CN114988785A - 纳流体改性有机纤维增强混凝土及优化设计方法 - Google Patents

纳流体改性有机纤维增强混凝土及优化设计方法 Download PDF

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CN114988785A CN202210607638.6A CN202210607638A CN114988785A CN 114988785 A CN114988785 A CN 114988785A CN 202210607638 A CN202210607638 A CN 202210607638A CN 114988785 A CN114988785 A CN 114988785A
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朱继华
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Abstract

本发明公开了一种纳流体改性有机纤维增强混凝土及优化设计方法，包括如下步骤：获取所述纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻率与压应力的拟合关系；测量所述纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻；根据所述电阻率与压应力的拟合关系与所述电阻，确定所述纳流体改性有机纤维增强混凝土的压应力。通过测量纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻，并根据电阻率与压应力的拟合关系与电阻，确定纳流体改性有机纤维增强混凝土的压应力。

Description

纳流体改性有机纤维增强混凝土及优化设计方法
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，尤其涉及的是一种纳流体改性有机纤维增强混凝土及优化设计方法。
背景技术
混凝土材料作为当前建筑领域最重要的建筑材料之一，具有原材料来源丰富、施工方便成本低廉和强度性能长久稳定的优势。目前使用形式最广泛的钢筋混凝土结构利用混凝土与钢材之间的协同变形，发挥混凝土良好的抗压承载力与钢筋出色的抗拉性能；但是，混凝土受压过载时，受压区材料会立即发生脆性变形破坏，不仅影响建筑美观，还会引入游离水、氯离子、硫酸根离子等有害介质侵蚀钢筋，造成严重后果。现有技术中，混凝土在使用过程中，无法准确测量混凝土的压应力的大小，也就无法判断混凝土是否受压过载。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种纳流体改性有机纤维增强混凝土及优化设计方法，旨在解决现有技术中混凝土在使用过程中无法准确测量压应力的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种纳流体改性有机纤维增强混凝土，其特征在于，所述纳流体改性有机纤维增强混凝土包括：
混凝土结构，所述混凝土结构包括：水泥、沙粒以及减水剂；
纤维，分散在所述混凝土结构中；
石墨烯纳米流体外掺剂，分散在所述混凝土结构中；所述石墨烯纳米流体外掺剂包括石墨烯和聚乙烯醇；
其中，所述纳流体改性有机纤维增强混凝土中所述纤维的体积百分数为1v％-2v％，所述石墨烯的质量百分数为0.05wt％-0.1wt％。
一种纳流体改性有机纤维增强混凝土的优化设计方法，其中，所述纳流体改性有机纤维增强混凝土包括：
混凝土结构，所述混凝土结构包括：水泥、沙粒以及减水剂；
纤维，分散在所述混凝土结构中；
石墨烯纳米流体外掺剂，分散在所述混凝土结构中；所述石墨烯纳米流体外掺剂包括石墨烯和聚乙烯醇；
其中，所述纳流体改性有机纤维增强混凝土中所述纤维的体积百分数为1v％-2v％，所述石墨烯的质量百分数为0.05wt％-0.1wt％；
所述优化设计方法，包括以下步骤：
获取所述纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻率与压应力的拟合关系；
测量所述纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻；
根据所述电阻率与压应力的拟合关系与所述电阻，确定所述纳流体改性有机纤维增强混凝土的压应力。
所述的纳流体改性有机纤维增强混凝土的优化设计方法，其中，所述纳流体改性有机纤维增强混凝土中所述纤维的体积百分数为1.5v％，所述石墨烯的质量百分数为0.75wt％；
所述电阻率与压应力的拟合关系为：
(R-R0)/R0＝-2.53σ+2.5
其中，R表示载荷状态下纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻，R0表示无载荷状态下纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻，σ表示压应力。
所述的纳流体改性有机纤维增强混凝土的优化设计方法，其中，所述优化设计方法，还包括：
当所述压应力大于预设应力阈值时，对所述纳流体改性有机纤维增强混凝土进行加固。
所述的纳流体改性有机纤维增强混凝土的优化设计方法，其中，所述电阻率与压应力的拟合关系采用如下步骤得到：
在纳流体改性有机纤维增强混凝土的两个相对侧面分别贴上应变片；
在纳流体改性有机纤维增强混凝土的两个相对侧面分别贴上电极；
通过所述电极得到无载荷状态下纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻；
对纳流体改性有机纤维增强混凝土加载压力，并通过所述应变片得到压应力，通过所述电极得到载荷状态下纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻；
根据所述无载荷状态下纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻和所述载荷状态下纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻，确定电阻变化率；
对所述电阻变化率和所述压应力进行拟合，得到电阻率与压应力的拟合关系。
所述的纳流体改性有机纤维增强混凝土的优化设计方法，其中，所述纳流体改性有机纤维增强混凝土采用如下步骤得到：
提供水泥、沙粒、纤维、减水剂、聚乙烯醇、去离子水以及石墨；
将所述聚乙烯醇溶于所述去离子水得到，聚乙烯醇溶液；
将所述石墨加入到所述聚乙烯醇溶液，并进行液相剪切剥离、超声剥离以及离心并取上清液，得到石墨烯纳米流体外掺剂；其中，所述石墨烯纳米流体外掺剂中石墨烯的浓度为15g/L-18g/L；
将水泥和沙粒混合，得到混合物；
将所述减水剂和所述石墨烯纳米流体外掺剂加入所述混合物并搅拌，得到胶体成浆；
将纤维加入到所述胶体成浆并搅拌，得到混合浆体；
将所述混合浆体注入模具后，养护并脱模，得到纳流体改性有机纤维增强混凝土。
所述的纳流体改性有机纤维增强混凝土的优化设计方法，其中，所述将纤维加入到所述胶体成浆并搅拌，得到混合浆体，包括：
在第一搅拌速率搅拌下，将所述纤维加入所述胶体成浆至纤维结团后，调整至第二搅拌速率搅拌预设时间，再继续将所述纤维加入所述胶体成浆，得到混合浆体；其中，所述第一搅拌速率小于所述第二搅拌速率。
所述的纳流体改性有机纤维增强混凝土的优化设计方法，其中，所述纤维选自PE纤维、PVA纤维、碳纤维、钢纤维中的至少一种。
所述的纳流体改性有机纤维增强混凝土的优化设计方法，其中，所述聚乙烯醇溶液中聚乙烯醇的浓度为20g/L-30g/L；所述聚乙烯醇的分子量为31000-50000。
所述的纳流体改性有机纤维增强混凝土的优化设计方法，其中，所述养护的参数为：温度为18℃-22℃，湿度为95RH％-97RH％，时间为25天-30天；所述液相剪切剥离的参数为：转速为21000rpm，时间为30分钟，所述超声剥离的参数为：功率为1150w，时间为330分钟；所述离心的参数为：转速为10000rpm，时间为30分钟。
有益效果：通过测量纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻，并根据电阻率与压应力的拟合关系与电阻，确定纳流体改性有机纤维增强混凝土的压应力。
附图说明
图1是本发明中纳流体改性有机纤维增强混凝土的制备方法的第一流程图。
图2是本发明中纳流体改性有机纤维增强混凝土的制备方法的第二流程图。
图3是本发明中纳流体改性有机纤维增强混凝土的抗折强度图。
图4是本发明中狗骨试件的正面图。
图5是本发明中狗骨试件的侧面图。
图6是本发明中纳流体改性有机纤维增强混凝土的初裂应力图。
图7是本发明中纳流体改性有机纤维增强混凝土的峰值应力图。
图8是本发明中单裂缝试样正面图。
图9是本发明中单裂缝试样侧面图。
图10是本发明中单裂缝试验加载照片。
图11是本发明中PE纤维体积分数1％时混凝土的桥联应力-开口位移曲线图。
图12是本发明中PE纤维体积分数1.5％时混凝土的桥联应力-开口位移曲线图。
图13是本发明中PE纤维体积分数2％时混凝土的桥联应力-开口位移曲线图。
图14是本发明中立方体40×40×160mm试件预制裂缝照片。
图15是本发明中断裂韧度试验加载照片。
图16是本发明中纳流体改性有机纤维增强混凝土的断裂韧度图。
图17是本发明中导电试件实物图。
图18是本发明中纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻率图。
图19是本发明中导热试验简图。
图20是本发明中纳流体改性有机纤维增强混凝土的热导率图。
图21是本发明中纳流体改性有机纤维增强混凝土的优化设计方法的流程图。
图22是本发明中纳流体改性有机纤维增强混凝土的力敏测试的示意图。
图23是本发明中纳流体改性有机纤维增强混凝土循环载荷作用下的力敏测试结果图。
图24是本发明中电阻率变化与压应力之间拟合关系的拟合结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种纳流体改性有机纤维增强混凝土的优化设计方法的一些实施例。
现有技术中，混凝土的压应力测量，通常采用应变片进行测量，采用应变片测量混凝土的压应力采用的是间接方式测量。先将应变片贴在混凝土上，然后对混凝土按压，应变片随混凝土的应变一起伸缩，则通过应变片的电阻随之变化，从而测量得到混凝土的应力。
由于混凝土在使用状态下，混凝土处于受挤压状态，已经发生伸缩变形，无法通过在混凝土上贴上应变片测量混凝土的压应力。即使在混凝土一开始使用时贴上应变片，由于每块混凝土都要贴上应变片，测试成本较高。且每块混凝土使用时间较长，随着时间的推移，应变片无法准确测量混凝土，一旦应变片失效，无法继续采用应变片测量。
本申请制备了纳流体改性有机纤维增强混凝土，并直接测量纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻，从而可以根据电阻率与压应力的拟合关系与电阻，确定纳流体改性有机纤维增强混凝土的压应力。
请同时参阅图1-图20，本发明提供了一种纳流体改性有机纤维增强混凝土的制备方法的一些实施例。
目前，随着纳米技术兴起，各种结合纳米材料的研究也不断展开，纳米材料也被认为是“21世纪最有前途的材料”。国际上将0.1nm～100nm尺度下的超微颗粒及其聚集体以及纳米微晶构成的材料统称为纳米材料。正是由于其尺度很小，使其具有宏观物质材料无法具有的小尺寸效应、表面效应和量子效应等，从而使纳米材料具有特殊的物理化学性质，近年来有研究学者开始将纳米材料掺入到水泥基材料中改善其力学性能和耐久性能等。
当前，应用于水泥基材料的纳米材料主要是碳纳米材料，包括一维碳纳米管(简称CNTs)；二维的石墨烯纳米片(简称GNP)及其衍生物氧化石墨烯(GO)。一方面是碳原子之间的机械强度较高使得碳纳米材料力学性能优异，另一方面是碳纳米材料拥有独特的功能性，例如良好的导电电学性能和光学热学性能等。
通过分子动力学模拟研究了氧化石墨烯和石墨烯等对水泥基材料的作用机理，结果表明石墨烯和水化产物间具有较强的界面粘结强度可达1.2GPa，同时石墨烯能够有效提高水泥基的密实度和模量等。通过掺入石墨烯纳米片(GNPs)增强地聚物复合材料的力学性能，实验表明当GNPs掺量超过地聚物1.0wt.％，复合材料抗折抗压强度分别提高2.16倍和1.44倍，但当掺量达到一定量后，原子力显微镜下会观测到GNPs存在团聚重叠现象。研究发现，通过向水泥砂浆中掺入0.03wt.％的GO，复合材料抗拉强度、抗折抗压强度分别提高65.5％、60.7％和38.9％；同时GO存在模板效应，其表面的活性基团能够作为成核位点，促进周围的水化产物生成并成花朵状晶体。研究表明GO对于水泥水化进程及主要水化产物的影响，研究表明GO对于水化进程并无明显影响，但是其会影响水化产物生成形态，并且能够明显抑制片状氢氧化钙生成。采用非共价修饰将石墨烯片分散到水泥净浆中，对水泥浆体的抗氯离子性能进行研究，试验结果显示，石墨烯掺入能够有效提高水泥净浆的抗氯离子渗透性，其氯离子渗透深度和渗透系数最高降低了37％和42％，石墨烯纳米片在水泥基中能够起到填充和阻裂作用，同时石墨烯也能促进水化进程。
(2)纳米改性纤维增强水泥基复合材料研究现状
通过将纳米材料与纤维相结合的方法，可以适当改善纤维水泥基复合材料微观尺度下的性能。既可以用于功能改性，也可以改善力学性能。
研究表明掺入纳米炭黑的应变硬化纤维水泥基材料(SHCC)的拉伸力阻效应，发现复合材料在拉伸弹性阶段，单位应变下电阻率随炭黑掺量增加而增加，且在应变硬化阶段该变化率为弹性阶段的5～32倍。将纳米石墨烯片(GNPs)和氧化石墨烯(GO)分别掺入SHCC中，其拉伸力学性能、导电性和力阻效应。试验发现当GNPs掺量低于0.8％时，SHCC的导电性能和拉伸强度均随掺量增加而提高，但拉伸延性并无明显变化但其拉伸循环过程中表现良好的力阻效应；当GO掺量为0～0.05％时，GO-SHCC的拉伸强度和延性均低于素SHCC，且试件表面开裂裂纹较少，但其单位应变下的电阻率变化较不掺GO更为灵敏。
掺入GO的PVA-SHCC的力学性能，试验结果发现掺入0.08wt.％GO时，SHCC的抗压强度、抗拉强度和抗弯强度分别提高24.8％、37.7％和80.6％；但当GO掺量达到0.12wt.％时，力学强度较0.08％掺量时均有所下降。通过应变硬化水泥基材料的微观力学设计理论分析，发现掺入GO能够提升基体材料的纤维桥联强度和裂缝尖端开裂韧度，但仍然满足强度准则和能量准则的要求，使得SHCC开裂模式仍然呈现多缝开裂的准应变硬化特征。后来，通过电化学沉积法将GO电镀到碳纤维表面，进而研究碳纤维水泥基复合材料(CFRC)的力学改变。试验过程中发现，经过表面镀GO的碳纤维丝相比于普通碳纤维丝在模拟孔溶液中分散性更好；且GO改性的CFRC抗弯强度相比未改性的CFRC提高10.53％。
本发明由于在通过液相剪切剥离、超声剥离协同作用，将石墨充分剥离成石墨烯，提高石墨烯纳米流体外掺剂中石墨烯的浓度的上限，则可以简单方便调节纳流体改性有机纤维增强混凝土中石墨烯的质量百分数，得到不同力学性能要求、导电性能以及导热性能的纳流体改性有机纤维增强混凝土。
如图1所示，本发明实施例的纳流体改性有机纤维增强混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤S100、提供水泥、沙粒、纤维、减水剂、聚乙烯醇、去离子水以及石墨。
具体地，分别提供如下原料：水泥、沙粒、减水剂、纤维、石墨、去离子水以及聚乙烯醇。沙粒的直径为。所述纤维选自PE纤维、PVA纤维、碳纤维、钢纤维中的至少一种。为了便于将石墨剥离成石墨烯，所述石墨为过100目筛的石墨。
步骤S200、将所述聚乙烯醇溶于所述去离子水得到，聚乙烯醇溶液。
步骤S300、将所述石墨加入到所述聚乙烯醇溶液，并进行液相剪切剥离、超声剥离以及离心并取上清液，得到石墨烯纳米流体外掺剂；其中，所述石墨烯纳米流体外掺剂中石墨烯的浓度为15g/L-18g/L。
具体地，将聚乙烯醇加入到溶液中后进行搅拌，得到聚乙烯醇溶液，所述聚乙烯醇溶液中聚乙烯醇的浓度为20g/L-30g/L。然后将石墨加入到聚乙烯醇溶液中，并依次进行液相剪切剥离、超声玻璃以及离心，离心的目的是分离未剥离的石墨与石墨烯，石墨烯由于质量较小，会悬浮在聚乙烯醇溶液中，而石墨烯受到离心力的作用会下沉至底部，因此，取上清液，得到石墨烯纳米流体外掺剂；所述石墨烯纳米流体外掺剂中石墨烯的浓度为15g/L-18g/L；所述聚乙烯醇的分子量为31000-50000。
石墨烯-聚乙烯醇(PVA)分散液是指石墨烯和聚乙烯醇的水溶液，在石墨烯-聚乙烯醇溶液中，由于聚乙烯醇的稳定作用，石墨烯具有较好的分散性，不发生团聚。
需要强调的是，通过液相剪切剥离结合超声剥离，可以大大提高剥离效果，使得分散液中石墨烯的浓度提高，达到15g/L-18g/L。因此，可以根据需要加入去离子水(或聚乙烯醇溶液)，得到不同石墨烯浓度的石墨烯纳米流体外掺剂，以便制备不同的纳流体改性有机纤维增强混凝土，实现混凝土的功能的多元化。
石墨烯纳米流体外掺剂不仅能促进纤维在水泥基体中的分散，更好的发挥纤维的桥接作用；还能使基体更为致密，提升水泥基体强度；良好导电导热材料石墨烯的掺入使纤维增强混凝土材料也具有很好的导电导热能力。
所述液相剪切剥离的参数为：转速为21000rpm，时间为30分钟；所述超声剥离的参数为：功率为1150w，时间为330分钟；所述离心的参数为：转速为10000rpm，时间为30分钟。
步骤S400、将水泥和沙粒混合，得到混合物。
具体地，水泥以及沙粒先混和，得到混合物，可以利用搅拌机构进行搅拌实现混合，目的在于将水泥和沙粒充分混合均匀。
步骤S500、将所述减水剂和所述石墨烯纳米流体外掺剂加入所述混合物并搅拌，得到胶体成浆。
具体地，将减水剂和石墨烯纳米流体外掺剂加入到混合物中，并搅拌，得到胶体成浆。由于石墨烯纳米流体外掺剂中有水，因此，在搅拌过程中水泥等原料在水的作用下发生反应。
具体地，在加入减水剂和石墨烯纳米流体外掺剂时，为了提高混合均匀性，减水剂可以分多次加入，石墨烯纳米流体外掺剂也可以分多次加入。
步骤500具体包括：
步骤S510、将所述减水剂和所述石墨烯纳米流体外掺剂均分成两份，得到第一份减水剂、第二份减水剂、第一份石墨烯纳米流体外掺剂以及第二份石墨烯纳米流体外掺剂。
步骤S520、将所述第一份减水剂和所述第一份石墨烯纳米流体外掺剂加入所述混合物并搅拌10秒-1分钟后，再将所述第二份减水剂和所述第二份石墨烯纳米流体外掺剂加入所述混合物并继续搅拌，得到胶体成浆。
将减水剂分成两份，先后加入混合物中，石墨烯纳米流体外掺剂也分成两份，先后加入混合物中。自加入减水剂和石墨烯纳米流体外掺剂搅拌的时间为1分钟-3分钟，在水泥未固化时进行下一步(步骤S600)。
所述第一份减水剂与所述第二份减水剂的质量比为3:2；所述第一份石墨烯纳米流体外掺剂与所述第二份石墨烯纳米流体外掺剂的质量比为3:2。
步骤S600、将纤维加入到所述胶体成浆并搅拌，得到混合浆体。
具体地，将纤维加入到所述胶体成浆并搅拌，得到混合浆体。需要说明的是，可以在胶体成浆搅拌下加入纤维，而且纤维可以分多次加入，以提高混合均匀性，从而确保混凝土的性能均一。
步骤S600具体包括：
步骤S610、在第一搅拌速率搅拌下，将所述纤维加入所述胶体成浆至纤维结团后，调整至第二搅拌速率搅拌预设时间，再继续将所述纤维加入所述胶体成浆，得到混合浆体；其中，所述第一搅拌速率小于所述第二搅拌速率。
可以采用抓取胶体成浆中的纤维来判断纤维是否结团，纤维结团时，纤维并不是均分分布的，而是缠绕在一起。需要说明的是，当纤维加入量较少时，纤维添加完了也可能不会出现纤维结团的问题，则在将所有纤维加入胶体成浆后，调整至第二搅拌速率搅拌预设时间，得到混合浆体。也就是说，当纤维没有出现结团现象时，说明纤维的分散较均匀，因此，第二搅拌搅拌预设时间即可。如果纤维未添加完就出现结团的问题，则需要增加搅拌速率，消除结团问题，并继续添加纤维，直至所有纤维添加完，得到混合浆体。
第一搅拌速率为100-200转/分钟，第二搅拌速率为300-600转/分钟。例如，第一搅拌速率为140转/分钟，第二搅拌速率为420转/分钟。需要说明的是，为了确保搅拌时间一致，可以先将纤维分成两份：第一份纤维和第二份纤维，在第一搅拌速率搅拌下，将所述第一份纤维加入所述胶体成浆后，调整至第二搅拌速率搅拌预设时间，再继续将所述第二份纤维加入所述胶体成浆，得到混合浆体；其中，所述第一搅拌速率小于所述第二搅拌速率。两份纤维的量可以根据需要设置，例如，所述第一份纤维与所述第二份纤维的质量比为1:1。
此外，可以理解的是，购买的纤维成束聚集状态，需要提前将纤维分散，然后再添加至胶体成浆。
步骤S700、将所述混合浆体注入模具后，养护并脱模，得到纳流体改性有机纤维增强混凝土。
具体地，得到混合浆体后，就可以注入模具，并养护后脱模得到纳流体改性有机纤维增强混凝土。所述养护的参数为：温度为18℃-22℃，湿度为95RH％-97RH％，时间为25天-30天。
所述纤维采用PE纤维，且纤维的体积百分数分别为1v％(记为PE-1.0％)、1.5v％(记为PE-1.5％)以及2v％(记为PE-2.0％)，石墨烯的质量百分数为0wt％(记为G-0％)、0.025wt％(记为G-0.025％)、0.05wt％(记为G-0.05％)、0.075wt％(记为G-0.075％)以及0.1wt％(记为G-0.1％)，得到纳流体改性有机纤维增强混凝土后，进行如下性能表征：
抗折性能与抗压性能
通过三联模模具制作40×40×160mm立方体试块，每组设6块平行试件。水泥基材料在试件浇筑完成24h后在标准养护条件下养护28d，并参考标准《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》对试件进行抗折抗压力学性能测试。采用恒加载水泥抗折抗压试验机，其中抗折试验：试件居中放置，上方的加载头以50N/s速率向下加载，直至试件断裂破坏；抗压试验：直接利用抗折破坏的一部分半棱柱体试件，对其侧面进行压缩，以2400N/s的速率加载至试件破坏，并记录显示的强度值。如图3所示，当纤维掺量为1.0％，石墨烯掺量为0.1％时强度达到17.16MPa，较不掺石墨烯组提高26.0％；当纤维掺量为1.5％，石墨烯掺量为0.075％强度达到17.28MPa，较不掺石墨烯组提高12.1％。
单轴拉伸试验
拉伸狗骨试件尺寸参照JSCE规范，详细尺寸见图4和图5所示，养护条件及养护龄期与抗折性能与抗压性能相同，每组配比设4个平行试样。狗骨试件采用10kN量程的东测MTS拉力试验机进行拉伸加载，通过特制的具有斜边的楔形夹头将试件与设备相连，采用YBC 80-10型号引伸计测量试件位移，并在测量区段中部位置贴应变片测量弹性拉伸阶段的应变，最后通过DHDAS动态采集系统采集分析加载过程中产生力和位移等数据，加载速率为位移加载控制，速率大小为0.4mm/min。如图6和图7所示，纤维掺量为1.0v％，石墨烯掺量为0.1wt％时，初裂应力提升4.0％，峰值应力提升了10.2％。纤维掺量为1.5v％，石墨烯掺量为0.075wt％时，初裂应力和峰值应力较未掺石墨烯组分别提升6.1％和8.8％。当纤维含量为2.0v％，石墨烯掺量为0.05wt％时，初裂应力与峰值应力分别提升5.5％和2.4％。
单裂缝拉伸试验
采用狗骨形状试样制样，在狗骨试样中间位置预制一条沿宽边方向深度为7mm、沿厚度方向深度为2mm的环状裂缝，裂缝宽度为1.2mm(图8和图9)。采用YYJ-4/10型号夹子引伸计测量裂缝处开口位移，沿侧向一边布置一个，引伸计两侧用间距为10mm的两片铁片固定位置，如图10。拉伸加载速率设置为0.2mm/min。如图11-图13所示，纤维掺量为1.0v％与1.5v％，石墨烯掺量为0.1wt％时桥联强度较不掺石墨烯分别提高了12.2％和8.8％。当纤维掺量为2.0v％，石墨烯掺量为0.05wt％时，桥联强度提高6.9％。
断裂韧度试验
采用40×40×160mm棱柱体为基准试件，并用切割机在跨中部分预制16mm深裂缝，缝高比为0.4，试件制作如图14。每组设置3个平行试件，养护条件同上。采用三点抗弯加载，在加载之前，在两侧距裂缝尖端5mm处各贴一片应变片以精确测量开裂荷载P。试件开有预制裂缝一面朝下，试件上端加载头与裂缝面保持同一竖向位置，跨径设置为120mm，并在试件底部中间位置放置一只YYJ-4/10夹子引伸计测量裂缝口开口位移(CMOD)，加载过程采用0.2mm/min位移加载，试验加载如图15所示。如图16所示，纤维掺量为1.0v％，石墨烯掺量为0.1wt％时，韧度达到1.35MPa·m1/2较未掺石墨烯组提高23.9％。纤维掺量为1.5v％，石墨烯掺量为0.075wt％时出现峰值1.53MPa·m1/2。纤维掺量为2.0v％，石墨烯掺量为0.05wt％时出现最大值为1.72MPa·m1/2其相对未掺石墨烯提高近16.2％。
电阻率测试
采用四电极法测量复合材料的电阻率。试件采用40×40×160mm棱柱体试块，然后采用四片铜网作为电极对称分布，其中内部铜网间距为80mm，外侧铜片距内侧20mm(图17)，每组变量设3个平行试件，养护条件同上。采用GAMRY电化学工作站进行四电极法测量电阻率，工作原理为工作站通过外侧两个电极向试件输入恒定电流(此处设为100μA)，然后内侧两个电极可以接受电极之间的电压信号。然后根据公式求出试件电阻率。
Figure BDA0003672043780000141
其中，ρ为实测电阻率；R为内侧电极片之间的电阻值，由欧姆定律可得；A为试件横截面导电面积；L为内侧电极之间的距离。如图18所示，PE纤维掺量为1.0v％，石墨烯掺量为0.1wt％时，电阻率为17.78kΩ·cm，较未加石墨烯下降63.7％。
导热性能测试
根据GB T 11205-2009采用瞬态热线法测量导热系数。将样品切割成40mm×40mm×5mm的薄片状，把样品截面打磨平整光滑，再将其放入105℃的烘箱中干燥48小时，最后使用TC3000导热系数测试仪测量其导热系数(图19)，每组实验有3个平行试件，为了得到准确的结果，每个试件测试3次取平均值。如图20所示，加入0.1wt.％的石墨烯导热系数升至1.07W/m·K，提升了16％。
所述纳流体改性有机纤维增强混凝土中，所述PE纤维的体积百分数为1v％时，所述石墨烯的质量百分数为0.1wt％；或者所述PE纤维的体积百分数为1.5v％时，所述石墨烯的质量百分数为0.075wt％；或者所述PE纤维的体积百分数为2v％时，所述石墨烯的质量百分数为0.05wt％。
当PE纤维的体积百分数为1v％，石墨烯的质量百分数为0.1wt％时，纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻率较低，此外抗折强度、峰值应力也较高，也就是说，为了追求导电性能和导热性能最佳，且力学性能不弱时，可以采用PE纤维的体积百分数为1v％，石墨烯的质量百分数为0.1wt％。
当PE纤维的体积百分数为1.5v％，石墨烯的质量百分数为0.075wt％时，纳流体改性有机纤维增强混凝土的力学性能、导电性能以及导热性能达到平衡，也就是说，为了追求力学性能、导电性能以及导热性能同时较高时，可以采用PE纤维的体积百分数为1.5v％时，石墨烯的质量百分数为0.075wt％。
当PE纤维的体积百分数为2v％，石墨烯的质量百分数为0.05wt％时，纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻率较低，此外抗折强度、峰值应力也较高，也就是说，为了追求力学性能最佳，且导电性能和导热性能不弱时，可以采用PE纤维的体积百分数为2v％，石墨烯的质量百分数为0.05wt％。
综上可知，通过调整PE纤维的体积百分数以及石墨烯的质量百分数，得到不同功能的纳流体改性有机纤维增强混凝土。
实施例1
1.CFRCM制备工艺
采用后掺法制备CFCRM导电砂浆，首先将碳纤维和水泥、粉煤灰、硅灰等胶凝材料搅拌，然后再加入纳米导电材料分散液，在此实例中，使用自制石墨烯分散液。
石墨烯纳米流体外掺剂制备流程如下：
称取12.5g聚乙烯醇(PVA，Mw＝31000-50000)粉末置于500mL 90℃水中，磁力搅拌24h至PVA完全溶解；取25g石墨(100目，Mw＝12.01)置于PVA溶液中，以21,000rpm液相剪切剥离30min，随后采用1150W超声剥离处理330min，最后以10,000rpm离心30min，取上清液即为本实例所采用石墨烯纳米流体外掺剂。
采用的是JJ-05型水泥砂浆搅拌机，具体步骤如下：
分两级调速度，速度可调140和420转/每分钟，图2为整个搅拌过程，其中将称好的石墨烯纳米流体外掺剂、减水剂和水进行混合加入。当PE纤维掺量为2.0％vol时，由于纤维掺量较多，搅拌过程中需要用手伸入浆体中感受浆体状态，若已有少量纤维开始结团，立即停止加入纤维，待高速搅拌之后再慢慢加入纤维。整个纤维加入时间持续大约10min，待搅拌完成入模养护。
基于上述任意一实施例所述的纳流体改性有机纤维增强混凝土的制备方法，本发明还提供了一种纳流体改性有机纤维增强混凝土的实施例：
本发明的纳流体改性有机纤维增强混凝土包括：
混凝土结构，所述混凝土结构包括：水泥、沙粒以及减水剂；
纤维，分散在所述混凝土结构中；
石墨烯纳米流体外掺剂，分散在所述混凝土结构中；所述石墨烯纳米流体外掺剂包括石墨烯和聚乙烯醇；
其中，所述纳流体改性有机纤维增强混凝土中所述纤维的体积百分数为1v％-2v％，所述石墨烯的质量百分数为0.05wt％-0.1wt％。
基于上述任意一实施例所述的纳流体改性有机纤维增强混凝土的制备方法，本发明还提供了一种纳流体改性有机纤维增强混凝土的优化设计方法。
纳流体改性有机纤维增强混凝土的优化设计方法包括如下步骤：
A100、获取所述纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻率与压应力的拟合关系；
A200、测量所述纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻；
A300、根据所述电阻率与压应力的拟合关系与所述电阻，确定所述纳流体改性有机纤维增强混凝土的压应力。
先获取纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻率与压应力的拟合关系，在制备好纳流体改性有机纤维增强混凝土，先对纳流体改性有机纤维增强混凝土进行力敏性能测试，得到电阻率与压应力的拟合关系。然后则可以根据需要应用纳流体改性有机纤维增强混凝土，也就是说，纳流体改性有机纤维增强混凝土具体为应用时载荷状态下的纳流体改性有机纤维增强混凝土，在纳流体改性有机纤维增强混凝土应用时，处于载荷状态，受到挤压力。通过测量纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻，并根据电阻率与压应力的拟合关系与电阻，确定纳流体改性有机纤维增强混凝土的压应力。
所述电阻率与压应力的拟合关系采用如下步骤得到：
C100、在纳流体改性有机纤维增强混凝土的两个相对侧面分别贴上应变片；
C200、在纳流体改性有机纤维增强混凝土上贴上电极；
C300、通过所述电极得到无载荷状态下纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻；
C400、对纳流体改性有机纤维增强混凝土加载压力，并通过所述应变片得到压应力，通过所述电极得到载荷状态下纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻；
C500、根据所述无载荷状态下纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻和所述载荷状态下纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻，确定电阻变化率；
C600、对所述电阻变化率和所述压应力进行拟合，得到电阻率与压应力的拟合关系。
在纳流体改性有机纤维增强混凝土上贴上应变片和电极，并通过电极测试纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻，此时的电阻为无载荷状态下的电阻。然后对纳流体改性有机纤维增强混凝土加载压力，并通过应变片得到压应力，且通过电极测试纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻，此时的电阻为载荷状态下的电阻。根据无载荷状态下纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻和载荷状态下纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻，确定电阻变化率。
加载的压力不同，电阻变化率也就不同，压应力也就不同，通过调整加载压力的大小，得到各压应力对应的电阻变化率，对各压应力以及各压应力对应的电阻变化率进行拟合，得到电阻率与压应力的拟合关系。
为了确保电极的位置保持不变，在制备纳流体改性有机纤维增强混凝土时，配置电极。例如，在步骤S700中，将所述混合浆体注入模具后，插入电极，并进行养护后脱模，得到纳流体改性有机纤维增强混凝土。则在纳流体改性有机纤维增强混凝土使用过程中，直接连接电极即可测量纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻。电极有两个，分别为第一电极和第二电极，第一电极位于第二电极上方。当然，为了扩展纳流体改性有机纤维增强混凝土的应用场景，在制备纳流体改性有机纤维增强混凝土时，设置四个电极，分别位于正方形的四条边上。则可以根据需要摆放纳流体改性有机纤维增强混凝土，并选择上下方向的两个电极。
举例说明，对纤维的体积百分数为1.5v％，石墨烯的质量百分数为0.75wt％的纳流体改性有机纤维增强混凝土进行力敏性能测试。
采用二电极法对纳流体改性有机纤维增强混凝土进行力敏性测试。二电极测水泥净浆试块压敏性的示意图如图22所示。纳流体改性有机纤维增强混凝土作为试块被固定在万能试验机上，在试块两个相对的侧面中部贴上与长边平行的应变片并与采集仪连接，将电极与电化学工作站连接。在实验过程中，万能试验机对试块进行循环压力加载，循环次数为6次。循环加载的荷载应在弹性阶段范围(1/4～1/3强度)内，加载速率取0.2mm/min。加载的同时电化学工作站对试块施加持续的稳定电流，电流大小为0.01mA，并实时监测电压的变化。采集仪也在实时监测应变的变化。通过分析可以得到电阻与荷载的关系、电阻与应变的关系，最终可以计算得到试块电阻对压应变的灵敏系数。如图24所示，当纤维掺量为1.5v％，石墨烯掺量为0.075wt％时，纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻率变化与压应力之间拟合关系为(R-R0)/R0＝-2.53σ+2.5(方差为0.959)。
其中，R表示载荷状态下纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻，R0表示无载荷状态下纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻，σ表示压应力。(R-R0)/R0表示电阻变化率，则ΔR＝R-R0。
如图23所示，增加循环次数后，随着循环次数的增加，电阻变化率基本保持稳定。表明纳流体改性有机纤维增强混凝土具有较好的弹性和稳定性，这是由于混凝土结构中加入了纤维和石墨烯纳米流体外掺剂，确保了纳流体改性有机纤维增强混凝土的弹性阶段具有较好的线性应变。那么可以通过长期测量纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻，得到纳流体改性有机纤维增强混凝土的压应力。
纳流体改性有机纤维增强混凝土的优化设计方法还包括如下步骤：
A400、当所述压应力大于预设应力阈值时，对所述纳流体改性有机纤维增强混凝土进行加固。
在对纳流体改性有机纤维增强混凝土进行力敏性能测试，得到电阻率与压应力的拟合关系后，可以继续加大加载压力，得到纳流体改性有机纤维增强混凝土的弹性极限，并根据弹性极限配置预设应力阈值，当测试得到压应力大于预设应力阈值时，为了防止纳流体改性有机纤维增强混凝土内部微裂缝扩展形成新的裂缝，对纳流体改性有机纤维增强混凝土进行加固，避免纳流体改性有机纤维增强混凝土遭受破坏而丧失承载力。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种纳流体改性有机纤维增强混凝土，其特征在于，所述纳流体改性有机纤维增强混凝土包括：
混凝土结构，所述混凝土结构包括：水泥、沙粒以及减水剂；
纤维，分散在所述混凝土结构中；
石墨烯纳米流体外掺剂，分散在所述混凝土结构中；所述石墨烯纳米流体外掺剂包括石墨烯和聚乙烯醇；
其中，所述纳流体改性有机纤维增强混凝土中所述纤维的体积百分数为1v％-2v％，所述石墨烯的质量百分数为0.05wt％-0.1wt％。
2.一种纳流体改性有机纤维增强混凝土的优化设计方法，其特征在于，所述纳流体改性有机纤维增强混凝土包括：
混凝土结构，所述混凝土结构包括：水泥、沙粒以及减水剂；
纤维，分散在所述混凝土结构中；
石墨烯纳米流体外掺剂，分散在所述混凝土结构中；所述石墨烯纳米流体外掺剂包括石墨烯和聚乙烯醇；
其中，所述纳流体改性有机纤维增强混凝土中所述纤维的体积百分数为1v％-2v％，所述石墨烯的质量百分数为0.05wt％-0.1wt％；
所述优化设计方法，包括以下步骤：
获取所述纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻率与压应力的拟合关系；
测量所述纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻；
根据所述电阻率与压应力的拟合关系与所述电阻，确定所述纳流体改性有机纤维增强混凝土的压应力。
3.根据权利要求2所述的纳流体改性有机纤维增强混凝土的优化设计方法，其特征在于，所述纳流体改性有机纤维增强混凝土中所述纤维的体积百分数为1.5v％，所述石墨烯的质量百分数为0.75wt％；
所述电阻率与压应力的拟合关系为：
(R-R0)/R0＝-2.53σ+2.5
其中，R表示载荷状态下纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻，R0表示无载荷状态下纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻，σ表示压应力。
4.根据权利要求2所述的纳流体改性有机纤维增强混凝土的优化设计方法，其特征在于，所述优化设计方法，还包括：
当所述压应力大于预设应力阈值时，对所述纳流体改性有机纤维增强混凝土进行加固。
5.根据权利要求2所述的纳流体改性有机纤维增强混凝土的优化设计方法，其特征在于，所述电阻率与压应力的拟合关系采用如下步骤得到：
在纳流体改性有机纤维增强混凝土的两个相对侧面分别贴上应变片；
在纳流体改性有机纤维增强混凝土上贴上电极；
通过所述电极得到无载荷状态下纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻；
对纳流体改性有机纤维增强混凝土加载压力，并通过所述应变片得到压应力，通过所述电极得到载荷状态下纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻；
根据所述无载荷状态下纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻和所述载荷状态下纳流体改性有机纤维增强混凝土的电阻，确定电阻变化率；
对所述电阻变化率和所述压应力进行拟合，得到电阻率与压应力的拟合关系。
6.根据权利要求2所述的纳流体改性有机纤维增强混凝土的优化设计方法，其特征在于，所述纳流体改性有机纤维增强混凝土采用如下步骤得到：
提供水泥、沙粒、纤维、减水剂、聚乙烯醇、去离子水以及石墨；
将所述聚乙烯醇溶于所述去离子水得到，聚乙烯醇溶液；
将所述石墨加入到所述聚乙烯醇溶液，并进行液相剪切剥离、超声剥离以及离心并取上清液，得到石墨烯纳米流体外掺剂；其中，所述石墨烯纳米流体外掺剂中石墨烯的浓度为15g/L-18g/L；
将水泥和沙粒混合，得到混合物；
将所述减水剂和所述石墨烯纳米流体外掺剂加入所述混合物并搅拌，得到胶体成浆；
将纤维加入到所述胶体成浆并搅拌，得到混合浆体；
将所述混合浆体注入模具后，养护并脱模，得到纳流体改性有机纤维增强混凝土。
7.根据权利要求6所述的纳流体改性有机纤维增强混凝土的优化设计方法，其特征在于，所述将纤维加入到所述胶体成浆并搅拌，得到混合浆体，包括：
在第一搅拌速率搅拌下，将所述纤维加入所述胶体成浆至纤维结团后，调整至第二搅拌速率搅拌预设时间，再继续将所述纤维加入所述胶体成浆，得到混合浆体；其中，所述第一搅拌速率小于所述第二搅拌速率。
8.根据权利要求6所述的纳流体改性有机纤维增强混凝土的优化设计方法，其特征在于，所述纤维选自PE纤维、PVA纤维、碳纤维、钢纤维中的至少一种。
9.根据权利要求6所述的纳流体改性有机纤维增强混凝土的优化设计方法，其特征在于，所述聚乙烯醇溶液中聚乙烯醇的浓度为20g/L-30g/L；所述聚乙烯醇的分子量为31000-50000。
10.根据权利要求6所述的纳流体改性有机纤维增强混凝土的优化设计方法，其特征在于，所述养护的参数为：温度为18℃-22℃，湿度为95RH％-97RH％，时间为25天-30天；所述液相剪切剥离的参数为：转速为21000rpm，时间为30分钟，所述超声剥离的参数为：功率为1150w，时间为330分钟；所述离心的参数为：转速为10000rpm，时间为30分钟。
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