CN113603428A - 一种具有导电性和机敏性的超高性能混凝土材料、其制备方法和机敏性检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于土木工程材料技术领域，公开了一种具有导电性和机敏性的超高性能混凝土材料及其制备方法，包括如下重量份的组分：水泥100份、硅灰21.4～37.5份、钢渣粉21.4份～112.5份、细集料142.8～250份、减水剂2～3.75份、水25.7～45份，体积掺量1.5～2.0％的钢纤维。还公开了一种混凝土材料的机敏性检测方法。本发明通过在超高性能混凝土原材料中引入导电颗粒钢渣粉，使其与超高性能混凝土中已有的钢纤维形成导电通路，弥补超高性能混凝土孔溶液极少、无法形成完整的导电网络的缺陷，提高材料的导电性；对导电颗粒钢渣粉的最低含铁量及最低掺量进行限制，保证混凝土具有良好的导电性和机敏性。

Description

一种具有导电性和机敏性的超高性能混凝土材料、其制备方 法和机敏性检测方法
技术领域
本发明属于土木工程材料技术领域，涉及建筑材料，具体涉及一种具有导电性和机敏性的超高性能混凝土材料、其制备方法和机敏性检测方法。
背景技术
在当前智慧建筑产业蓬勃发展的形势下，普通水泥混凝土材料功能单一，难以满足人们对智慧材料日益增长的需求。超高性能混凝土(Ultra-High PerformanceConcrete,UHPC)是一种具有超高强度(抗压强度、抗拉强度、抗折强度)、超高韧性、超高耐久性等特点的先进土木工程材料，具有极为广阔的应用前景。
为充分发挥并利用超高性能混凝土的优异性能，一般将超高性能混凝土应用到对材料力学性能、耐久性能及结构减重需求极高的关键部位。考虑到关键部位的重要性及其对结构安全的决定性作用，赋予关键部位材料荷载自感知、损伤自诊断的功能，符合智慧材料作为智慧建筑物质基础的发展趋势。
当前，赋予混凝土材料荷载自感知、损伤自诊断的功能主要通过制备导电混凝土的方式来实现。具体来讲，就是通过往混凝土拌合物中掺加导电性纤维或导电性颗粒，使其在混凝土基体中与内部孔溶液一道，形成导电网络，最终实现导电性，并通过建立材料所受荷载与电阻率或电导率的关系实现机敏性，最终达到荷载自感知、损伤自诊断的目的。需要指出的是，混凝土孔溶液的存在对混凝土导电性的影响是极其关键的，有研究表明，在混凝土孔溶液随着水泥水化反应的不断进行而逐渐减少直至消耗殆尽的过程中，混凝土导电性不断降低。
目前关于超高性能混凝土导电性的研究比较少，将以上提及的混凝土中解决方案应用于超高性能混凝土中存在的不足在于：
(1)直接将传统导电混凝土中采用的导电性颗粒作为超高性能混凝土原材料使用，未经颗粒级配最紧密堆积设计，导致制备而成的超高性能混凝土材料各项性能降低；
(2)与传统水泥混凝土及导电混凝土相比，超高性能混凝土材料基体内部孔溶液极少，无法与导电纤维及导电颗粒一道形成导电网络，导致材料导电性降低或完全丧失导电性。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，一方面提供一种具有导电性和机敏性的超高性能混凝土材料：
一种具有导电性和机敏性的超高性能混凝土材料，包括如下重量份的组分：水泥100份、硅灰21.4～37.5份、钢渣粉21.4份～112.5份、细集料142.8～250份、减水剂2～3.75份、水25.7～45份，还包括体积掺量1.5～2.0％的钢纤维，优选减水剂减水剂2～3.5份。
所述水泥为硅酸盐水泥；所述硅灰的比表面积≥15000m2/kg，SiO2质量含量≥90％。
所述细集料为河砂或石英砂或河砂和石英砂的混合物，河砂的最大颗粒粒径为1mm，石英砂细度为18～100目。
所述钢纤维长度为15～25mm，直径为0.1～0.3mm，钢纤维类型为长直型。
所述减水剂为聚羧酸系减水剂，减水率不小于25％；所述钢渣粉含铁量不低于20％。
本发明的另一方面提供一种具有导电性和机敏性的超高性能混凝土材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)干料拌合：将水泥、硅灰、细集料、钢渣粉及固体减水剂按重量比称取后混匀；
(2)加水拌合：待干料混匀后，在搅拌条件下将水倒入干料中，拌匀；
若减水剂采用液态减水剂，则步骤(1)中不含减水剂，将液态减水剂与水一同加入混匀后的干料中，拌匀；
(3)加入纤维：待步骤(2)中混合物呈均匀的、稳定的流态状后，在搅拌条件下加入钢纤维，搅拌均匀至混合物稳定，即得。
优选地，在步骤(3)中，将钢纤维置于筛孔尺寸2.5mm或4.75mm的筛上，均匀、持续地摇动筛网，使得钢纤维通过筛孔加入到步骤(2)中的混合物并充分搅拌，经成型养护后，即得具有导电性和机敏性的超高性能混凝土材料。
本发明的最后一方面提供一种混凝土材料的机敏性检测方法，包括如下步骤：
第一步，按照“四电极法”测量电阻率要求安装待测样品：在样品上排布四个电极，在外侧的两个电极上施加电压，在内侧的两个电极上使用万用表测量电流；安装完毕的混凝土样品置于抗折强度试验机上；
第二步，开启抗折强度试验机、电极电源和万用表，以此时为测量“0”时，在万用表上读取的电流读数为初始电流值；
第三步，操作抗折强度试验机向混凝土样品持续、均匀加载，并间隔时间读取万用表显示的电流值，直至抗折强度试验机因样品被破坏而停止，记录此时的测量时间作为测量时间终值，记录万用表上的电流值作为电流测量终值，并记录抗折强度试验机上显示的抗折强度值，记为抗折强度2；
第四步，用各个测量时间的电流值计算出与各个测量时间相对应的电阻率值；
第五步，将第四步中计算得出的电阻率值作为因变量、对应的测量时间为自变量作图，用测量时间终值作为自变量最大值，用电流测量终值计算出的电阻率作为因变量最大值，得到电阻率-时间的关系曲线；
第六步，计算第五步中所得的曲线上每一个测量点所在位置的斜率，以确定斜率最大值及次大值的测量点横坐标，即测量时间；
第七步，将第六步中确定的测量点横坐标乘以第三步中设定的加载速率即得该测量点处样品所受荷载，即为通过计算得到的抗折强度1；
第八步，将第七步中计算得出的两个荷载值抗折强度1与第三步中抗折强度试验机上显示的抗折强度值抗折强度2进行比较，即可判断混凝土材料的机敏性。
所述第四步中，电阻率值采用公式I计算：
Figure BDA0003239160630000041
其中，ρ为样品的电阻率，V为施加在外侧两个电极上的电压值，A为样品横截面积，I为使用万用表在内侧两个电极处测得的电流值，L为内侧两个电极间的距离；
所述混凝土材料为超高性能混凝土材料。
第三步中，所述间隔时间为5s；
第七步中，抗折强度1的计算公式为
F＝t*v
式中，F--所受荷载、单位为MPa，t--测量点横坐标、单位为s，v--加载速率、单位为MPa/s；
第八步中，当抗折强度1与抗折强度2的差值小于等于10％时，则判断混凝土材料具有机敏性。
发明的有益效果是：
(1)通过将导电颗粒纳入颗粒级配最紧密堆积设计，提高材料密实度，改善具有机敏性的超高性能混凝土的力学性能。
(2)通过在超高性能混凝土原材料中引入导电颗粒钢渣粉，使其与超高性能混凝土中已有的钢纤维形成导电通路，弥补超高性能混凝土孔溶液极少、无法形成完整的导电网络的缺陷，提高材料的导电性。
(3)对导电颗粒钢渣粉的最低含铁量及最低掺量进行限制，并优化搅拌工艺，保证制备的超高性能混凝土具有良好的导电性和机敏性。
附图说明
图1是“四电极法”测量混凝土电阻率方法示意图。
图2是实施例1-5产品的电阻率测试结果图。
图3是实施例1-5产品的抗折强度测试结果图。
图4是实施例1产品的电阻率-时间的关系曲线。
图5是实施例2产品的电阻率-时间的关系曲线。
图6是实施例3产品的电阻率-时间的关系曲线。
图7是实施例4产品的电阻率-时间的关系曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明。
下述实施例中的实验方法，如无特别说明，均为常规方法。
实施例1
一、实验原料
本发明的具有导电性和机敏性的超高性能混凝土材料原料组成如下：水泥100份、硅灰21.4～37.5份、钢渣粉21.4份～112.5份、细集料142.8～250份、减水剂2～3.75份、钢纤维(体积掺量)1.0～2.0％、水25.7～45份。
原料要求为：
水泥为硅酸盐水泥；
硅灰的比表面积≥15000m2/kg，SiO2质量含量≥90％；
钢渣粉含铁量不低于20％，铁含量太低的情况下制备的混凝土材料无法产生导电效果；本实施例中使用的钢渣粉含铁量为33％，购自上海宝钢新型建材科技有限公司；
并且，钢渣粉各项性能应满足《矿物掺合料应用技术规范》(GB/T 51003-2014)中关于钢渣粉的相关规定及《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》(GB/T 20491-2017)相关规定，比表面积应不小于400m2/kg；
细集料为河砂或石英砂，河砂的最大颗粒粒径为1mm，石英砂细度为18～100目；
钢纤维长度为15～25mm，直径为0.1～0.3mm，钢纤维类型为长直型；
减水剂为聚羧酸系减水剂，减水率不小于25％。
二、制备方法
采用上述原料，按照如下步骤制备本发明的具有导电性和机敏性的超高性能混凝土材料：
(1)干料拌合：将水泥、硅灰、细集料、钢渣粉及固体减水剂按重量比称取后混匀；
(2)加水拌合：待干料混匀后，在搅拌条件下将水倒入干料中，拌匀；
若减水剂采用液态减水剂，则步骤(1)中不含减水剂，将液态减水剂与水一同加入混匀后的干料中，拌匀；
(3)加入纤维：待步骤(2)中混合物呈均匀的、稳定的流态状后，在搅拌条件下加入钢纤维，搅拌均匀至混合物稳定；
在步骤(3)中，将钢纤维置于筛孔尺寸2.5mm或4.75mm的筛上，均匀、持续地摇动筛网，使得钢纤维通过筛孔加入到步骤(2)中的混合物并充分搅拌，经成型养护后，即得本发明的掺钢渣粉的具有导电性和机敏性的超高性能混凝土材料。
采用上述原料和制备方法，制备了实施例1-10的超高性能混凝土材料，具体配比如表1中所示，表1中除了钢纤维用量是体积掺量外，其余原料为重量份数。
表1
Figure BDA0003239160630000071
Figure BDA0003239160630000081
实施例1-5为实验研究的第一阶段，在各项材料及掺量最优的条件下，研究钢渣粉对机敏性及力学性能的最佳掺量。
实施例6-8为实验研究的第二阶段，验证河砂代替石英砂的可行性。
实施例9-10为实验研究的第三阶段，验证钢纤维掺量的合适范围值。
三、产品性能测试
对制得的实施例1-10的超高性能混凝土材料进行性能测试。导电性测试与抗折强度测试同时进行。
导电性测试：采用“四电极法”测量样品的电阻率，即在试样上排布四个电极，在外侧的两个电极上施加一定的电压，在内侧的两个电极上使用万用表测量电流，如图1所示，使用以下公式计算电阻率：
Figure BDA0003239160630000082
其中，ρ为样品的电阻率，V为施加在外侧两个电极上的电压值，A为样品横截面积，I为使用万用表在内侧两个电极处测得的电流值，L为内侧两个电极间的距离，以上物理量均为标准单位。
抗折强度：抗折强度的测量按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GBT50081-2019)中关于抗折强度测量的相关内容进行。
测试结果如表2中所示。
表2
Figure BDA0003239160630000091
从表2中可以看出，从实施例6-8的结果可以得知使用河砂代替石英砂不会造成对产品性能不良后果，因此可以用成本低的河砂替代石英砂。而实施例5的产品抗折强度太差。
对实施例1-5产品的抗折强度和电阻率变化进行统计分析，结果如图2、3所示，图中样品编号1-5依次代表实施例1-5产品编号，从图中可以看出，当钢渣粉用量由0-240份时，电阻率显著下降，说明导电性随钢渣粉掺量的增加而改善，机敏性由此得到改善；而当钢渣粉用量由0-240份时，抗折强度显著下降，说明力学性能随钢渣粉掺量的增加而变差。实验结果表明：钢渣粉掺量的提高对导电性的提高有积极的作用、对力学性能的提高有负面作用。
实施例2、机敏性测试
本发明中术语“机敏性”是指混凝土材料在受到荷载作用而发生形变时，其导电性能发生相应变化的性质；材料的机敏性一般用途在于，通过实时测量材料的导电性相关指标(如电阻率、电流等)推导出材料当前所受荷载及形变大小，在混凝土结构荷载自感知、损伤自诊断的领域具有广阔的应用前景。
对实施例1-4制得的产品进行机敏性测试。
操作步骤如下：
第一步，将按照图1所示安装完毕的超高性能混凝土样品置于抗折强度试验机上；
第二步，开启抗折强度试验机、图1中所示的电源和万用表，以此时为测量“0”时，在万用表上读取的电流读数为初始电流值；
第三步，按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GBT 50081-2019)中关于抗折强度测量的相关规定向超高性能混凝土样品持续、均匀加载，并每隔5秒读取并记录万用表显示的电流值，直至抗折强度试验机因样品被破坏而停止，记录此时的测量时间作为测量时间终值，记录万用表上的电流值作为电流测量终值，并记录抗折强度试验机上显示的抗折强度值，记为抗折强度2；
第四步，根据公式I用各个测量时间的电流值计算出与各个测量时间相对应的电阻率值；
第五步，将第四步中计算得出的电阻率值作为因变量、对应的测量时间为自变量作图，用测量时间终值作为自变量最大值，用电流测量终值计算出的电阻率作为因变量最大值，得到电阻率-时间的关系曲线(例如图4～7)。
第六步，计算第五步中所得的曲线上每一个测量点所在位置的斜率，以确定斜率最大值及次大值的测量点横坐标(即测量时间，单位为s)；
第七步，将第六步中确定的测量点横坐标(单位为s)乘以第三步中设定的加载速率(单位为MPa/s)即得该测量点处样品所受荷载(单位为MPa)(即通过计算得到的抗折强度1)，计算公式为：
F＝t*v (公式II)
式中，F--所受荷载(单位为MPa)，t--测量点横坐标(单位为s)，v--加载速率(单位为MPa/s)。
第八步，将第七步中计算得出的两个荷载值(抗折强度1)与第三步中抗折强度试验机上显示的抗折强度值(抗折强度2)进行比较，即可判断混凝土材料的机敏性。
根据曲线斜率显著变化得出的时刻点并计算得出的抗折强度1与直接测量得出的抗折强度2具有可比性，证明可通过电阻率-时间曲线计算得出材料的抗折强度，预测材料发生破坏，即材料具有机敏性。
在实际应用过程中，混凝土材料受到的荷载是未知的，可以通过测量材料的电阻率变化来预测材料达到其强度极限即将发生破坏的时间，即电阻率发生显著增加的时间就是其达到强度极限将会被破坏的时间。
我们对实施例1～4的产品进行了测试和计算，经验证混凝土材料电阻率的突变与材料达到其强度极限具有一致性，具体如下：
对实施例1的产品进行分析，如图4所示，斜率急剧增加(最大值及次大值)的时刻点为280s及284s处，抗折强度测试加载速率为0.1023MPa/s，计算得到该处抗折强度1为28.644MPa及29.0532MPa，测量所得抗折强度为28.4MPa，计算所得抗折强度1与测量所得抗折强度2差值百分比为0.84％及2.3％，差值极小，表明电阻率的突变可以较为准确的预测抗折强度，材料机敏性较好。
对实施例2的产品进行分析，如图5所示，斜率急剧增加(最大值及次大值)的时刻点为257s及261s处，抗折强度测试加载速率为0.1023MPa/s，计算得到该处抗折强度1为26.291MPa及26.700MPa，测量所得抗折强度2为26.8MPa，计算所得抗折强度1与测量所得抗折强度2差值百分比为1.9％及0.37％，差值极小，表明电阻率的突变可以较为准确的预测抗折强度，材料机敏性较好。
对实施例3的产品进行分析，如图6所示，斜率急剧增加(最大值及次大值)的时刻点为220s及225s处，抗折强度测试加载速率为0.1023MPa/s，计算得到该处抗折强度1为22.506MPa及23.0175MPa，测量所得抗折强度2为22.4MPa，计算所得抗折强度1与测量所得抗折强度2差值百分比为0.47％及2.76％，差值极小，表明电阻率的突变可以较为准确的预测抗折强度，材料机敏性较好。
对实施例4的产品进行分析，如图7所示，斜率急剧增加(最大值及次大值)的时刻点为168s及172s处，抗折强度测试加载速率为0.1023MPa/s，计算得到该处抗折强度1为17.186MPa及17.596MPa，测量所得抗折强度2为17.1MPa，计算所得抗折强度1与测量所得抗折强度2差值百分比为0.50％及2.90％，差值极小，表明电阻率的突变可以较为准确的预测抗折强度，材料机敏性较好。

Claims (10)

1.一种具有导电性和机敏性的超高性能混凝土材料，其特征在于：包括如下重量份的组分：水泥100份、硅灰21.4～37.5份、钢渣粉21.4份～112.5份、细集料142.8～250份、减水剂2～3.75份、水25.7～45份，还包括体积掺量1.5～2.0％的钢纤维，优选减水剂2～3.5份。
2.如权利要求1所述的超高性能混凝土材料，其特征在于：所述水泥为硅酸盐水泥；所述硅灰的比表面积≥15000m2/kg，SiO2质量含量≥90％。
3.如权利要求1所述的超高性能混凝土材料，其特征在于：所述细集料为河砂或石英砂或河砂和石英砂的混合物，河砂的最大颗粒粒径为1mm，石英砂细度为18～100目。
4.如权利要求1所述的超高性能混凝土材料，其特征在于：所述钢纤维长度为15～25mm，直径为0.1～0.3mm，钢纤维类型为长直型。
5.如权利要求1所述的超高性能混凝土材料，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸系减水剂，减水率不小于25％；所述钢渣粉含铁量不低于20％。
6.一种具有导电性和机敏性的超高性能混凝土材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)干料拌合：将水泥、硅灰、细集料、钢渣粉及固体减水剂按重量比称取后混匀；
(2)加水拌合：待干料混匀后，在搅拌条件下将水倒入干料中，拌匀；
若减水剂采用液态减水剂，则步骤(1)中不含减水剂，将液态减水剂与水一同加入混匀后的干料中，拌匀；
(3)加入纤维：待步骤(2)中混合物呈均匀的、稳定的流态状后，在搅拌条件下加入钢纤维，搅拌均匀至混合物稳定，即得。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：在步骤(3)中，将钢纤维置于筛孔尺寸2.5mm或4.75mm的筛上，均匀、持续地摇动筛网，使得钢纤维通过筛孔加入到步骤(2)中的混合物并充分搅拌，经成型养护后，即得具有导电性和机敏性的超高性能混凝土材料。
8.一种混凝土材料的机敏性检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，按照“四电极法”测量电阻率要求安装待测样品：在样品上排布四个电极，在外侧的两个电极上施加电压，在内侧的两个电极上使用万用表测量电流；安装完毕的混凝土样品置于抗折强度试验机上；
第二步，开启抗折强度试验机、电极电源和万用表，以此时为测量“0”时，在万用表上读取的电流读数为初始电流值；
第三步，操作抗折强度试验机向混凝土样品持续、均匀加载，并间隔时间读取万用表显示的电流值，直至抗折强度试验机因样品被破坏而停止，记录此时的测量时间作为测量时间终值，记录万用表上的电流值作为电流测量终值，并记录抗折强度试验机上显示的抗折强度值，记为抗折强度2；
第四步，用各个测量时间的电流值计算出与各个测量时间相对应的电阻率值；
第五步，将第四步中计算得出的电阻率值作为因变量、对应的测量时间为自变量作图，用测量时间终值作为自变量最大值，用电流测量终值计算出的电阻率作为因变量最大值，得到电阻率-时间的关系曲线；
第六步，计算第五步中所得的曲线上每一个测量点所在位置的斜率，以确定斜率最大值及次大值的测量点横坐标，即测量时间；
第七步，将第六步中确定的测量点横坐标乘以第三步中设定的加载速率即得该测量点处样品所受荷载，即为通过计算得到的抗折强度1；
第八步，将第七步中计算得出的两个荷载值抗折强度1与第三步中抗折强度试验机上显示的抗折强度值抗折强度2进行比较，即可判断混凝土材料的机敏性。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述第四步中，电阻率值采用公式I计算：
Figure FDA0003239160620000031
其中，ρ为样品的电阻率，V为施加在外侧两个电极上的电压值，A为样品横截面积，I为使用万用表在内侧两个电极处测得的电流值，L为内侧两个电极间的距离；
所述混凝土材料为超高性能混凝土材料。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于：
第三步中，所述间隔时间为5s；
第七步中，抗折强度1的计算公式为
F＝t*v
式中，F--所受荷载、单位为MPa，t--测量点横坐标、单位为s，v--加载速率、单位为MPa/s；
第八步中，当抗折强度1与抗折强度2的差值小于等于10％时，则判断混凝土材料具有机敏性。
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