CN113149526B - 复合水泥基材料及复合水泥基材料传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合水泥基材料及复合水泥基材料传感器，该复合水泥基材料包括水泥砂浆，所述水泥砂浆中掺入有接枝碳纳米管的碳纤维材料。该复合水泥基材料传感器，包括上述的复合水泥基材料，设置在所述复合水泥基材料表面的导电防锈件，在所述导电防锈件上设置环氧树脂涂覆层，所述环氧树脂涂覆层外侧设有保温板。本发明接枝碳纳米管的碳纤维在水泥基中的分散性较好，且与水泥基体的界面结合能力更强。复合水泥基材料传感器结构简单、监测灵敏，能适用于各种环境的大体积混凝土，能准确监测混凝土内部受力情况，以判断其损伤程度和腐蚀状况。

Description

复合水泥基材料及复合水泥基材料传感器
技术领域
本发明涉及一种水泥基材料及传感器，尤其涉及一种复合水泥基材料及复合水泥基材料传感器。
背景技术
随着社会的进步与发展，混凝土在建筑领域内的使用范围越来越广。作为建筑材料，混凝土具备多种优势，比如原材料充足、成本低廉、方便施工等，与此同时，混凝土的功能性也较好，具有抗压强度高、弹性模量大、耐高温等特点。然而，通过大量的工程实践可知，大多数混凝土在服役过程中处于损伤状态，主要是由于使用环境中的复杂因素不同程度地破坏了混凝土的外部及内部结构，引起混凝土发生碳化、保护层剥落，导致混凝土的耐久性降低，严重时可能危害人民的生命安全，所以，对混凝土材料的可靠性分析和使用寿命预测显得尤为重要。
在实际工程中，监测***的设置可以有效评估超高层建筑、大跨度桥梁、大跨度空间结构的可靠性和安全性。监测***可以实时反馈工程结构关键部位的应力、应变情况，也可以接收整个工程结构的动态特性，及时预警危险信号，规避财产损失和人员伤亡。目前常用的监测技术有：电阻应变传感监测、光纤传感监测、压电陶瓷传感监测等。电阻应变传感监测属于点式监测，需要在测点位置布设应变片，若监测的对象尺寸过大，布设的应变片数量需增多，则与应变片相连的导线变多，最终导致测试电阻偏大，影响监测结果。此外，电阻应变片对周围环境的温度变化较敏感，布设工艺繁琐、寿命短，因而难以在工程中大范围投入使用。光纤传感监测技术主要以光作为信息的载体来传递信息。光纤传感可以监测多种参量的变化，其具有抗电磁干扰能力强、工作频带宽动态范围广、体积小质量轻、抗辐射性强的优势，然而光纤传感检测技术也存在缺陷，比如灵敏度有限设备用量较大生产成本高，难以实现产业化、商业化发展。压电陶瓷传感监测技术具有响应速度快、线性相关度高的优势，且大多数的压电材料能耗低、成本低廉、易于加工成型，因而可将其作为基本元件，纳入结构健康监测***中。但将压电陶瓷传感监测技术应用于混凝土中，还需要考虑相容性问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种碳纤维分散性好、与水泥界面结合能力强的复合水泥基材料。
本发明的另一个目的是提供一种能够灵敏监测混凝土内部损伤情况的复合水泥基材料传感器。
技术方案：本发明的复合水泥基材料，包括水泥砂浆，所述水泥砂浆中掺入有接枝碳纳米管的碳纤维材料。
优选地，所述接枝碳纳米管的碳纤维与水泥砂浆的质量比为0.2％～0.6％。
优选地，所述碳纳米管和碳纤维的质量比为4:1～6:1。
优选地，通过以下方法制得：向成型时的水泥砂浆中定向注入所述接枝有碳纳米管的碳纤维。
优选地，所述接枝有碳纳米管的碳纤维通过以下方法制得：
(1)分别利用混酸对碳纳米管和碳纤维进行酸化处理，后分别稀释至中性，干燥后备用；
(2)称取干燥后的碳纳米管及碳纤维加入反应釜内，并加入表面活性剂，将反应釜放入真空干燥箱中加热，后清洗干燥，得到所述接枝碳纳米管的碳纤维材料。
优选地，所述接枝有碳纳米管的碳纤维的制备方法中，所述加热的温度为180℃～200℃，时间为48h～50h。
一种复合水泥基材料传感器，包括权利要求1所述的复合水泥基材料，设置在所述复合水泥基材料表面的导电防锈件，在所述导电防锈件上设置环氧树脂涂覆层，所述环氧树脂涂覆层外侧设有保温板。
优选地，所述环氧树脂层内掺入有氧化铈-氧化石墨烯复合材料。
优选地，所述氧化铈-氧化石墨烯复合材料的掺量为环氧树脂质量的0.5％～0.7％。
优选地，所述环氧树脂层厚度为5～7mm。
碳纤维表面接枝碳纳米管后，既解决了碳纳米管在水泥基中不易分散的难题，也增强了碳纤维与水泥基体的界面结合能力。相比单掺碳纤维的水泥基复合材料，掺入改性后碳纤维的水泥基复合材料导电性能以及力敏性能更加优良，其力学性能以及耐久性能也得到了一定程度的提高。
有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：1、碳纳米管在水泥基中的分散性较好，且与水泥基体的界面结合能力更强。2、复合水泥基材料传感器监测灵敏，能适用于各种环境的大体积混凝土，能准确监测混凝土内部受力情况，以判断其损伤程度和腐蚀状况；3、结构简单；4、也可用于沿海风浪等级检测，以及公路汽车超重超速情况。
附图说明
图1为本发明实施例1的压敏性能曲线图；
图2为本发明实施例2的压敏性能曲线图；
图3为本发明实施例3的压敏性能曲线图；
图4为单掺0.2％的碳纤维的水泥基复合材料压敏性能曲线图；
图5为单掺0.4％的碳纤维的水泥基复合材料压敏性能曲线图；
图6为单掺0.6％的碳纤维的水泥基复合材料压敏性能曲线图；
图7为复掺碳纤维和碳纳米管的水泥基复合材料压敏性能曲线图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
(1)称取0.1g的多壁碳纳米管MWCNT，分别称取75mL质量分数为98％的浓硝酸和25mL质量分数为68％的浓硫酸，将其在烧杯中按浓硝酸与浓硫酸3:1的体积比配置成混酸溶液，将得到的混酸加入到装有碳纳米管的平底烧瓶中，用超声分散仪在600w条件下将烧瓶连续脉冲超声波超声分散15min，然后将分散后的碳纳米管放入到磁力搅拌器中在80℃下酸氧化处理8h，酸化处理完成后在平底烧瓶中加入去离子水将酸液稀释，采用微孔滤膜真空减压过滤，用蒸发皿回收酸氧化后的碳纳米管，用去离子水反复清洗，直至滤液PH值为7。
(2)称取碳纤维1g加入圆底烧瓶中，再加入浓硝酸与浓硫酸体积比为3:1的混酸150ml到烧瓶中，在室温条件下将碳纤维T300与混酸反应8h，反应完成后用去离子水将碳纤维洗净，直至清洗后去离子水为中性，将酸氧化处理碳纤维T300在100℃真空干燥24h后存放备用。
(3)称取酸氧化的碳纳米管0.06g，将其放入100mL的水热釜内釜中，然后以碳纳米管：DMF为1(g):1000(mL)的比例，在水热釜中假如加入60gDMF，再在其中加入10mL的乙二胺，将溶液超声分散1h，然后将碳纤维0.015g加入反应釜，超声分散15min，最后将反应釜放入烘箱中在180℃下反应50h，将碳纤维取出在乙醇中超声15min，抽滤并去除表面残余的碳纳米管和乙二胺溶液等，放入80℃烘箱中烘干，放于干燥处以备用。
(4)采用甲基纤维素作为接枝碳纳米管的碳纤维的分散剂，甲基纤维素与接枝碳纳米管的碳纤维的质量比为1:1。由于升高温度可有效地加快甲基纤维素溶于水中的速度，故先将水加热至40℃左右，再将甲基纤维素溶于水中，不断搅拌，然后加入接枝碳纳米管的碳纤维，放在磁力搅拌器中搅拌15min，分散完毕，将分散好的接枝碳纳米管的碳纤维分散液装入广口瓶中置于阴凉处保存待用。
(5)将接枝碳纳米管的碳纤维分散完毕，然后称取水泥、消泡剂，其中消泡剂质量是水泥质量的0.13％，试验水灰比采用0.4，接枝碳纳米管的碳纤维质量为水泥质量的0.4％。用湿抹布将搅拌锅和搅拌器润湿，将水泥倒入搅拌锅中，再将接枝碳纳米管的碳纤维分散液倒入搅拌，慢速搅拌2min，停15s，快速搅拌2min，装入70mm×70mm×70mm的三联模模具中，轻振10次左右至密实抹平，将4片同样尺寸的不锈钢网等间距地***水泥磨具中，轻振后放入标准养护箱养护24h后拆模自然养护。
(6)水泥基试块拆模后标准养护28天后，在表面涂抹环氧树脂至完全覆盖试块表面，环氧树脂层内掺入有氧化铈-氧化石墨烯复合材料，其中氧化铈-氧化石墨烯复合材料根据CN102716734A的方法制备，氧化铈-氧化石墨烯复合材料的掺量为环氧树脂质量的0.6％，用涂层测厚仪测量环氧树脂涂覆层，保证其厚度在6mm。
(7)环氧树脂涂覆完毕后24小时，将100mm厚的XPS挤塑板包裹住试件，并用胶带环绕固定。
实施例2
基本步骤与实施例1相同，不同的是，步骤(3)中，将碳纤维0.012g加入反应釜，反应釜放入烘箱中在200℃下反应48h；步骤(5)中，接枝碳纳米管的碳纤维质量为水泥质量的0.2％；步骤(6)中，氧化铈-氧化石墨烯复合材料的掺量为环氧树脂质量的0.5％，其厚度在5mm。
实施例3
基本步骤与实施例1相同，不同的是，步骤(3)中，将碳纤维0.01g加入反应釜，反应釜放入烘箱中在190℃下反应49h；步骤(5)中，接枝碳纳米管的碳纤维质量为水泥质量的0.6％；步骤(6)中，氧化铈-氧化石墨烯复合材料的掺量为环氧树脂质量的0.7％，其厚度在7mm。
实施例4
基本步骤与实施例1相同，不同的是，步骤(3)中，碳纳米管质量为0.013g，反应釜放入烘箱中在195℃下反应48.5h；步骤(5)中，接枝碳纳米管的碳纤维质量为水泥质量的0.5％。
实施例5
基本步骤与实施例1相同，不同的是，步骤(3)中，反应釜放入烘箱中在185℃下反应49.5h；步骤(5)中，接枝碳纳米管的碳纤维质量为水泥质量的0.3％。
对实施例1、2、3的试件用万用电表以及万能试验机测试其机敏性能，具体数据如图1、2、3所示。图1、2、3中接枝碳纳米管的碳纤维的掺入对水泥基材料压敏性能具有较大提升，曲线趋势较为稳定，个别点出现锯齿状变化，但是整体趋势具有重复性，第一个循环荷载变化过程压敏曲线不稳定，后面几个循环逐渐稳定，说明接枝碳纳米管的碳纤维的掺入有助于改善水泥基材料的压敏性能。随着接枝碳纳米管的碳纤维掺入量的增加，水泥基复合材料的压敏性能逐渐得到改善，且图1中0.4％压敏特性最优，曲线更加圆滑，压敏性能更稳定。
同时，为了作为对比，对单掺碳纤维的水泥基复合材料进行相同条件的测试，数据如图4、5、6所示；对同时掺入碳纤维和碳纳米管的水泥基复合材料进行相同条件的测试，数据如图7所示。图4、5、6中单掺碳纤维水泥基复合材料的机敏性能很差，图7为复掺碳纳米管和碳纤维得到的机敏性能最好的比例，为0.5％碳纳米管加0.4％碳纤维的配比，结果明显不如图1、2、3中掺入了接枝碳纳米管的碳纤维水泥基复合材料的机敏性能。

Claims (6)

1.一种复合水泥基材料，包括水泥砂浆，其特征在于，所述水泥砂浆中掺入有接枝碳纳米管的碳纤维材料；所述接枝碳纳米管的碳纤维与水泥砂浆的质量比为0.4%；所述碳纳米管和碳纤维的质量比为4:1~6:1；所述接枝有碳纳米管的碳纤维通过以下方法制得：
（1）分别利用混酸对碳纳米管和碳纤维进行酸化处理，后分别稀释至中性，干燥后备用；
（2）称取干燥后的碳纳米管及碳纤维加入反应釜内，并加入表面活性剂，将反应釜放入真空干燥箱中加热，后清洗干燥，得到所述接枝碳纳米管的碳纤维材料；所述接枝有碳纳米管的碳纤维的制备方法中，所述加热的温度为180℃~200℃，时间为48h~50h。
2.根据权利要求1所述的复合水泥基材料，其特征在于，通过以下方法制得：向成型时的水泥砂浆中定向注入所述接枝有碳纳米管的碳纤维。
3.一种复合水泥基材料传感器，其特征在于，包括权利要求1所述的复合水泥基材料，设置在所述复合水泥基材料表面的导电防锈件，在所述导电防锈件上设置环氧树脂涂覆层，所述环氧树脂涂覆层外侧设有保温板。
4.根据权利要求3所述的复合水泥基材料传感器，其特征在于，所述环氧树脂涂覆层内掺入有氧化铈-氧化石墨烯复合材料。
5.根据权利要求4所述复合水泥基材料传感器，其特征在于，所述氧化铈-氧化石墨烯复合材料的掺量为环氧树脂质量的0.5%~0.7%。
6.根据权利要求3所述复合水泥基材料传感器，其特征在于，所述环氧树脂涂覆层厚度为5~7mm。
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GR01 Patent grant
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