CN107651920A - 一种改性石墨烯水泥基复合材料及其制备与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改性石墨烯水泥基复合材料及其制备与应用，该改性石墨烯水泥基复合材料按照质量份包含以下组分：水30～50份、水泥100份、萘系减水剂0.35～2份、石墨烯0.5～4份、标准砂100～300份；制备流程如下：1)配制萘系减水剂溶液；2)制备改性石墨烯悬浮液；3)改性石墨烯水泥基复合材料制备。与现有技术相比，本发明的石墨烯水泥基复合材料具有制备工艺简单、机械强度高、耐久性好、结构致密等优点，其制备的压敏传感器具有应力及应变监测信号灵敏、信噪比低、服役稳定、与混凝土相容性好等优势。该压敏传感器在混凝土结构监测、交通流统计以及路面除冰等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种改性石墨烯水泥基复合材料及其制备与应用
技术领域
本发明涉及一种改性石墨烯水泥基复合材料及其制备与应用，属于水泥基复合材料领域。
背景技术
重大混凝土结构工程和基础设施的健康监测对人类具有越来越重要的作用，已经成为土木工程行业发展的一个必然趋势，这主要是由于严酷的自然环境以及材料本身老化会对结构产生灾难性破坏，从而对人们的生命财产安全造成非常严重的威胁。基于现有技术，可应用在混凝土结构健康监测的压敏传感器主要包括碳纳米管增强水泥基材料、乳液改性的石墨烯水泥基复合材料等，但是，这些传感器具有成本高、制备工艺复杂、应力及应变监测灵敏度低、耐久性差等缺点。随着纳米技术的发展，越来越多的研究者将纳米材料应用于水泥基材料中，不仅增强了水泥基材料的机械性能，且赋予了水泥基材料电、热、磁等特殊功能。石墨烯作为一种新型二维纳米材料，引起了广大学者的研究兴趣，通过特殊工艺将分散均匀的石墨烯掺加到水泥材料中获得水泥基复合材料压敏传感器，其具有良好的导电性、较强的压敏性和优良的耐久性等特点，同时与混凝土相容性好。石墨烯水泥基复合材料压敏传感器具有非常广阔的研究和应用前景，例如在交通探测、混凝土裂缝和损伤监测等领域。
自2004年A.Geim和K.Novoselov利用微机械剥离法获得单层石墨烯以来，石墨烯便以其独特结构和优异性能而备受青睐。然而，石墨烯的亲水性比较差，且颗粒之间的范德华力作用使其极易发生团聚,如果将石墨烯粉末直接掺入到水泥基体中，石墨烯自身的团聚性使其无法改善水泥基材料的性能。因此，制备出均匀分散的石墨烯悬浊液、改变石墨烯的掺加方式、优化制备工艺，对于石墨烯水泥基复合材料的成功制备尤为重要。
石墨烯是目前已知导电性最强的材料，是一种制备水泥基压敏传感器的优质材料。本发明主要从石墨烯分散液、传感器制备工艺以及电压信号采集等方面进行优化改善，提出了一种改性石墨烯水泥基复合材料及其制备与应用。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种改性石墨烯水泥基复合材料及其制备与应用，该改性石墨烯水泥基复合材料力学性能优异、灵敏度系数高、耐久性优良，且制备简单。
技术方案：本发明提供了一种改性石墨烯水泥基复合材料，该改性石墨烯水泥基复合材料按照质量份包含以下组分：
其中：
所述的水泥为普通硅酸盐水泥，其28d强度不低于52.5MPa。
所述的萘系减水剂的减水率为15％～25％。
所述石墨烯的粒径为7～8μm，厚度小于10nm，比表面积不低于120m2/g。
所述的标准砂的SiO2含量不低于98wt％，其粒度范围为0.08～2mm，其中0.08～0.5mm、0.5～1.0mm和1.0～2.0mm各占1/3。
所述的改性石墨烯水泥基复合材料28d抗压强度不低于60MPa，抗折强度不低于9MPa。
本发明还提供了一种改性石墨烯水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)配制萘系减水剂溶液：将萘系减水剂加入所需拌合用水总量50％～80％的水中，搅拌均匀，得到萘系减水剂溶液；
2)制备改性石墨烯悬浮液：将石墨烯粉末分批次加入萘系减水剂溶液中，超声分散后获得分散均匀的改性石墨烯悬浮液；
3)改性石墨烯水泥基复合材料制备：将石墨烯悬浮液加入到水泥干粉中，加入砂和剩余的水，搅拌均匀后，注入磨具，轻振至密实，养护后即可得到改性石墨烯水泥基复合材料。
其中：
步骤2)所述的将石墨烯粉末分批次加入萘系减水剂溶液中，超声分散后获得分散均匀的石墨烯悬浮液的具体步骤如下：每次向萘系减水剂溶液中加入水泥总质量0.05％～0.5％的石墨烯粉末，之后采用功率100～500W的超声波清洗器超声30～90min或者300～1000W的超声波细胞粉碎机超声10～30min；石墨烯粉末全部加入后，采用1000～1500W的超声波细胞粉碎机超声10～60min，获得分散均匀的改性石墨烯悬浮液。
步骤3)所述的养护是指在温度为20±2℃、相对湿度为95％以上的条件下养护28d以上。
本发明还提供了一种改性石墨烯水泥基复合材料的应用，该改性石墨烯水泥基复合材料应用于压敏传感器。
其中：
所述的压敏传感器的应力灵敏度为0.5％/MPa～5％/MPa，应变灵敏度为50～500。
所述的压敏传感器由改性石墨烯水泥基复合材料的试块和埋于其内部的四个电极组成，且四个电极从左至右依次分布于试块的同一个表面，并以试块表面的中轴线对称分布，形成两个内电极和两个外电极，试块中的石墨烯作为该试块的导电相。
所述的石墨烯水泥基复合材料的试块的大小(长、宽、高)为80～160×20～40×20～40mm3，所述两个内电极之间的距离为20～40mm，所述两个外电极之间的距离为60～120mm。
所述的压敏传感器进行信号检测时，对于两个外电极施加5～10V的直流电压，采用电子万能试验机对传感器进行循环压应力的加载与卸载，采用电化学工作站对两个内电极进行电压信号的采集，采用数字采集仪进行应变的采集，所述循环压应力的加载与卸载的速度均为50～400N/s，最大压应力为5～20MPa，最小压应力为0MPa。
所述采用电化学工作站对两个内电极进行电压信号的采集的方法为：每隔0.1s～2s采集一次数据，电压调节范围是从-10V～10V，总时间是4000s。
所述采用数字采集仪进行应变的采集方法为：每隔1s～5s进行采集1次数据。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
石墨烯具有极好的导电性与优良力学性能，本发明以石墨烯为导电填料，采用萘系减水剂对石墨烯进行改性，降低其表面能，使其具有良好分散性；
采用超声波清洗器和超声波细胞粉碎机进行超声分散，由此获得分散性及稳定性较好的石墨烯悬浮液，并解决了石墨烯分散不均等引起的水泥基复合材料力学、电学和压敏性能均匀性与重复性较差等问题；
所制备的改性石墨烯水泥基压敏传感器感知灵敏度高，具有非常广阔的应用前景。
附图说明
图1是石墨烯水泥基压敏传感器的模型图；
图2是实施例2中对应改性石墨烯水泥基复合材料的电压变化率与应力之间的关系图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1：未掺加改性石墨烯的水泥基材料
将202.5g水加入到450g水泥中，使用胶砂搅拌机慢搅至均匀，将1350g标准砂缓慢加入并继续搅拌均匀，注入模具，轻振至密实后，标准养护28d。
该改性石墨烯水泥基复合材料抗压强度为55MPa，抗折强度为8.2MPa。
在大小为80×40×40mm3的石墨烯水泥基复合材料试块中埋入4个电极得到压敏传感器，且四个电极从左至右依次分布于试块的同一个表面，并以试块表面的中轴线对称分布，形成两个内电极和两个外电极，所述从两个内电极之间的距离为40mm，所述两个外电极之间的距离为60mm。
对于两个外电极施加10V的直流电压，采用电子万能试验机对传感器进行循环压应力的加载与卸载，采用电化学工作站对两个内电极进行电压信号的采集，采用数字采集仪进行应变的采集，所述循环压应力的加载与卸载的速度均为50N/s，最大压应力为5MPa，最小压应力为0MPa。
所述采用电化学工作站对两个内电极进行电压信号的采集的方法为：每隔0.1s采集一次数据，电压调节范围是从-10V～10V，总时间是4000s。
所述采用数字采集仪进行应变的采集方法为：每隔1s进行采集1次数据。
该空白水泥基材料，不具有压敏性。
实施例2：石墨烯掺量为水泥质量的0.5％的石墨烯水泥基传感器
一种改性石墨烯水泥基复合材料由水、水泥、石墨烯、萘系减水剂(南京苏博特新材料有限公司提供)、标准砂组成，其中，石墨烯的粒径为7～8μm，厚度小于10nm，比表面积为不低于120m2/g。先称量1.575g萘系减水剂粉末，与162g水混合均匀，将0.225g(水泥质量0.05％)石墨烯粉末加入到萘系减水剂溶液中，使用功率为360W的超声波细胞粉碎机超声10min；重复上述步骤4次；再将0.225g石墨烯粉末加入到上述石墨烯分散液中，使用功率为720W的超声波细胞粉碎机超声10min；重复上述步骤4次，直至石墨烯掺量为2.25g。最后，采用功率为1200W的超声波细胞粉碎机超声10min,获得分散均匀的改性石墨烯悬浮液。将上述改性石墨烯悬浮液加入到450g水泥干粉中，同时加入40.5g水，使用胶砂搅拌机慢搅至均匀，将1350g标准砂缓慢加入其中，继续搅拌均匀，注入模具，轻振至密实后，在温度为20℃、相对湿度为95％以上的条件下养护28d后得到改性石墨烯水泥基复合材料。
该改性石墨烯水泥基复合材料28d抗压强度为65.5MPa，抗折强度为9MPa。
在大小为80×40×40mm3的墨烯水泥基复合材料试块中埋入4个电极得到压敏传感器，且四个电极从左至右依次分布于试块的同一个表面，并以试块表面的中轴线对称分布，形成两个内电极和两个外电极，所述从两个内电极之间的距离为40mm，所述两个外电极之间的距离为60mm。
对于两个外电极施加10V的直流电压，采用电子万能试验机对传感器进行循环压应力的加载与卸载，采用电化学工作站对两个内电极进行电压信号的采集，采用数字采集仪进行应变的采集，所述循环压应力的加载与卸载的速度均为50N/s，最大压应力为5MPa，最小压应力为0MPa。
所述采用电化学工作站对两个内电极进行电压信号的采集的方法为：每隔0.1s采集一次数据，电压调节范围是从-10V～10V，总时间是4000s。
所述采用数字采集仪进行应变的采集方法为：每隔1s进行采集1次数据。
该压敏传感器具有较强的压敏性，应变灵敏度及应力灵敏度分别为95、0.75％/MPa。
实施例3：石墨烯掺量为水泥质量的1％的石墨烯水泥基传感器
一种改性石墨烯水泥基复合材料由水、水泥、石墨烯、萘系减水剂(南京苏博特新材料有限公司提供)、标准砂组成，其中，石墨烯的粒径为7～8μm，厚度小于10nm，比表面积为不低于120m2/g。先称量2.25g萘系减水剂粉末，与162g水混合均匀，将0.45g(水泥质量0.1％)石墨烯粉末加入到萘系减水剂溶液中，使用功率为360W的超声波细胞粉碎机超声15min；重复上述步骤4次；再将0.45g石墨烯粉末加入到上述石墨烯分散液中，使用功率为720W的超声波细胞粉碎机超声30min；重复上述步骤4次，直至石墨烯掺量为4.5g。最后，采用功率为1200W的超声波细胞粉碎机超声30min,获得分散均匀的改性石墨烯悬浮液。将上述改性石墨烯悬浮液加入到450g水泥干粉中，同时加入40.5g水，使用胶砂搅拌机慢搅至均匀，将1350g标准砂缓慢加入其中，继续搅拌均匀，注入模具，轻振至密实后，在温度为20℃、相对湿度为95％以上的条件下养护28d后得到改性石墨烯水泥基复合材料。
该改性石墨烯水泥基复合材料28d抗压强度为68MPa，抗折强度为10MPa。
在大小为80×40×40mm3的墨烯水泥基复合材料试块中埋入4个电极得到压敏传感器，且四个电极从左至右依次分布于试块的同一个表面，并以试块表面的中轴线对称分布，形成两个内电极和两个外电极，所述从两个内电极之间的距离为40mm，所述两个外电极之间的距离为60mm。
对于两个外电极施加10V的直流电压，采用电子万能试验机对传感器进行循环压应力的加载与卸载，采用电化学工作站对两个内电极进行电压信号的采集，采用数字采集仪进行应变的采集，所述循环压应力的加载与卸载的速度均为50N/s，最大压应力为5MPa，最小压应力为0MPa。
所述采用电化学工作站对两个内电极进行电压信号的采集的方法为：每隔0.1s采集一次数据，电压调节范围是从-10V～10V，总时间是4000s。
所述采用数字采集仪进行应变的采集方法为：每隔1s进行采集1次数据。
该压敏传感器具有较强的压敏性，应变灵敏度及应力灵敏度分别为300、2.9％/MPa。
实施例4：石墨烯掺量为水泥质量2％的石墨烯水泥基压敏传感器
一种改性石墨烯水泥基复合材料由水、水泥、石墨烯、萘系减水剂(南京苏博特新材料有限公司提供)、标准砂组成，其中，石墨烯的粒径为7～8μm，厚度小于10nm，比表面积不低于120m2/g。先称量4.5g萘系减水剂粉末，与162g水混合均匀，将1.125g(水泥质量的0.25％)石墨烯粉末加入到萘系减水剂溶液中，使用功率为360W的超声波细胞粉碎机超声15min；重复上述步骤3次；将1.125g石墨烯粉末加入到上述石墨烯分散液中，使用功率为720W的超声波细胞粉碎机超声30min；重复上述步骤3次，直到石墨烯掺量为9g。最后，采用功率为1200W的超声波细胞粉碎机超声45min，可获得分散均匀的溶液。将上述石墨烯溶液加入到450g水泥干粉中，同时加入40.5g水，使用胶砂搅拌机慢搅至均匀，将1350g标准砂缓慢加入并继续搅拌均匀，注入模具，轻振至密实后，温度为22℃、相对湿度为95％以上的条件下养护28d后得到改性石墨烯水泥基复合材料。
该改性石墨烯水泥基复合材料28d抗压强度为72MPa，抗折强度为11MPa。
在大小为80×40×40mm3的墨烯水泥基复合材料试块中埋入4个电极得到压敏传感器，且四个电极从左至右依次分布于试块的同一个表面，并以试块表面的中轴线对称分布，形成两个内电极和两个外电极，所述从两个内电极之间的距离为40mm，所述两个外电极之间的距离为60mm。
对于两个外电极施加10V的直流电压，采用电子万能试验机对传感器进行循环压应力的加载与卸载，采用电化学工作站对两个内电极进行电压信号的采集，采用数字采集仪进行应变的采集，所述循环压应力的加载与卸载的速度均为50N/s，最大压应力为5MPa，最小压应力为0MPa。
所述采用电化学工作站对两个内电极进行电压信号的采集的方法为：每隔0.1s采集一次数据，电压调节范围是从-10V～10V，总时间是4000s。
所述采用数字采集仪进行应变的采集方法为：每隔1s进行采集1次数据。
该压敏传感器具有较强的压敏性，应变灵敏度及应力灵敏度分别为500、5％/MPa。
实施例5：石墨烯掺量为水泥质量4％的石墨烯水泥基压敏传感器
一种改性石墨烯水泥基复合材料由水、水泥、石墨烯、萘系减水剂(南京苏博特新材料有限公司提供)、标准砂组成，其中，石墨烯的粒径为7～8μm，厚度小于10nm，比表面积为不低于120m2/g。先称量9g萘系减水剂粉末，与162g水混合均匀，将2.25g(水泥质量的0.5％)石墨烯粉末加入到萘系减水剂溶液中，使用功率为360W的超声波细胞粉碎机超声30min；重复上述步骤3次；将2.25g石墨烯粉末加入到上述石墨烯分散液中，使用功率为720W的超声波细胞粉碎机超声30min；重复上述步骤3次，到石墨烯掺量为18g。最后，采用功率为1200W的超声波细胞粉碎机超声60min，可获得分散均匀的溶液。将上述石墨烯溶液加入到450g水泥干粉中，同时加入40.5g水，使用胶砂搅拌机慢搅至均匀，将1350g标准砂缓慢加入并继续搅拌均匀，注入模具，轻振至密实后，在温度为18℃、相对湿度为95％以上的条件下养护28d后得到改性石墨烯水泥基复合材料。
该改性石墨烯水泥基复合材料抗压强度为60MPa，抗折强度为9.5MPa。
在大小为80×40×40mm3的墨烯水泥基复合材料试块中埋入4个电极得到压敏传感器，且四个电极从左至右依次分布于试块的同一个表面，并以试块表面的中轴线对称分布，形成两个内电极和两个外电极，所述从两个内电极之间的距离为40mm，所述两个外电极之间的距离为60mm。
对于两个外电极施加10V的直流电压，采用电子万能试验机对传感器进行循环压应力的加载与卸载，采用电化学工作站对两个内电极进行电压信号的采集，采用数字采集仪进行应变的采集，所述循环压应力的加载与卸载的速度均为50N/s，最大压应力为5MPa，最小压应力为0MPa。
所述采用电化学工作站对两个内电极进行电压信号的采集的方法为：每隔0.1s采集一次数据，电压调节范围是从-10V～10V，总时间是4000s。
所述采用数字采集仪进行应变的采集方法为：每隔1s进行采集1次数据。
该压敏传感器具有较强的压敏性，应变灵敏度及应力灵敏度分别为260、2.5％/MPa。
实施例6：石墨烯掺量为水泥质量的1％的石墨烯水泥基传感器
一种改性石墨烯水泥基复合材料由水、水泥、石墨烯、萘系减水剂(南京苏博特新材料有限公司提供)、标准砂组成，其中，石墨烯的粒径为7～8μm，厚度小于10nm，比表面积为不低于120m2/g。先称量2.25g萘系减水剂粉末，与67.5g水混合均匀，将0.45g(水泥质量0.1％)石墨烯粉末加入到萘系减水剂溶液中，使用功率为100W的超声波清洗器超声90min；重复上述步骤4次；再将0.45g石墨烯粉末加入到上述石墨烯分散液中，使用功率为1200W的超声波细胞粉碎机超声20min；重复上述步骤4次，直至石墨烯掺量为4.5g；最后利用功率为1500W的超声波细胞粉碎机超声30min，获得分散均匀的改性石墨烯悬浮液。将上述改性石墨烯悬浮液加入到450g水泥干粉中，同时加入67.5g水，使用胶砂搅拌机慢搅至均匀，将450g标准砂缓慢加入其中，继续搅拌均匀，注入模具，轻振至密实后，在温度为20℃、相对湿度为95％以上的条件下养护28d后得到改性石墨烯水泥基复合材料。
在大小为80×20×20mm3的墨烯水泥基复合材料试块中埋入4个电极得到压敏传感器，且四个电极从左至右依次分布于试块的同一个表面，并以试块表面的中轴线对称分布，形成两个内电极和两个外电极，所述从两个内电极之间的距离为20mm，所述两个外电极之间的距离为60mm。
对于两个外电极施加5V的直流电压，采用电子万能试验机对传感器进行循环压应力的加载与卸载，采用电化学工作站对两个内电极进行电压信号的采集，采用数字采集仪进行应变的采集，所述循环压应力的加载与卸载的速度均为100N/s，最大压应力为5MPa，最小压应力为0MPa。
所述采用电化学工作站对两个内电极进行电压信号的采集的方法为：每隔0.1s采集一次数据，电压调节范围是从-10V～10V，总时间是4000s。
所述采用数字采集仪进行应变的采集方法为：每隔1s进行采集1次数据。
该压敏传感器具有较强的压敏性，应变灵敏度及应力灵敏度分别为321、2.70％/MPa。
实施例7：石墨烯掺量为水泥质量的1％的石墨烯水泥基传感器
一种改性石墨烯水泥基复合材料由水、水泥、石墨烯、萘系减水剂(南京苏博特新材料有限公司提供)、标准砂组成，其中，石墨烯的粒径为7～8μm，厚度小于10nm，比表面积为不低于120m2/g。先称量2.25g萘系减水剂粉末，与94.5g水混合均匀，将0.45g(水泥质量0.1％)石墨烯粉末加入到萘系减水剂溶液中，使用功率为200W的超声波清洗器超声75min；重复上述步骤4次；再将0.45g石墨烯粉末加入到上述石墨烯分散液中，使用功率为1200W的超声波细胞粉碎机超声20min；重复上述步骤4次，直至石墨烯掺量为4.5g；最后利用功率为1400W的超声波细胞粉碎机超声45min，获得分散均匀的改性石墨烯悬浮液。将上述改性石墨烯悬浮液加入到450g水泥干粉中，同时加入63g水，使用胶砂搅拌机慢搅至均匀，将900g标准砂缓慢加入其中，继续搅拌均匀，注入模具，轻振至密实后，在温度为20℃、相对湿度为95％以上的条件下养护28d后得到改性石墨烯水泥基复合材料。
在大小为100×20×40mm3的石墨烯水泥基复合材料试块中埋入4个电极得到压敏传感器，且四个电极从左至右依次分布于试块的同一个表面，并以试块表面的中轴线对称分布，形成两个内电极和两个外电极，所述从两个内电极之间的距离为40mm，所述两个外电极之间的距离为80mm。
对于两个外电极施加6V的直流电压，采用电子万能试验机对传感器进行循环压应力的加载与卸载，采用电化学工作站对两个内电极进行电压信号的采集，采用数字采集仪进行应变的采集，所述循环压应力的加载与卸载的速度均为200N/s，最大压应力为10MPa，最小压应力为0MPa。
所述采用电化学工作站对两个内电极进行电压信号的采集的方法为：每隔0.5s采集一次数据，电压调节范围是从-10V～10V，总时间是4000s。
所述采用数字采集仪进行应变的采集方法为：每隔2s进行采集1次数据。
该压敏传感器具有较强的压敏性，应变灵敏度及应力灵敏度分别为293、2.0％/MPa。
实施例8：石墨烯掺量为水泥质量的1％的石墨烯水泥基传感器
一种改性石墨烯水泥基复合材料由水、水泥、石墨烯、萘系减水剂(南京苏博特新材料有限公司提供)、标准砂组成，其中，石墨烯的粒径为7～8μm，厚度小于10nm，比表面积为不低于120m2/g。先称量2.25g萘系减水剂粉末，与141.75g水混合均匀，将0.45g(水泥质量0.1％)石墨烯粉末加入到萘系减水剂溶液中，使用功率为360W的超声波清洗器超声60min；重复上述步骤4次；再将0.45g石墨烯粉末加入到上述石墨烯分散液中，使用功率为1200W的超声波细胞粉碎机超声20min；重复上述步骤4次，直至石墨烯掺量为4.5g；最后利用功率为1200W的超声波细胞粉碎机超声45min，获得分散均匀的改性石墨烯悬浮液。将上述改性石墨烯悬浮液加入到450g水泥干粉中，同时加入60.75g水，使用胶砂搅拌机慢搅至均匀，将1125g标准砂缓慢加入其中，继续搅拌均匀，注入模具，轻振至密实后，在温度为20℃、相对湿度为95％以上的条件下养护28d后得到改性石墨烯水泥基复合材料。
在大小为120×40×40mm3的墨烯水泥基复合材料试块中埋入4个电极得到压敏传感器，且四个电极从左至右依次分布于试块的同一个表面，并以试块表面的中轴线对称分布，形成两个内电极和两个外电极，所述从两个内电极之间的距离为30mm，所述两个外电极之间的距离为90mm。
对于两个外电极施加8V的直流电压，采用电子万能试验机对传感器进行循环压应力的加载与卸载，采用电化学工作站对两个内电极进行电压信号的采集，采用数字采集仪进行应变的采集，所述循环压应力的加载与卸载的速度均为300N/s，最大压应力为15MPa，最小压应力为0MPa。
所述采用电化学工作站对两个内电极进行电压信号的采集的方法为：每隔1s采集一次数据，电压调节范围是从-10V～10V，总时间是4000s。
所述采用数字采集仪进行应变的采集方法为：每隔4s进行采集1次数据。
该压敏传感器具有较强的压敏性，应变灵敏度及应力灵敏度分别为200、1.5％/MPa。
实施例9：石墨烯掺量为水泥质量的1％的石墨烯水泥基传感器
一种改性石墨烯水泥基复合材料由水、水泥、石墨烯、萘系减水剂(南京苏博特新材料有限公司提供)、标准砂组成，其中，石墨烯的粒径为7～8μm，厚度小于10nm，比表面积为不低于120m2/g。先称量2.25g萘系减水剂粉末，与180g水混合均匀，将0.45g(水泥质量0.1％)石墨烯粉末加入到萘系减水剂溶液中，使用功率为500W的超声波清洗器超声30min；重复上述步骤4次；再将0.45g石墨烯粉末加入到上述石墨烯分散液中，使用功率为1200W的超声波细胞粉碎机超声20min；重复上述步骤4次，直至石墨烯掺量为4.5g；最后利用功率为1000W的超声波细胞粉碎机超声60min，获得分散均匀的改性石墨烯悬浮液。将上述改性石墨烯悬浮液加入到450g水泥干粉中，同时加入45g水，使用胶砂搅拌机慢搅至均匀，将1350g标准砂缓慢加入其中，继续搅拌均匀，注入模具，轻振至密实后，在温度为20℃、相对湿度为95％以上的条件下养护28d后得到改性石墨烯水泥基复合材料。
在大小为160×40×40mm3的墨烯水泥基复合材料试块中埋入4个电极得到压敏传感器，且四个电极从左至右依次分布于试块的同一个表面，并以试块表面的中轴线对称分布，形成两个内电极和两个外电极，所述从两个内电极之间的距离为40mm，所述两个外电极之间的距离为120mm。
对于两个外电极施加10V的直流电压，采用电子万能试验机对传感器进行循环压应力的加载与卸载，采用电化学工作站对两个内电极进行电压信号的采集，采用数字采集仪进行应变的采集，所述循环压应力的加载与卸载的速度均为400N/s，最大压应力为20MPa，最小压应力为0MPa。
所述采用电化学工作站对两个内电极进行电压信号的采集的方法为：每隔2s采集一次数据，电压调节范围是从-10V～10V，总时间是4000s。
所述采用数字采集仪进行应变的采集方法为：每隔5s进行采集1次数据。
该压敏传感器具有较强的压敏性，应变灵敏度及应力灵敏度分别为123、1％/MPa。
对比实施例1、2、3、4、5可知，相同制备工艺下，掺改性石墨烯的水泥基复合材料具有压敏性；适当提高石墨烯的掺量，会增大改性石墨烯水泥基复合材料的压敏性；但当石墨烯掺量过高时，石墨烯的分散不均、团聚等原因会使得传感器的监测信号相对减弱。
图2为实施案例2中，掺石墨烯的水泥基复合材料在固定加荷幅度循环加载下，电压与加载卸载的关系图；图中显示在小应力下，由于弹性变形是可重复的，在每次循环加载过程中，加载时电压随载荷增大而减小；当卸载时电压增大，电压与加载卸载之间有明显的对应关系。
表1为实施例2、3、4和5中应变灵敏度及应力灵敏度，对比发现较高掺量的改性石墨烯水泥基复合材料传感器具有较强的应力及应变监测信号。但当石墨烯掺量过高时，石墨烯的分散不均、团聚等原因会使得传感器的监测信号相对减弱。
表1 实施例2、实施例3、实施例4及实施例5中的应变及应力灵敏度
综上所述，本发明实施案例中的改性石墨烯水泥基复合材料，是以水泥为胶凝材料，萘系减水剂为分散剂，石墨烯为导电填料，标准砂为细骨料复合而成的水泥基复合材料。该发明将具有良好导电性的石墨烯均匀分散到水泥基复合材料中，实验表明石墨烯赋予了水泥基复合材料压敏性；适当提高石墨烯的掺量，会增大石墨烯水泥基复合材料的应力及应变灵敏度系数，有利于水泥基压敏材料应用于工程实际中。

Claims (10)

1.一种改性石墨烯水泥基复合材料，其特征在于：该改性石墨烯水泥基复合材料按照质量份包含以下组分：
2.如权利要求1所述的一种改性石墨烯水泥基复合材料，其特征在于：所述的水泥为普通硅酸盐水泥，其28d强度不低于52.5MPa。
3.如权利要求1所述的一种改性石墨烯水泥基复合材料，其特征在于：所述的萘系减水剂的减水率为15％～25％。
4.如权利要求1所述的一种改性石墨烯水泥基复合材料，其特征在于：所述石墨烯的粒径为7～8μm，厚度小于10nm，比表面积不低于120m2/g。
5.如权利要求1所述的一种改性石墨烯水泥基复合材料，其特征在于：所述的标准砂的SiO2含量不低于98wt％，其粒度范围为0.08～2mm，其中0.08～0.5mm、0.5～1.0mm和1.0～2.0mm各占1/3。
6.如权利要求1所述的一种改性石墨烯水泥基复合材料，其特征在于：所述的改性石墨烯水泥基复合材料28d抗压强度不低于60MPa，抗折强度不低于9MPa。
7.一种如权利要求1所述的改性石墨烯水泥基复合材料的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)配制萘系减水剂溶液：将萘系减水剂加入所需拌合用水总量50％～80％的水中，搅拌均匀，得到萘系减水剂溶液；
2)制备改性石墨烯悬浮液：将石墨烯粉末分批次加入萘系减水剂溶液中，超声分散后获得分散均匀的改性石墨烯悬浮液；
3)改性石墨烯水泥基复合材料制备：将石墨烯悬浮液加入到水泥干粉中，加入砂和剩余的水，搅拌均匀后，注入磨具，轻振至密实，养护后即可得到改性石墨烯水泥基复合材料。
8.如权利要求7所述的一种改性石墨烯水泥基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤2)所述的将石墨烯粉末分批次加入萘系减水剂溶液中，超声分散后获得分散均匀的石墨烯悬浮液的具体步骤如下：每次向萘系减水剂溶液中加入水泥总质量0.05％～0.5％的石墨烯粉末，之后采用功率100～500W的超声波清洗器超声30～90min或者300～1000W的超声波细胞粉碎机超声10～30min；石墨烯粉末全部加入后，采用1000～1500W的超声波细胞粉碎机超声10～60min，获得分散均匀的改性石墨烯悬浮液。
9.如权利要求7所述的一种改性石墨烯水泥基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤3)所述的养护是指在温度为20±2℃、相对湿度为95％以上的条件下养护28d以上。
10.一种如权利要求1所述的改性石墨烯水泥基复合材料的应用，其特征在于：该改性石墨烯水泥基复合材料应用于压敏传感器，且所述的压敏传感器的应力灵敏度为0.5％/MPa～5％/MPa，应变灵敏度为50～500。
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