的环境下烘干，进行表面活性处理。
(3)将如(2)所述的活化处理后的石墨加入200ml乙醇溶液中制成悬浊液，将悬浊液置于超声波振动器中，用20KHz的振动频率，400W功率进行震荡处理，在震荡至第5分钟时逐次滴入偶联剂0.002-0.004份，在震荡至10分钟时均匀滴加0-0.008份分散剂，继续震荡第20分钟停止，每震荡2秒静止5秒来让溶液保持在室温(20-25摄氏度左右)，避免受热导致的团聚作用。
(4)将满足水灰比的第二组原料加入如(3)所述的悬浊液中进行二次搅拌形成混合溶液。
(5)将第三组原料的干料搅拌5分钟，将如(4)所述的混合液的一半加入到干料进行 80秒的搅拌，接着进行200秒的震荡，放入另一半混合溶液，进行80秒搅拌，最后振动台振动30秒制备成导电混凝土。
进一步地，所述混凝土的力学性能采用立方体轴心抗压和抗弯强度试验测定其7天、14 天和28天强度(实例1力学破坏状态，如图8)，导电性能需将新拌混凝土制成 100mm*100mm*400mm的试块并等距插入4个电极，采用四电极法测定其7天、14天、21 天和28天导电率。
按照上述方法得到的混凝土样品7天、14天和28天抗压强度分别为27MPa、33MPa、40MPa；抗弯强度分别为2.4MPa、2.9MPa、3.6MPa。得到的7天、14天、21天和28天导电率分别为：4482Ω·cm、6436Ω·cm、6413Ω·cm、9599Ω·cm。
评价：从试验结果看，养护28天的混凝土抗压和抗折强度已经可以达到普通高强混凝土的强度。可以满足大部分工程对混凝土强度的要求。其力学破坏状态如附图8所示，从抗压试验来看，破坏之后的试块的上部混凝土有一部分脱落，试块边缘出现两道贯穿裂缝，整体来看试块破坏后比较完整。从抗折试验的断面来看，没有过多的混凝土剥落，断裂面比较完整，说明混凝土未发生过多的塑性变形，属于脆性破坏。通过四级法测试混凝土样品的导电率在1000Ω·cm以下，可以满足一般混凝土导电性能的基本要求。综合来看，实例一的导线性能和强度都可以满足一般导电混凝土的要求，性能较强。
实施例2
本实施例基于超声震荡分散技术的智能石墨-钢渣-矿渣复相导电混凝土及其制备方法，按重量份数计，混凝土的组成含量分别为：
普通硅酸盐水泥：1.0份；
粗骨料：4.82份；
河砂：3.28份；
水：0.83份；
高效减水剂：0.0053份；
钢渣(SS):0.33份；
高炉矿渣(GGBS)：0.33份；
石墨粉(GP)：0.067份
所述石墨粉呈黑色粉末状，规格为200目，纯度为99％，松装密度为0.33g/ml，水分为 0.35％，层间距为0.3355nm，产品检测合格。
所述钢渣呈粉状，Fe2O3含量为16.28％，CaO含量为31.49％，MgO含量为13.83％，Al2O3 含量为5.71％，SiO2含量为14.6％。
所述高炉矿渣呈粉状，Fe2O3含量为0.71％，CaO含量为37.14％，MgO含量为8.51％， Al2O3含量为15.76％，SiO2含量为33.21％，TiO2含量为1.91％。7天活性指数为90％，28 天活性指数为99％，流动度比为96％，含水量为0.2％，密度为2.84g/cm3，比表面积为472m2/kg，三氧化硫含量为2.7％，铁烧失量为-0.4％，氯离子含量为0.02％，内照射指数为0.4，外照射指数为0.6，上述参数均满足国家标准。
本发明一种基于超声震荡分散技术的智能石墨-钢渣-矿渣复相导电混凝土及其制备方法包括以下步骤：
(1)按重量份数计，将上述原料分成三组，第一组为，石墨粉(GP)：0.067份，第二组为水0.83份和高效减水剂0.0053份，第三组为普通硅酸盐水泥1.0份，粗骨料4.82份，河砂3.28份，钢渣(SS)0.33份，高炉矿渣(GGBS)，0.33份。
(2)将第一组加入到丙醇溶液中静置1小时，并在105℃的环境下烘干，进行表面活性处理。
(3)将如(2)所述的活化处理后的石墨加入200ml乙醇溶液中制成悬浊液，将悬浊液置于超声波振动器中，用20KHz的振动频率，400W功率进行震荡处理，在震荡至第5分钟时逐次滴入偶联剂0.002-0.004份，在震荡至10分钟时均匀滴加0-0.008份分散剂，继续震荡第20分钟停止，每震荡2秒静止5秒来让溶液保持在室温(20-25摄氏度左右)，避免受热导致的团聚作用。
(4)将满足水灰比的第二组原料加入如(3)所述的悬浊液中进行二次搅拌形成混合溶液
(5)将第三组原料的干料搅拌5分钟，将如(4)所述的混合液的一半加入到干料进行 80秒的搅拌，接着进行200秒的震荡，放入另一半混合溶液，进行80秒搅拌，最后振动台振动30秒制备成导电混凝土。
进一步地，所述混凝土的力学性能采用立方体轴心抗压强度和抗弯试验测定其7天、14 天和28天强度，导电性能需将新拌混凝土制成100mm*100mm*400mm的试块并等距插入4 个电极，采用四电极法测定其7天、14天、21天和28天导电率。
按照上述方法得到的混凝土样品7天、14天和28天抗压强度分别为18.5MPa、26.1MPa、 31.9MPa；抗弯强度分别为1.8MPa、2.6MPa、3.2MPa(实例2力学破坏状态，如图9)。得到的7天、14天、21天和28天导电率分别为：1767Ω·cm、2912Ω·cm、5101Ω·cm、5050Ω·cm。
评价：经过养护28天后，混凝土的抗压和抗折强度基本可以达到一般工程对混凝土强度的要求。其破坏形态如图9所示，从抗压试验结果来看，混凝土出现大面积剥落，核心区域混凝土已经外漏，试块出现了极大程度的破坏，说明此实施例的抗压强度有一个明显的降低。从抗折试验的断面来看，实施例2也属于脆性破坏。通过电极法得到的混凝土最终的导电率在5000Ω·cm左右。此种配比得到的导电混凝土，相对于第一种配比混凝土的整体强度稍微有所下降，但是导电性能成倍的提高，综合导电和强度比较推荐。
实施例3
本实施例基于超声震荡分散技术的智能石墨-钢渣-矿渣复相导电混凝土及其制备方法，按重量份数计，混凝土的组成含量分别为：
普通硅酸盐水泥：1.0份；
粗骨料：4.82份；
河砂：3.28份；
水：0.83份；
高效减水剂：0.0053份；
钢渣(SS):0.5份；
高炉矿渣(GGBS)：0.17份；
石墨粉(GP)：0.067份
所述石墨粉呈黑色粉末状，规格为200目，纯度为99％，松装密度为0.33g/ml，水分为 0.35％，层间距为0.3355nm，产品检测合格。
所述钢渣呈粉状，Fe2O3含量为16.28％，CaO含量为31.49％，MgO含量为13.83％，Al2O3 含量为5.71％，SiO2含量为14.6％。
所述高炉矿渣呈粉状，Fe2O3含量为0.71％，CaO含量为37.14％，MgO含量为8.51％， Al2O3含量为15.76％，SiO2含量为33.21％，TiO2含量为1.91％。7天活性指数为90％，28 天活性指数为99％，流动度比为96％，含水量为0.2％，密度为2.84g/cm3，比表面积为472m2/kg，三氧化硫含量为2.7％，铁烧失量为-0.4％，氯离子含量为0.02％，内照射指数为0.4，外照射指数为0.6，上述参数均满足国家标准。
本发明一种基于超声震荡分散技术的智能石墨-钢渣-矿渣复相导电混凝土及其制备方法包括以下步骤：
(1)按重量份数计，将上述原料分成三组，第一组为，石墨粉(GP)：0.067份，第二组为水0.83份和高效减水剂0.0053份，第三组为普通硅酸盐水泥1.0份，粗骨料4.82份，河砂3.28份，钢渣(SS)0.5份，高炉矿渣(GGBS)，0.17份。
(2)将第一组加入到丙醇溶液中静置1小时，并在105℃的环境下烘干，进行表面活性处理。
(3)将如(2)所述的活化处理后的石墨加入200ml乙醇溶液中制成悬浊液，将悬浊液置于超声波振动器中，用20KHz的振动频率，400W功率进行震荡处理，在震荡至第5分钟时逐次滴入偶联剂0.002-0.004份，在震荡至10分钟时均匀滴加0-0.008份分散剂，继续震荡第20分钟停止，每震荡2秒静止5秒来让溶液保持在室温(20-25摄氏度左右)，避免受热导致的团聚作用。
(4)将满足水灰比的第二组原料加入如(3)所述的悬浊液中进行二次搅拌形成混合溶液
(5)将第三组原料的干料搅拌5分钟，将如(4)所述的混合液的一半加入到干料进行 80秒的搅拌，接着进行200秒的震荡，放入另一半混合溶液，进行80秒搅拌，最后振动台振动30秒制备成导电混凝土。
进一步地，所述混凝土的力学性能采用立方体轴心抗压和抗弯强度试验测定其7天、14 天和28天强度，导电性能需将新拌混凝土制成100mm*100mm*400mm的试块并等距插入4 个电极，采用四电极法测定其7天、14天、21天和28天导电率。
按照上述方法得到的混凝土样品7天、14天和28天抗压强度分别为23.2MPa、33.2MPa、 41.5MPa；抗弯强度分别为2MPa、2.8MPa、3.6MPa(实例3力学破坏状态，如图10)。得到的7天、14天、21天和28天导电率分别为：332Ω·cm、505Ω·cm、674Ω·cm、1054 Ω·cm。
评价：从养护28天后的试验结果来看，混凝土强度和导电性能表现都比前两个实施例优秀，其破坏形态如图9所示，从抗压试验结果来看，破坏后的混凝土试块比较完整，只有部分混凝土出现剥落，混凝土边缘出现贯穿裂缝但没有出现剥落，这说明此实施例的混凝土强度有所提高。从抗折试验的断面来看，实施例3同样属于脆性破坏。在SEM微观图来看(附图11)，导电剂(GP)均匀分布在混凝土的水化物之间(GGBS)，形成密切的导电局域网络，可以有效降低地电阻，同时骨料-CSH胶体-导电剂胶结均匀致密，导致传导应力能力增强。钢渣(SS)也能够均匀的与GGBS胶体混在一起，微观角度来看钢渣的形状比较粗糙，能够提高砂子与骨料之间的摩擦力，从而提升混凝土的力学性能。从养护28天之后的测试结果来看，此配比制作的导电混凝土的导电率为三种方法中最好，抗压强度和抗折强度为三种配比中最高，能够满足大部分工程对混凝土强度的要求，力学性能优秀，破坏形态是脆性破坏，是推荐的最优配比。
实施例4
本实施例基于超声震荡分散技术的智能石墨-钢渣-矿渣复相导电混凝土及其制备方法，按重量份数计，混凝土的组成含量分别为：
普通硅酸盐水泥：1.0份；
粗骨料：4.82份；
河砂：3.28份；
水：0.83份；
高效减水剂：0.0053份；
钢渣(SS):0.5份；
高炉矿渣(GGBS)：0.17份；
石墨粉(GP)：0.1005份
所述石墨粉呈黑色粉末状，规格为200目，纯度为99％，松装密度为0.33g/ml，水分为 0.35％，层间距为0.3355nm，产品检测合格。
所述钢渣呈粉状，Fe2O3含量为16.28％，CaO含量为31.49％，MgO含量为13.83％，Al2O3 含量为5.71％，SiO2含量为14.6％。
所述高炉矿渣呈粉状，Fe2O3含量为0.71％，CaO含量为37.14％，MgO含量为8.51％， Al2O3含量为15.76％，SiO2含量为33.21％，TiO2含量为1.91％。7天活性指数为90％，28 天活性指数为99％，流动度比为96％，含水量为0.2％，密度为2.84g/cm3，比表面积为472m2/kg，三氧化硫含量为2.7％，铁烧失量为-0.4％，氯离子含量为0.02％，内照射指数为0.4，外照射指数为0.6，上述参数均满足国家标准。
本发明一种基于超声震荡分散技术的智能石墨-钢渣-矿渣复相导电混凝土及其制备方法包括以下步骤：
(1)按重量份数计，将上述原料分成三组，第一组为，石墨粉(GP)：0.067份，第二组为水0.83份和高效减水剂0.0053份，第三组为普通硅酸盐水泥1.0份，粗骨料4.82份，河砂3.28份，钢渣(SS)0.5份，高炉矿渣(GGBS)，0.17份。
(2)将第一组加入到丙醇溶液中静置1小时，并在105℃的环境下烘干，进行表面活性处理。
(3)将如(2)所述的活化处理后的石墨加入200ml乙醇溶液中制成悬浊液，将悬浊液置于超声波振动器中，用20KHz的振动频率，400W功率进行震荡处理，在震荡至第5分钟时逐次滴入偶联剂0.002-0.004份，在震荡至10分钟时均匀滴加0-0.008份分散剂，继续震荡第20分钟停止，每震荡2秒静止5秒来让溶液保持在室温(20-25摄氏度左右)，避免受热导致的团聚作用。
(4)将满足水灰比的第二组原料加入如(3)所述的悬浊液中进行二次搅拌形成混合溶液
(5)将第三组原料的干料搅拌5分钟，将如(4)所述的混合液的一半加入到干料进行 80秒的搅拌，接着进行200秒的震荡，放入另一半混合溶液，进行80秒搅拌，最后振动台振动30秒制备成导电混凝土。
进一步地，所述混凝土的力学性能采用立方体轴心抗压和抗弯强度试验测定其7天、14 天和28天强度，导电性能需将新拌混凝土制成100mm*100mm*400mm的试块并等距插入4 个电极，采用四电极法测定其7天、14天、21天和28天导电率。
按照上述方法得到的混凝土样品7天、14天和28天抗压强度分别为12.6MPa、17.3MPa、 29.3MPa；抗弯强度分别为2MPa、2.5MPa、3MPa(实例4力学破坏状态，如图12)。得到的7天、14天、21天和28天导电率分别为：88Ω·cm、123Ω·cm、202Ω·cm、250Ω·cm。
评价：本实例相对于实例3，单独提高石墨粉的含量。混凝土的导电性能有一个显著的提升。但是，此方式对混凝土的力学性能也有一定的影响。混凝土的强度相对于其他几个实例，有一个明显的降低。从抗折试验的断面来看，实施例4也属于脆性破坏。从微观角度来看，石墨粉相对于其他掺合料，形状较为圆润，因此石墨粉的含量会降低砂子和各个骨料之间的摩擦力，石墨粉含量过大会降低混凝土的抗压强度。其破坏形态如图9所示，混凝土出现了大面积的剥落，核心混凝土已经外漏，同样说明此实施例的混凝土抗压强度有一定程度的降低。石墨粉的含量对混凝土导电性能的提高效果最大，但是单纯提高石墨粉的含量也会降低混凝土的强度。因此对于实例3为推荐的最优配比方案。
在前三项实施例中，高炉矿渣和钢渣的取代率为分别为30％、40％、40％，钢渣分别占填料的75％、50％、75％，石墨掺量均为4％。第四项实施例中，高炉矿渣、钢渣的含量和实施例3相同，石墨掺量从4％提高到6％。
对于同一配合比的混凝土，通过抗压强度和抗弯强度试验可以明显看出，在石墨掺量小于6％时，混凝土试块具有良好的力学性能，且随着试块养护时间的提高，试块强度逐渐增大，满足工程实际需求。
通过四电极法测定的电阻率可知，试块均有良好的导电性能。
当两种矿渣导电剂的掺量增大时，混凝土试块的力学性能和导电性能均有不同程度的变化，可根据实际工程需要选择合适的配合比，当对导电性能和力学性能要求较高时，填料取代量应控制在合理范围。从附图1和附图2中，钢渣和石墨粉的SME扫描图可以看出，从微观来看，钢渣比较粗糙，而石墨的形状比较圆润。因此，钢渣和石墨的的分布不但能够影响混凝土的电阻率还能影响其力学性能。粗糙的钢渣在骨料之间能够提高个材料之间的摩擦力，但石墨粉比较圆润则会降低个骨料之间的摩擦。虽然，石墨粉的含量能有效的提高混凝土的导电性能，但是提高导电性能的同时也会以混凝土的强度作为代价。综合上述分析和实例的试验结果，推荐实施例3为最优配合比。
综上所述，实施例中制得的智能石墨-钢渣-矿渣复相导电混凝土同时具有良好的力学性能和导电性能，可用于工程中混凝土构件的智能健康监测。

Claims (3)

1.一种基于超声震荡分散技术的智能复相导电混凝土及制备方法，其特征在于：按重量份数计，混凝土的组成和含量分别为：
普通硅酸盐水泥1份；
粗骨料：4.0-5.0份；
河砂：2.5-3.3份；
水：0.6-0.85份；
高效减水剂：0.003-0.006份；
钢渣(SS):0.30-0.45份；
高炉矿渣(GGBS)：0.1-0.4份；
石墨粉(GP)：0.04-0.08份。
2.如权利要求1所述的一种基于超声震荡分散技术的智能石墨-钢渣-矿渣复相导电混凝土及其制备方法，其特征在于：该制备方法包括以下步骤：
(1)按重量份数计，将上述原料分成三组，第一组为，石墨粉(GP)：0.04-0.08份，第二组为水0.60-0.85份和高效减水剂0.003-0.006份，第三组为普通硅酸盐水泥1份，粗骨料4.0-5.0份，河砂2.5-3.3份，钢渣(SS)0.30-0.45份，高炉矿渣(GGBS)，0.1-0.4份；
(2)进一步地，将第一组加入到丙醇溶液中静置1小时，并在105℃的环境下烘干，进行表面活性处理；
(3)进一步地，将如(2)所述的活化处理后的石墨加入200ml乙醇溶液中制成悬浊液，将悬浊液置于超声波振动器中，用20KHz的振动频率，400W功率进行震荡处理，在震荡至第5分钟时逐次滴入偶联剂0.002-0.004份，在震荡至10分钟时均匀滴加0-0.008份分散剂，继续震荡第20分钟停止，每震荡2秒静止5秒来让溶液保持在室温(20-25摄氏度左右)，避免受热导致的团聚作用；
(4)将满足水灰比的第二组原料加入如(3)所述的悬浊液中进行二次搅拌形成混合溶液；
(5)将第三组原料的干料搅拌5分钟，将如(4)所述的混合液的一半加入到干料进行80秒的搅拌，接着进行200秒的震荡，放入另一半混合溶液，进行80秒搅拌，最后振动台振动30秒制备成导电混凝土。
3.如权利要求1-2任意一项所述的一种基于超声震荡分散技术的智能石墨-钢渣-矿渣复相导电混凝土及其制备方法，其特征在于：所述混凝土的力学性能采用立方体轴心抗压强度试验测定，导电性能需将新拌混凝土制成100mm*100mm*400mm的试块并等距插入4个电极，采用四电极法进行测定。
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