CN112500081A - 一种自监测水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种自监测水泥基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种自监测水泥基复合材料，其中，该复合材料含有：碳纤维、钛矿渣和水泥基材料。本发明还提供一种自监测水泥基复合材料的制备方法，其中，该方法包括：将原料混合均匀，所述原料含有：碳纤维、钛矿渣和水泥基材料。采用本发明提供的方法，能够有效地将钛矿渣应用于自监测水泥基复合材料领域，实现钛矿渣废渣的有效利用。

Description

一种自监测水泥基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑复合材料技术领域，尤其涉及一种自监测水泥基复合材料及其制备方法。
背景技术
世界工业化和信息化进程的不断加快，工业废物也大幅度增加，对工业废物的处理成了社会发展中的一大难题。钛矿渣是在高炉冶炼钒钛磁铁矿过程中排出的熔渣经淬冷或自然冷却后得到的一种粒状或块状废渣，我国对钛矿渣的利用率不高、处理难度大。因此，对钛矿渣进行再利用对环境保护和节约资源可以带来十分理想的社会效益和经济效益。
随着人口不断增加和土地资源有限的矛盾日益突出，人们对功能建筑材料的性能要求也越来越高。传统的建筑材料在结构发生破坏时，没有明显的特征进行预警，但破坏现象产生时，往往会造成较大的财产损失甚至人员伤亡。因此，传统的建筑材料已经不能满足人们对安全性、稳定性等的要求，所以新的、具有更好性能的自监测功能建筑材料应运而生。但是，现如今的自监测功能建筑材料存在成分单一、感知量程偏小、灵敏度系数低，限制了其在土木工程结构健康监测的应用。因此，研究新型自监测功能建筑材料能够解决人们对安全性的要求，是建筑结构的“私人医生”实时监测建筑结构的健康状况，防范于未然。同时，也对功能建筑材料的发展有着积极地促进作用。
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上述三种水泥基/混凝土自监测材料的成分单一、感知量程偏小、灵敏度系数低，经济性不高。
发明内容
针对目前的钛矿渣使用率不高的问题，本发明提供一种自监测水泥基复合材料，其特征在于，该复合材料含有：碳纤维、钛矿渣和水泥基材料。
由于钛矿渣中含有较高含量的二氧化钛，二氧化钛属于半导体，增加整体水泥基复合材料的导电性能，最后实现自感知压应力应变灵敏度系数的提升，与此同时，充分利用钛矿渣固废，践行绿色发展的发展理念，达到保护环境、节约成本的目的，从而能够使钛矿渣得到有效利用。
另外，针对固体废弃物钛矿渣存在的利用率不高、处理难度大等问题，本发明将钛矿渣进行湿磨工艺处理降低其粒径，一方面能提高钛矿渣的胶凝活性、改善水泥基材料的力学性能，另一方面由于钛矿渣中TiO2为半导体，粒径减小时能发挥微纳米尺度效应，其在水泥基体中可显著提高导电率，将其资源化利用能够节约胶凝材料成本、解决固体废弃物污染问题，实现绿色发展的目标。
因此，本发明中，所述钛矿渣优选为湿磨钛矿渣，所述湿磨钛矿渣的中值粒径优选为1-5μm。
另外，本发明中，所述碳纤维优选为镀镍碳纤维。镀镍碳纤维表面的金属镍镀层能提高其电导率。
本发明中，优选该复合材料还含有碳纳米管，所述碳纳米管优选为羧基化的碳纳米管。通过引入羧基化碳纳米管，能够实现与宏观镀镍碳纤维之间的“导电桥梁”作用。
本发明还提供一种自监测水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括：将原料混合均匀，所述原料含有：碳纤维、钛矿渣和水泥基材料。
在本发明的优选的实施方式中，该复合材料利用湿磨钛矿渣、碳纳米管和镀镍碳纤维相互搭接，形成连接紧密的导电网络，提高感知量程和灵敏度系数。
具体实施方式
本发明提供一种自监测水泥基复合材料，其特征在于，该复合材料含有：碳纤维、钛矿渣和水泥基材料。
由于钛矿渣中含有较高含量的二氧化钛，二氧化钛属于半导体，增加整体水泥基复合材料的导电性能，最后实现自感知压应力应变灵敏度系数的提升，与此同时，充分利用钛矿渣固废，践行绿色发展的发展理念，达到保护环境、节约成本的目的。
所述碳纤维、所述钛矿渣与所述水泥基材料的重量比可以为1：(5-70)：(350-450)。
所述碳纤维优选为镀镍碳纤维。镀镍碳纤维优选长度为1-5mm的镀镍碳纤维。镀镍碳纤维表面的金属镍镀层能提高其电导率。
所述钛矿渣优选为湿磨钛矿渣，所述湿磨钛矿渣的中值粒径优选为1-5μm。
所述湿磨钛矿渣以浆料的形式存在，湿磨钛矿渣浆料的制备方法包括：将钛矿渣和水按照1：(1.5-2.5)的重量比添加、并添加重量为钛矿渣的0.1-0.5％的减水剂，进行湿磨，从而得到湿磨钛矿渣浆料。其中，所述减水剂可以为本领域通用的减水剂，例如可以为聚羧酸减水剂。
本发明中的钛矿渣可以为本领域中常见的钛矿渣废渣，例如其化学成分可以为：27.92％的CaO、25.18％的SiO2、13.19％的Al2O3、3.25％Fe2O3、20.09％的TiO2、7.18％的MgO、0.91％的SO3、0.66％的K2O、0.60％的Na2O，烧失量为0.1％。针对固体废弃物钛矿渣存在的利用率不高、处理难度大等问题，本发明将钛矿渣进行湿磨工艺处理降低其粒径，一方面能提高钛矿渣的胶凝活性、改善水泥基材料的力学性能，另一方面由于钛矿渣中TiO2为半导体，粒径减小时能发挥微纳米尺度效应，其在水泥基体中可显著提高导电率，将其资源化利用能够节约胶凝材料成本、解决固体废弃物污染问题，实现绿色发展的目标。
因为碳纳米管能对水泥基材料颗粒和碳纤维之间起填充作用，使湿磨钛矿渣和碳纤维之间的搭接更充分，形成连接紧密的导电网络，提高导电性。因此，本发明中，优选该复合材料还含有碳纳米管，所述碳纳米管的直径可以为10-15nm，长度可以为5-10μm，所述碳纳米管与所述碳纤维的重量比可以为0.2-0.8。
所述碳纳米管优选为羧基化的碳纳米管。羧基化能够提高碳纳米管的表面活性，有利于其他粒子的依附。因此，通过引入羧基化的碳纳米管，能够实现与碳纤维之间的“导电桥梁”作用。
在本发明的优选的实施方式中，该复合材料利用湿磨钛矿渣浆料、碳纳米管和镀镍碳纤维相互搭接，形成连接紧密的导电网络，提高感知量程和灵敏度系数。
另外，由于碳纤维的加入，会使复合材料的塌落度、流动度等工作性能受到制约。加入适当的减水剂能弥补这方面的损耗。因此，优选该复合材料还含有减水剂，所述减水剂与所述碳纤维的重量比可以为0.5-2。所述减水剂可以为本领域通用的减水剂，例如可以为聚羧酸减水剂。
本发明还提供一种自监测水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括：将原料混合均匀，所述原料含有：碳纤维、钛矿渣和水泥基材料。
所述碳纤维、所述钛矿渣与所述水泥基材料的重量比可以为1：(5-70)：(350-450)。
优选所述碳纤维为镀镍碳纤维。
所述钛矿渣优选为湿磨钛矿渣，所述湿磨钛矿渣的中值粒径优选为1-5um。
所述原料还可以含有碳纳米管，所述碳纳米管与所述碳纤维的重量比优选为0.2-0.8。
所述碳纳米管优选为羧基化的碳纳米管。
本发明中使用的水泥基材料可以为硅酸盐水泥，例如为常见的商用P·II52.5的普通硅酸盐水泥。
所述原料还可以含有减水剂，所述减水剂与所述碳纤维的重量比可以为0.5-2。
本发明一种优选的自监测水泥基复合材料的制备方法包括：
1)将钛矿渣和水按照1：(1.5-2.5)的重量比添加，并添加重量为钛矿渣的0.1-0.5％的减水剂，进行湿磨，从而得到湿磨钛矿渣浆料；
2)向镀镍碳纤维中加入重量为镀镍碳纤维的35-120倍的水并搅拌，并加入重量为镀镍碳纤维的0.2-0.4倍的分散剂以提高分散效率，搅拌均匀后加入重量为镀镍碳纤维的0.05-0.1重量份的消泡剂，得到镀镍碳纤维的液体分散体系，其中镀镍碳纤维与钛矿渣的用量比为1：(5-70)；
3)将重量为镀镍碳纤维的0.2-0.8倍、直径为10-15nm、长度为5-10um羧基化的碳纳米管和重量为镀镍碳纤维的0.01-0.02倍的分散剂，浸入重量为镀镍碳纤维的5-15倍的蒸馏水中并搅拌，再将所得溶液进行超声波处理1-2h，得到分散的碳纳米管悬浮体系；
4)将重量为镀镍碳纤维的350-450倍的水泥基材料、重量为镀镍碳纤维的25-150倍的水、上述步骤1)中制得的湿磨钛矿渣浆料、上述步骤2)中制得的镀镍碳纤维的液体分散体系、上述步骤3)中制得的分散的碳纳米管悬浮体系、及重量为镀镍碳纤维的0.5-2倍的减水剂，混合均匀，即得本发明的自监测水泥基复合材料。
其中，上述步骤2)中加入的分散剂可以为本领域通用的分散剂，例如可以为选自甲基纤维素和羧乙基纤维素中的一种或几种。
上述步骤2)中加入的消泡剂可以为本领域通用的消泡剂，例如可以为磷酸三丁酯。
上述步骤3)中加入的分散剂可以为本领域通用的分散剂，例如可以为乳化剂OP。
相较于单一导电机制的水泥基自监测材料而言，在本发明的实施方式中，在以湿磨钛矿渣、镀镍碳纤维、碳纳米管为原料制得的水泥基自监测复合材料中，碳纤维表面镀镍提高了导电性能，且在高碱性水泥基材料中耐腐蚀性能极佳，水泥基体重镀镍碳纤维除了自身形成的导电网络之外，碳纳米管在宏观镀镍纤维中通过相互搭接形成更加致密的导电网络，起到了“导电桥梁”的作用，大大提升了导电率，从而扩大了自监测范围，实现了自感应灵敏度系数的提升。
实施例
下面将结合具体的实施例对本发明作进一步的详细描述。如无特殊说明，以下实施例和对比例中的“份”均指“重量份”。
实施例1
实施例1用于说明本发明优选的实施方式。
1)按水料比为2:1取钛矿渣粉18份、水36份添加到研磨罐中，将添加量为钛矿渣质量的0.1％的聚羧酸减水剂滴入罐中，湿磨120min，得到湿磨钛矿渣浆料，备用。
2)取2份的长度为1mm的镀镍碳纤维浸入80份的水中，加入0.4份羟乙基纤维素，搅拌，滴入0.1份磷酸三丁酯消泡剂，得到镀镍碳纤维的液体分散体系。
3)取1份直径为10-15nm、长度为5-10um碳纳米管浸入20份的蒸馏水中，搅拌，再加入0.03份的分散剂(乳化剂OP)。再将所得溶液进行超声波处理1.5h，得到分散的碳纳米管悬浮体系。
4)将882份P·II52.5的普通硅酸盐水泥、274份水、及上述所得的钛矿渣浆料、镀镍碳纤维的液体分散体系、碳纳米管悬浮体系倒入搅拌锅中，滴入2份聚羧酸高效减水剂，搅拌均匀，即得由水泥、钛矿渣浆料、镀镍碳纤维和碳纳米管制成的水泥基自监测复合材料。
将上述水泥基自检测材料浇筑于150*150*150mm的涂油模具中，振捣刮平，在试样插入两片铜电极，标准养护1d，脱模后再养护7天和28天，将试样进行电导率和抗压抗折试验。
实施例2
实施例2用于说明本发明优选的实施方式。
1)按水料比为1.5:1，取钛矿渣粉30份、水45份添加到研磨罐中，将添加量为钛矿渣质量的0.3％的聚羧酸减水剂滴入罐中，湿磨120min，得到浆料备用。
2)取2份的长度为2mm的镀镍碳纤维浸入120份的水中，加入0.5份羟乙基纤维素，搅拌，滴入0.2份磷酸三丁酯消泡剂，得到镀镍碳纤维的液体分散体系。
3)取0.4份直径为10-15nm、长度为5-10um碳纳米管浸入30份的蒸馏水中，搅拌，再加入0.02份的分散剂(乳化剂OP)。再将所得溶液进行超声波处理1h，得到分散的碳纳米管悬浮体系。
4)将744份P·II52.5的普通硅酸盐水泥、280份水及上述所得的钛矿渣浆料、镀镍碳纤维的液体分散体系、碳纳米管悬浮体系倒入搅拌锅中，滴入4份聚羧酸高效减水剂，搅拌均匀，即得由水泥、钛矿渣浆料、镀镍碳纤维和碳纳米管制成的水泥基自监测复合材料。
并使用与实施例1相同的方法，对由实施例2的水泥基自监测复合材料制得的试件进行电导率和抗压抗折试验。
实施例3
实施例3用于说明本发明优选的实施方式。
1)按水料比为2.5:1，取钛矿渣粉30份、水75份添加到研磨罐中，将添加量为钛矿渣质量的0.5％的聚羧酸减水剂滴入罐中，湿磨120min，得到浆料备用。
2)取2份的长度为4mm的镀镍碳纤维浸入240份的水中，加入0.8份羟乙基纤维素，搅拌，滴入0.1份磷酸三丁酯消泡剂，得到镀镍碳纤维的液体分散体系。
3)取1.6份直径为10-15nm、长度为5-10um碳纳米管浸入10份的蒸馏水中，搅拌，再加入0.04份的分散剂(乳化剂OP)。再将所得溶液进行超声波处理2h，得到分散的碳纳米管悬浮体系。
4)将800份P·II52.5的普通硅酸盐水泥、50份水及上述所得的钛矿渣浆料、镀镍碳纤维的液体分散体系、碳纳米管悬浮体系倒入搅拌锅中，滴入1份聚羧酸高效减水剂，搅拌均匀，即得由水泥、钛矿渣浆料、镀镍碳纤维和碳纳米管制成的水泥基自监测复合材料。
并使用与实施例1相同的方法，对由实施例3的水泥基自监测复合材料制得的试件进行电导率和抗压抗折试验。
实施例4
实施例4用于与实施例1相比，说明复合材料中使用镀镍碳纤维的导电性能优于碳纤维。
在实施例4中，除了使用碳纤维来代替实施例1中的镀镍碳纤维以外，采用与实施例1相同的方法，制得复合材料。
并使用与实施例1相同的方法，对由实施例4的水泥基自监测复合材料制得的试件进行电导率和抗压抗折试验。
实施例5
实施例5用于与实施例1相比，说明复合材料中使用羧基化的碳纳米管的导电性能优于碳纳米管。
在实施例5中，除了使用羧基化的碳纳米管来代替实施例1中的碳纳米管以外，采用与实施例1相同的方法，制得复合材料。
并使用与实施例1相同的方法，对由实施例5的水泥基自监测复合材料制得的试件进行电导率和抗压抗折试验。
实施例6
实施例6用于说明复合材料仅使用碳纤维、钛矿渣和水泥基材料作为主要成分，即能实现本发明的发明目的。
1)按水料比为2:1取钛矿渣粉18份、水36份添加到研磨罐中，将添加量为钛矿渣质量的0.1％的聚羧酸减水剂滴入罐中，湿磨120min，得到湿磨钛矿渣浆料，备用。
2)取2份的长度为1mm的镀镍碳纤维浸入80份的水中，加入0.4份羟乙基纤维素，搅拌，滴入0.1份磷酸三丁酯消泡剂，得到镀镍碳纤维的液体分散体系。
3)将882份P·II 52.5的普通硅酸盐水泥、294份水、及上述所得的钛矿渣浆料、镀镍碳纤维的液体分散体系倒入搅拌锅中，滴入2份聚羧酸高效减水剂，搅拌均匀，即得由钛矿渣浆料和镀镍碳纤维制成的自监测复合材料。
并使用与实施例1相同的方法，对由实施例6的水泥基自监测复合材料制得的试件进行电导率和抗压抗折试验。
下面对以上得到的由实施例1-6的水泥基自监测复合材料制得的试件进行电导率和抗压抗折试验,测试方法如下:
1、电导率测量
使用手持电桥仪测量其电阻,根据公式σ＝L/RS(其中σ为电导率，R为测得电阻，L为两片铜电极的间距,S为铜片与水泥接触面积)，计算出试样的电导率。
2、抗压抗折强度测量
采用GBT17671-1999水泥胶砂强度检验方法(ISO法)对试件进行抗压抗折强度测试。
测试得到的试件电导率及抗压抗折强度的结果如下表1所示:
表1
Figure BDA0002847828900000101
从表1中可以看出，由实施例1-6的水泥基自监测复合材料制得的试件，其抗压强度良好，电导率也良好，说明本发明提供的自监测水泥基复合材料及其制备方法能够有效地将钛矿渣应用于自监测水泥基复合材料领域，实现钛矿渣废渣的有效利用。
另外，在本发明的自监测水泥基复合材料中，使用镀镍碳纤维作为原料的实施例1的自监测水泥基复合材料制得的试件的电导率为0.32，优于使用碳纤维作为原料的实施例4的自监测水泥基复合材料制得的试件的0.25的电导率。
在本发明的自监测水泥基复合材料中，使用羧基化的碳纳米管作为原料的实施例5的自监测水泥基复合材料制得的试件的电导率为0.40，优于使用碳纳米管作为原料的实施例1的自监测水泥基复合材料制得的试件的0.32的电导率。
从实施例6可以看出，本发明仅使用碳纤维、钛矿渣和水泥基材料作为主要成分制得的自监测水泥基复合材料，由其制得的试件电导率为0.3，略低于使用碳纤维、钛矿渣、碳纳米管和水泥基材料作为主要成分的实施例1的自监测水泥基复合材料制得的试件的0.32的电导率。由此说明了本发明仅使用碳纤维、钛矿渣和水泥基材料作为主要成分制备自监测水泥基复合材料的方法，就能够有效地将钛矿渣应用于自监测水泥基复合材料领域，实现钛矿渣废渣的有效利用。

Claims (10)

1.一种自监测水泥基复合材料，其特征在于，该复合材料含有：碳纤维、钛矿渣和水泥基材料；所述碳纤维、所述钛矿渣与所述水泥基材料的重量比为1：(5-70)：(350-450)。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其中，所述碳纤维为镀镍碳纤维；所述钛矿渣为湿磨钛矿渣，所述湿磨钛矿渣的中值粒径为1-5μm。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其中，该复合材料还含有碳纳米管，所述碳纳米管与所述碳纤维的重量比为0.2-0.8。
4.根据权利要求3所述的复合材料，其中，所述碳纳米管为羧基化的碳纳米管。
5.根据权利要求1所述的复合材料，其中，该复合材料还含有减水剂，所述减水剂与所述碳纤维的重量比为0.5-2。
6.一种自监测水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括：将原料混合均匀，所述原料含有：碳纤维、钛矿渣和水泥基材料；所述碳纤维、所述钛矿渣与所述水泥基材料的重量比为1：(5-70)：(350-450)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述碳纤维为镀镍碳纤维；所述钛矿渣为湿磨钛矿渣，所述湿磨钛矿渣的中值粒径为1-5μm。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述原料还含有碳纳米管，所述碳纳米管与所述碳纤维的重量比为0.2-0.8。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述碳纳米管为羧基化的碳纳米管。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述原料还含有减水剂，所述减水剂与所述碳纤维的重量比为0.5-2。
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