一種復(fù)摻鱗片石墨工程水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料及其制備方法
【專利摘要】一種復(fù)摻鱗片石墨工程水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料及其制備方法，原材料包括按重量比的水泥50~100份，粉煤灰60~120份，細(xì)砂40~80份，石墨粉20~40份，聚乙烯醇纖維1~7份，水30~70份，減水劑0.5~2份。制備方法為：量取所述重量比例原材料；在水泥砂漿攪拌機(jī)中加入水泥、粉煤灰、水、減水劑制得水泥凈漿；往水泥凈漿中依次加入細(xì)砂、石墨粉繼續(xù)拌合得到石墨粉?水泥基體；向石墨粉?水泥基體中添加聚乙烯醇纖維快速攪拌得到水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料拌合物；把拌合物澆筑到模具中養(yǎng)護(hù)后脫模得到復(fù)摻鱗片石墨工程水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料試件。本發(fā)明材料具有良好抗拉強(qiáng)度、高韌性和細(xì)密裂縫特性，以及良好導(dǎo)電性能和顯著自感應(yīng)特征。
【專利說(shuō)明】
-種復(fù)慘鱗片石墨工程水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及勘探巖±建筑領(lǐng)域，具體設(shè)及一種復(fù)滲鱗片石墨工程水泥基復(fù)合導(dǎo)電 材料及其制備方法，材料屬于一種新型的復(fù)滲鱗片石墨和PVA纖維改性水泥基復(fù)合導(dǎo)電材 料。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，改良水泥材料性能，使其滿足現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的功能要求是±木工程材料研 究的發(fā)展方向。近年來(lái)研究者們利用碳系材料、金屬材料W及礦渣等電導(dǎo)率較高的填料，對(duì) 水泥基材料的導(dǎo)電性進(jìn)行改良，得到電阻率較低，耐久性較好，甚至表現(xiàn)出良好壓敏性的自 感知水泥基復(fù)合材料，使傳統(tǒng)水泥材料趨向智能化。
[0003] 碳系材料，如碳納米管、納米炭黑、石墨締和天然石墨等均具有較高的比表面積、 良好的導(dǎo)電性，是水泥基復(fù)合材料中導(dǎo)電介質(zhì)的較優(yōu)選擇，在現(xiàn)有的研究應(yīng)用（1、劉濤.復(fù) 滲細(xì)鋼纖維和石墨的水泥基復(fù)合材料的壓敏性研究[D].武漢理工大學(xué)，2013 .郭麗萍，下 聰，楊波，等;2、鋼纖維混凝±與鋼筋混凝±電阻率分析[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014(6): 26-29.)表明其對(duì)導(dǎo)電性的改善程度也優(yōu)于單獨(dú)填充的金屬纖維、粉末或是礦渣。然而，受 碳分子空間分子結(jié)構(gòu)W及較大的分子間作用力影響，該材料作為導(dǎo)電介質(zhì)吸水性強(qiáng)，容易 結(jié)團(tuán)。楊元霞，毛起巧，沈大榮等提出的碳纖維水泥基復(fù)合材料中纖維分散性的研究（建筑 材料學(xué)報(bào)，2001，4( 1): 84-88.)發(fā)現(xiàn)在普通水泥基材料中滲入碳系導(dǎo)電相一方面會(huì)降低材 料拌合物的流動(dòng)性，增大水膠比；另一方面會(huì)影響水化反應(yīng)的進(jìn)行，大幅削弱該材料的力學(xué) 性能。
[0004] PVA短切纖維對(duì)水泥基體的增強(qiáng)、增初效果非常顯著，美國(guó)Victor Li和Leung (Wang S,Wu C,Li V C.Tensile strain-hardening behavior or polyvinyl alcohol engineered cementitious composite(PVA-ECC)[J].ACI Materials Journal,2001,98 (6) :483-492.)提出的運(yùn)種PVA-ECC材料已經(jīng)成功應(yīng)用于實(shí)際工程中。運(yùn)種材料在抗拉試驗(yàn) 中表現(xiàn)出應(yīng)變硬化和細(xì)密裂縫擴(kuò)展的特性，同時(shí)改變了傳統(tǒng)水泥材料在極限受力狀態(tài)脆性 破壞的現(xiàn)象。在實(shí)際應(yīng)用中，該材料制備工藝煩瑣，成本較高，阻礙了其廣泛運(yùn)用，同時(shí)， PVA-ECC材料并不具備自感知特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種復(fù)滲鱗片 石墨工程水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料及其制備方法，既可W實(shí)現(xiàn)水泥基材料具有傳感功能，同時(shí) 也兼具良好的工作性能與力學(xué)性能，適宜廣泛應(yīng)用。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種復(fù)滲鱗片石墨工程水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料，原材料包括石墨粉(鱗片石墨）、聚 乙締醇纖維(PVA)、水泥、粉煤灰、細(xì)砂、水、聚簇酸減水劑按一定重量比例混合而成，其中水 泥50~100份，粉煤灰60~120份，細(xì)砂40~80份，石墨粉20~40份，聚乙締醇纖維1~7份，水 30~70份，減水劑ο. 5~2份。
[000引按上述方案，按體積分?jǐn)?shù)來(lái)看，石墨粉占原材料總體積的5%~15%，聚乙締醇纖 維占原材料總體積的1 %~2%。
[0009] 按上述方案，所述的水泥為普通娃酸鹽水泥，粉煤灰為一級(jí)或二級(jí)粉煤灰。
[0010] 按上述方案，所述的細(xì)砂為普通砂(天然砂、人工砂、石英砂均可)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)篩篩分后 粒徑小于0.63mm，細(xì)度模數(shù)為2.2~1.6，平均粒徑為0.35~0.25mm。
[0011] 按上述方案，所述的石墨粉為天然礦物加工或人工制備得到，石墨粉主要成分為 固定碳，石墨粉存在形式為鱗片石墨。
[0012] 本發(fā)明還提供了一種上述復(fù)滲鱗片石墨工程水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料的制備方法，包 括如下步驟：
[0013 ] 1)量取所述重量比比例的原材料；
[0014] 2)在水泥砂漿攬拌機(jī)中加入水泥、粉煤灰、水、減水劑制得水泥凈漿；
[0015] 3)往水泥凈漿中依次加入細(xì)砂、石墨粉繼續(xù)拌合，直至石墨粉均勻分散，得到石墨 粉-水泥基體；
[0016] 4)向石墨粉-水泥基體中添加聚乙締醇纖維快速攬拌形成材料漿體，直至聚乙締 醇纖維分散均勻，無(wú)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，調(diào)控拌合時(shí)間，至該材料漿體跳桌流動(dòng)度達(dá)到ISOmmW上，得 到水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料拌合物；
[0017] 5)把步驟4)中得到的拌合物誘筑到模具中，填實(shí)(無(wú)需振搗，稍加振搗也可)并抹 平；
[0018] 6)將模具置于溫度為20°C、相對(duì)濕度為95%的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24~48小時(shí)后脫模， 得到復(fù)滲鱗片石墨工程水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料試件。
[0019] 本發(fā)明的有益效果：
[0020] 1、較傳統(tǒng)水泥砂漿材料及普通水泥基材料，本發(fā)明添加 PVA短切纖維、粉煤灰活性 滲料等組成的工程水泥基復(fù)合材料，符合細(xì)觀力學(xué)和斷裂力學(xué)的材料設(shè)計(jì)理念，具有更高 的抗拉強(qiáng)度、高初性(細(xì)密裂縫特性）、應(yīng)變硬化等優(yōu)點(diǎn)，適用于結(jié)構(gòu)受拉部位的損傷修復(fù)加 固，W及延展性要求較高的結(jié)構(gòu)物鋪裝層；
[0021] 2、較普通ECC材料，本發(fā)明添加石墨粉，具有良好的導(dǎo)電性能W及顯著的自感應(yīng)特 征，能夠從電導(dǎo)率變化推演出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，可W作為結(jié)構(gòu)功能一體化材料應(yīng)用于結(jié)構(gòu) 保溫、融雪化冰、道路交通量監(jiān)控W及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域；
[0022] 3、本發(fā)明還提供導(dǎo)電自感知水泥基傳感材料在檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用，較傳統(tǒng)監(jiān)控檢 測(cè)技術(shù)，復(fù)滲鱗片石墨工程水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料既是結(jié)構(gòu)材料，同時(shí)自身就是傳感器，其制 備工藝簡(jiǎn)單，自密實(shí)型及與混凝±結(jié)構(gòu)結(jié)合能力良好，同時(shí)該材料靜態(tài)電阻率小，拉敏/壓 敏性穩(wěn)定，靈敏度高。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為本發(fā)明復(fù)滲鱗片石墨工程水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料的掃描電鏡照片圖；
[0024] 圖2為普通工程水泥基復(fù)合材料的掃描電鏡照片圖；
[0025] 圖3為本發(fā)明導(dǎo)電材料的電阻率與石墨粉滲量的關(guān)系圖；
[0026] 圖4為本發(fā)明設(shè)定比例下水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料在受壓破壞過(guò)程中電阻率變化率與 壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系圖；
[0027] 圖5為本發(fā)明設(shè)定比例下水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料在受拉破壞過(guò)程中電阻率變化率與 拉力隨時(shí)間的變化關(guān)系圖；
[0028] 圖6為本發(fā)明材料電阻率變化幅度與壓應(yīng)力狀態(tài)的相關(guān)曲線圖；
[0029] 圖7為本發(fā)明材料電阻率變化幅度與拉應(yīng)力狀態(tài)的相關(guān)曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖和一個(gè)較優(yōu)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0031] 優(yōu)選的復(fù)滲鱗片石墨工程水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料的重量比組成為：水泥50份，粉煤 灰61份，細(xì)砂46份，石墨粉21份，聚乙締醇纖維3份，水33份，減水劑2份。
[0032] 脫模后的復(fù)滲鱗片石墨工程水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行常溫 水中養(yǎng)護(hù)至7天。
[0033] 試件阻抗采用恒流源四電極法測(cè)試，然后通過(guò)歐姆定律換算為材料電阻率。
[0034] 機(jī)敏特性(壓敏性/拉敏性)測(cè)試步驟如下：
[0035] 1、在試件表面按照恒流源四電極阻抗測(cè)試方法布設(shè)電極；
[0036] 2、將試件放置在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)加載區(qū)域中，將試件與夾具/壓頭接觸的部位進(jìn)行絕 緣處理(纏繞包裹電工絕緣膠或墊W絕緣墊片），并調(diào)整好試件位置；
[0037] 3、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)W位移控制加載速度，設(shè)定為O.lmm/min，加載至試件達(dá)到極限受 拉/受壓狀態(tài)破壞；
[0038] 4、試件加載試驗(yàn)的同時(shí)，采用恒流源四電極阻抗測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)聯(lián)測(cè)該材料試件的 阻抗值，數(shù)字多路數(shù)據(jù)采集器采集頻率設(shè)定為1次/s;
[0039] 5、在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)同步記錄下試件的荷載-位移數(shù)據(jù)，將測(cè)得對(duì)應(yīng) 時(shí)刻的阻抗值進(jìn)行換算得到材料電阻率；
[0040] 6、計(jì)算機(jī)敏靈敏度，定義靈敏度為電阻率變化率的絕對(duì)值除W應(yīng)力。
[0041] 本發(fā)明的對(duì)比例為空白對(duì)比組(普通ECC材料）、低石墨粉滲量對(duì)比組及高石墨粉 滲量對(duì)比組，制備及養(yǎng)護(hù)方法同上，但不同組材料中碳粉體積滲量不同。
[0042] 實(shí)施例與對(duì)比例空白組電鏡觀察圖像如圖1~圖2所示。
[0043] 實(shí)施例與對(duì)比例各組材料的電阻率(阻抗模量)與石墨粉滲量的關(guān)系如圖3所示。
[0044] 實(shí)施例與對(duì)比例各組材料的力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。
[0045] 表 1
[0046]
[0047] 實(shí)施例發(fā)明材料電阻率變化率與荷載值隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖4~圖5所示，其 中：
[0048] 圖4為實(shí)施例設(shè)定比例下水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料在受力破壞(受壓)過(guò)程中電阻率變 化率與壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系圖，從曲線可W看出，在材料試件彈性變形階段，試件阻抗值 穩(wěn)定平緩下降;進(jìn)入彈塑性變形階段后，電阻率下降幅度略微加?。划?dāng)試件處于塑性變形破 壞階段時(shí)，其阻抗則時(shí)刻都在波動(dòng)，反映在曲線中即為電阻率變化的跳躍；
[0049] 圖5為實(shí)施例設(shè)定比例下水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料在受力破壞(受拉)過(guò)程中電阻率變 化率與拉力隨時(shí)間的變化關(guān)系圖，從曲線可W看出，材料試件在達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度之前，導(dǎo) 電性表現(xiàn)穩(wěn)定，電阻率僅在小幅度上漲;達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度之后，主裂縫擴(kuò)展，并拉出其他 多條微裂縫，使得阻抗值上升幅度加劇，電阻率變化速度(表現(xiàn)為曲線的斜率)越來(lái)越大。
[0050] 對(duì)圖4、圖5的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到實(shí)施例發(fā)明材料電阻率變化幅度與應(yīng)力狀 態(tài)的相關(guān)曲線如圖6~圖7所示，其中：
[0051] 圖6為實(shí)施例材料在受壓彈塑性變形階段電阻率變化幅度與壓應(yīng)力狀態(tài)的相關(guān)曲 線圖，擬合得到電阻率變化幅度11與壓應(yīng)力值〇相關(guān)方程為〇 = (-0.1-113-0.6-112-1.2· η) · fc，式中fc為材料抗壓強(qiáng)度，其決定系數(shù)R2 = 0.998,證實(shí)該實(shí)施例發(fā)明材料具有顯著的 壓敏特性；
[0052] 圖7為實(shí)施例材料在受拉彈塑性變形階段電阻率變化幅度與拉應(yīng)力狀態(tài)的相關(guān)曲 線圖，擬合得到η與。相關(guān)方程為〇=(〇.〇〇22 · ri3-〇.〇4 · ri2+〇.33 · η) · ftk，式中ftk為材料 開(kāi)裂應(yīng)力，其決定系數(shù)R2 = 0.972,證實(shí)該實(shí)施例發(fā)明材料具有顯著的拉敏特性。
[0053] 顯然，上述實(shí)施例僅為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施 方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，依本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見(jiàn)的 變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種復(fù)摻鱗片石墨工程水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料，其特征在于，原材料包括石墨粉、聚乙 烯醇纖維、水泥、粉煤灰、細(xì)砂、水、聚羧酸減水劑按一定重量比例混合而成，其中水泥50~ 100份，粉煤灰60~120份，細(xì)砂40~80份，石墨粉20~40份，聚乙烯醇纖維卜7份，水30~70份，減 水劑0.5~2份。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)摻鱗片石墨工程水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料，其特征在于，按體積 分?jǐn)?shù)來(lái)看，石墨粉占原材料總體積的5%~15%，聚乙烯醇纖維占原材料總體積的1%~2%。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)摻鱗片石墨工程水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料，其特征在于，所述的 水泥為普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為一級(jí)或二級(jí)粉煤灰。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)摻鱗片石墨工程水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料，其特征在于，所述的 細(xì)砂為普通砂經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)篩篩分后粒徑小于0.63_，細(xì)度模數(shù)為2.2~1.6，平均粒徑為0.35~ 0 · 25 蕭 〇5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)摻鱗片石墨工程水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料，其特征在于，所述的 石墨粉為天然礦物加工或人工制備得到，石墨粉主要成分為固定碳，石墨粉存在形式為鱗 片石墨。6. -種根據(jù)權(quán)利要求1~5任一項(xiàng)所述的復(fù)摻鱗片石墨工程水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料的制備 方法，其特征在于，包括如下步驟： 1) 量取所述重量比比例的原材料； 2) 在水泥砂漿攪拌機(jī)中加入水泥、粉煤灰、水、減水劑制得水泥凈漿； 3) 往水泥凈漿中依次加入細(xì)砂、石墨粉繼續(xù)拌合，直至石墨粉均勻分散，得到石墨粉-水泥基體； 4) 向石墨粉-水泥基體中添加聚乙烯醇纖維快速攪拌形成材料漿體，直至聚乙烯醇纖 維分散均勻，無(wú)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，調(diào)控拌合時(shí)間，至該材料漿體跳桌流動(dòng)度達(dá)到180mm以上，得到水 泥基復(fù)合導(dǎo)電材料拌合物； 5) 把步驟4)中得到的拌合物澆筑到模具中，填實(shí)并抹平； 6) 將模具置于溫度為20°C、相對(duì)濕度為95%的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24~48小時(shí)后脫模，得到復(fù) 摻鱗片石墨工程水泥基復(fù)合導(dǎo)電材料試件。
【文檔編號(hào)】C04B18/08GK105906259SQ201610228299
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月13日
【發(fā)明人】周小勇, 袁偉, 余佳干
【申請(qǐng)人】中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）