一種內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極及其制備方法與應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的一種內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極，包括水泥基體以及分散于水泥基體內(nèi)的石墨烯和納米導(dǎo)電炭黑。本發(fā)明還提供了上述電極的制備方法。本發(fā)明還提供了一種包括上述電極的混凝土中硫酸鹽侵蝕監(jiān)測傳感裝置。該電極制備工藝簡單、成本低、性能穩(wěn)定、響應(yīng)靈敏、檢測數(shù)據(jù)可靠。
【專利說明】一種內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極及其制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極，還涉及該電極的制備方法，還涉及一種包括上述電極的混凝土中硫酸鹽侵蝕的監(jiān)測傳感裝置，屬于土木工程材料【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]混凝土是土木工 程中用量最大、使用范圍最廣的結(jié)構(gòu)材料。由于混凝土內(nèi)部本身存在毛細孔、微裂紋、界面過渡區(qū)等諸多缺陷，使其容易受到空氣、地下水以及土壤中有害離子的侵蝕，從而造成強度和耐久性的降低，最終導(dǎo)致使用壽命的下降和結(jié)構(gòu)的破壞。在諸多的侵蝕類型中，硫酸鹽侵蝕是造成混凝土耐久性劣化的最主要原因之一。土壤和地下水中都含有大量的硫酸根離子，這些離子滲入到混凝土內(nèi)部并與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成石膏、鈣礬石等產(chǎn)物，產(chǎn)生膨脹、開裂，造成混凝土的破壞；這一破壞過程隨著硫酸離子在混凝土內(nèi)的擴散由混凝土表面向內(nèi)部不斷發(fā)生，同時伴隨著混凝土內(nèi)孔結(jié)構(gòu)、微裂縫、界面過渡區(qū)等微觀結(jié)構(gòu)的不斷的變化，進而導(dǎo)致混凝土的電化學(xué)特征參數(shù)的變化。
[0003]在混凝土受硫酸鹽侵蝕過程中，盡管侵蝕到一定程度后，混凝土表面會產(chǎn)生裂縫及局部表皮脫落等現(xiàn)象，但是硫酸鹽侵蝕所造成的破壞程度、破壞進程以及剩余壽命僅靠外觀檢查是難以滿足要求的。縱觀現(xiàn)有國內(nèi)外混凝土耐久性的監(jiān)測技術(shù)，還不能實現(xiàn)混凝土受硫酸侵蝕破壞程度及破壞進程的實時在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。為此，研究一套混凝土中硫酸鹽侵蝕的監(jiān)測傳感裝置及方法，實時監(jiān)測并掌握混凝土在硫酸鹽侵蝕過程中的電化學(xué)特征參數(shù)的變化和微觀結(jié)構(gòu)的變化，這對于掌握混凝土在硫酸鹽侵蝕作用下的混凝土性能變化規(guī)律，科學(xué)評價混凝土受硫酸鹽侵蝕的破壞程度以及預(yù)測結(jié)構(gòu)的使用壽命，進而確保工程結(jié)構(gòu)的安全使用具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的在于提供一種性能穩(wěn)定、響應(yīng)靈敏并且檢測數(shù)據(jù)可靠的內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極。
[0005]本發(fā)明的第二目的是提供上述電極的制備方法。
[0006]本發(fā)明的第三目的是提供上述一種包括上述電極的混凝土中硫酸鹽侵蝕監(jiān)測傳
感裝置。
[0007]技術(shù)方案:本發(fā)明提供的一種內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極，包括水泥基體以及分散于水泥基體內(nèi)的石墨烯和納米導(dǎo)電炭黑。
[0008]作為優(yōu)選，所述水泥基體的水灰比為(0.3-0.6): 1，優(yōu)選0.4:1，膠砂比為
I: (3-5)，優(yōu)選1:4 ;所述石墨烯摻量為水泥摻量的0.5-1.5%，優(yōu)選0.8-1.2%，更優(yōu)選1.0% ；所述納米導(dǎo)電碳黑摻量為水泥摻量的0.2-0.8%，優(yōu)選0.4-0.6%，更優(yōu)選0.5%。
[0009]作為改進,所述水泥基體為圓柱體,其底面直徑為5~10mm、長度為30_50mm。[0010]本發(fā)明還提供了上述的內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極的制備方法,包括以下步驟:
[0011](I)將石墨烯和納米導(dǎo)電炭黑加入分散劑水溶液中，攪拌或超聲使石墨烯和納米導(dǎo)電炭黑均勻分散，得混合溶液；
[0012](2)將水泥、砂子和水混合得到的水泥砂漿，加入步驟(1)的混合溶液中攪拌，得漿體；將漿體倒入模具中靜置成型，拆模后于飽和氫氧化鈣溶液中養(yǎng)護；切割、打磨即得。
[0013]其中，步驟(1)中， 所述石墨烯摻量為水泥摻量的0.5-1.5%，優(yōu)選0.8-1.2%，更優(yōu)選1.0% ;所述納米導(dǎo)電碳黑摻量為水泥摻量的0.2-0.8%，優(yōu)選0.4-0.6%，更優(yōu)選0.5% ;所述分散劑水溶液的濃度為0.01%~0.12%，優(yōu)選0.05%，所述分散劑為壬基酚與環(huán)氧乙烷縮合物。
[0014]其中，步驟(2)水泥砂漿中，水灰比為(0.3-0.6):1，優(yōu)選0.4:1，膠砂比為1: (3-5)，優(yōu)選1:4 ;靜置成型時間為24h ;養(yǎng)護時間為90天。
[0015]本發(fā)明還提供了一種混凝土中硫酸鹽侵蝕監(jiān)測傳感裝置，包括固定支架以及一組權(quán)利要求1-2任一項所述的內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極；所述一組摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極獨立地自上而下平行設(shè)置于固定支架上；所述摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極相對兩端面分別設(shè)有不銹鋼網(wǎng)，所述不銹鋼網(wǎng)與分別連有導(dǎo)線。
[0016]作為優(yōu)選，所述固定支架為中空的PVC管支架。
[0017]作為另一種優(yōu)選，所述相鄰內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極間距10-50mmo
[0018]本發(fā)明還提供了上述的混凝土中硫酸鹽侵蝕監(jiān)測傳感裝置在監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)的硫酸鹽侵蝕中的應(yīng)用。
[0019]有益效果:本發(fā)明提供的內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極制備工藝簡單、成本低、性能穩(wěn)定、響應(yīng)靈敏、檢測數(shù)據(jù)可靠。
[0020]該電極核心元件所用的基體材料為水泥基砂漿材料，硬化后的水泥砂漿彈性模量及熱膨脹系數(shù)與混凝土相近，這就避免了由于應(yīng)力變形差異及溫度變形差異而產(chǎn)生破壞，從而保證了傳感裝置的耐久性。
[0021]本發(fā)明提供的硫酸鹽侵蝕監(jiān)測傳感裝置能夠?qū)捎糜诹蛩猁}侵蝕混凝土全過程的在線實時監(jiān)測，在監(jiān)測過程中不造成結(jié)構(gòu)的破壞，可以服務(wù)于混凝土結(jié)構(gòu)服役期的整個過程。通過將監(jiān)測裝置按照一定的方向埋置于受硫酸鹽侵蝕的混凝土結(jié)構(gòu)不同部位，實時測試傳感電極的電化學(xué)特征信號，即可實時掌握混凝土內(nèi)部硫酸根離子所到達的深度，進而預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)在不同服役期間所受的硫酸鹽侵蝕程度，合理快速的推斷混凝土的內(nèi)部狀態(tài)，從而對混凝土構(gòu)件進行科學(xué)的評估診斷，進而預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命和狀況，確保工程安全。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2為本發(fā)明混凝土中硫酸鹽侵蝕監(jiān)測傳感裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做出進一步說明。
[0025]實施例1[0026]混凝土中硫酸鹽侵蝕監(jiān)測傳感裝置，見圖2，該裝置由固定支架5以及紫霞而上平行設(shè)置于固定支架5上的5個內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極I組成，相鄰內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極I之間的中心距離為30mm，可選地，其間距也可以根據(jù)檢測需要合理設(shè)置，優(yōu)選10-50mm ;內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極I為圓柱體，長度為40cm、底面直徑為10mm，可選地，其形狀、尺寸可根據(jù)需要合理設(shè)置，優(yōu)選長度為30-50mm、底面直徑為5_10mm ;內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極I兩相對端面利用導(dǎo)電膠3連接有不銹鋼網(wǎng)2，各不銹鋼網(wǎng)2分別獨立連接一條導(dǎo)線4采用環(huán)氧樹脂封裹。固定支架5為中空的PVC管支架，內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極I的導(dǎo)線4從固定支架5的PVC管中導(dǎo)出。PVC管內(nèi)部設(shè)有環(huán)氧樹脂，其作用是更為有效地固定傳感電極和導(dǎo)線。導(dǎo)線和傳感電極上自下而上編相同的編號，分別為電極1、導(dǎo)線-1、導(dǎo)線+1、電極
2、導(dǎo)線-2、導(dǎo)線+2、電極3、導(dǎo)線-3、導(dǎo)線+3、電極4、導(dǎo)線-4、導(dǎo)線+4、電極5、導(dǎo)線-5、導(dǎo)線+5 ο
[0027]內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極1，見圖1,包括水泥基體以及分散于水泥基體內(nèi)的石墨烯和納米導(dǎo)電炭黑。其制備方法采用以下步驟:
[0028](I)將石墨烯和納米導(dǎo)電炭黑加入分散劑水溶液中，攪拌或超聲使石墨烯和納米導(dǎo)電炭黑均勻分散，得混合溶液；具體地，按照待制備內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥摻量的1.0%和0.5%分別稱取石墨烯和納米導(dǎo)電炭黑加入到質(zhì)量百分比濃度為0.05%的分散劑水溶液中，所用分散劑為壬基酚與環(huán)氧乙烷縮合物；繼續(xù)攪拌，使石墨烯和納米導(dǎo)電炭黑被分散劑水溶液完全潤濕，而不是浮在表面；用超聲波粉碎機振蕩5min，使石墨烯和納米導(dǎo)電炭黑均勻分散于分散劑水溶液中，得混合溶液；
[0029](2)將水泥、砂 子和水混合得到的水泥砂漿，加入步驟(1)的混合溶液中攪拌，得漿體；將漿體倒入模具中靜置成型，拆模后于飽和氫氧化鈣溶液中養(yǎng)護；切割、打磨即得；具體地，采用42.5級硅酸鹽水泥為膠凝材料，根據(jù)待制備內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極總質(zhì)量以及石墨烯和納米導(dǎo)電炭黑的摻量，按水灰比為0.4: 1、膠砂比為1:4稱取適量的水泥、砂子和水在攪拌器中攪拌；緩慢倒入步驟(1)的混合溶液，攪拌2min后停止，將得到的漿體迅速將倒入模具中靜置24h使成型，模具為圓柱體，尺寸為高40mm、底面直徑10mm。成型后拆模并放入飽和氫氧化鈣溶液中養(yǎng)護90天。
[0030]所用石墨稀為石墨稀粉末，其控制指標為:平均厚度為0.8~5nm ;直徑為I~10 μ η;電導(dǎo)率為:大于500S/cm ;比表面積:120~200cm2/g;松裝密度為:0.020~0.027g/
3
cm ο
[0031]所用納米導(dǎo)電炭黑為納米導(dǎo)電炭黑粉末，其控制指標為:表觀比容為:4.0~
5.0cmVg ;吸碘值為:大于600g/kg ；電阻率為:0.5~1.2 Ω.m ；pH值為:7~8 ;加熱減量為:小于0.5% ;灰分為:小于1.5% ;不含雜質(zhì)。
[0032]固定混凝土中硫酸鹽侵蝕監(jiān)測傳感裝置:將混凝土中硫酸鹽侵蝕監(jiān)測傳感裝置的固定支架5固定在混凝土構(gòu)件的鋼筋上，固定時，固定支架5兩側(cè)的PVC管垂直混凝土側(cè)面，使得傳感電極與混凝土表面平行，并保證整個傳感電極面處在同一個水平面上，然后根據(jù)混凝土構(gòu)件的保護層設(shè)計厚度來確定傳感裝置底座和鋼筋的綁扎位置，確保裝置的最外層傳感電極距離混凝土面為8~12_，本實施例設(shè)置為8_。澆筑時，將設(shè)有編號的導(dǎo)線預(yù)留在混凝土的外面，并采取一定的保護措施避免破壞。澆筑完成待混凝土達到28天的養(yǎng)護齡期后，進行數(shù)據(jù)的第一次測量。
[0033]利用上述裝置測定硫酸鹽對江蘇某地混凝土的侵蝕:
[0034]采用電化學(xué)工作站測試傳感電極的交流阻抗，工作站的測試參數(shù)可設(shè)置為:掃描頻率:100kHz~IOmHz，掃描電壓為:5mV，采集點數(shù)為50。測量時，將導(dǎo)線_1和導(dǎo)線+1接在電化學(xué)工作站的兩極上，測試電極I的初始交流阻抗信息，分析其交流阻抗值為:7.94kΩ,同樣的依次測試電極2、電極3、電極4、電極5的初始交流阻抗值分別為:8.07kΩ,
7.88kΩ ,7.93kΩ、8.13kΩ。
[0035]以后每隔一定時間測試一次，一般情況下，每年測試4次，對于硫酸鹽侵蝕環(huán)境特別惡劣的情況，可增加測試頻率。測試時，如果發(fā)現(xiàn)傳感電極的交流阻抗值發(fā)生較大變化(增大超過5%)，可以認為該層傳感電極受到了硫酸鹽侵蝕，進而推斷硫酸根離子所到達的深度，再根據(jù)硫酸根離子到達不同高度的傳感電極所需要的時間，推斷出硫酸鹽侵蝕的速度以及混凝土構(gòu)件受到不同的侵蝕程度所需要的時間。測定結(jié)果見表1。
[0036]表1利用本發(fā)明裝置測定硫酸鹽對江蘇某地混凝土的侵蝕
[0037]
【權(quán)利要求】
1.一種內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極，其特征在于:包括水泥基體以及分散于水泥基體內(nèi)的石墨烯和納米導(dǎo)電炭黑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極，其特征在于:所述水泥基體的水灰比為(0.3-0.6): 1，優(yōu)選0.4:1，膠砂比為1: (3-5)，優(yōu)選1:4 ;所述石墨烯摻量為水泥摻量的0.5-1.5%，優(yōu)選0.8-1.2%，更優(yōu)選1.0% ;所述納米導(dǎo)電碳黑摻量為水泥摻量的0.2-0.8%，優(yōu)選0.4-0.6%，更優(yōu)選0.5%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極，其特征在于:所述水泥基體為圓柱體，其底面直徑為5~10mm、長度為30_50mm。
4.一種權(quán)利要求1-3任一項所述的內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極的制備方法，其特征在于:包括以下步驟:(1)將石墨烯和納米導(dǎo)電炭黑加入分散劑水溶液中，攪拌或超聲使石墨烯和納米導(dǎo)電炭黑均勻分散，得混合溶液；(2)將水泥、砂子和水混合得到的水泥砂漿，加入步驟(1)的混合溶液中攪拌，得漿體;將漿體倒入模具中靜置成型，拆模后于飽和氫氧化鈣溶液中養(yǎng)護；切割、打磨即得。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極的制備方法，其特征在于:步驟(1)中，所述石墨烯摻量為水泥摻量的0.5-1.5%，優(yōu)選0.8-1.2%，更優(yōu)選1.0% ;所述納米導(dǎo)電碳黑摻量為水泥摻量的0.2-0.8%，優(yōu)選0.4-0.6%，更優(yōu)選0.5% ;所述分散劑水溶液的濃度為0.01%~0.12%，優(yōu)選0.05%,所述分散劑為壬基酚與環(huán)氧乙烷縮合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極的制備方法，其特征在于:步驟(2)水泥砂漿中，水灰比為(0.3-0.6): 1，優(yōu)選0.4:1，膠砂比為1: (3-5)，優(yōu)選1:4 ;靜置成型時間為24h ;養(yǎng)護時間為90天。
7.—種混凝土中硫酸鹽侵蝕監(jiān)測傳感裝置，其特征在于:包括固定支架以及一組權(quán)利要求1-2任一項所述的內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極；所述一組摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極獨立地自上而下平行設(shè)置于固定支架上；所述摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極相對兩端面分別設(shè)有不銹鋼網(wǎng)，所述不銹鋼網(wǎng)與分別連有導(dǎo)線。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種混凝土中硫酸鹽侵蝕監(jiān)測傳感裝置，其特征在于:所述固定支架為中空的PVC管支架。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種混凝土中硫酸鹽侵蝕監(jiān)測傳感裝置，其特征在于:所述相鄰內(nèi)摻納米導(dǎo)電材料的水泥基砂漿傳感電極間距10-50mm。
10.權(quán)利要求7-9任一項所述的混凝土中硫酸鹽侵蝕監(jiān)測傳感裝置在監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)的硫酸鹽侵蝕中的應(yīng)用。
【文檔編號】C04B111/94GK103524083SQ201310431965
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月22日
【發(fā)明者】蔣林華, 熊傳勝, 宋子健, 劉蓉, 游淥棽, 王濤 申請人:河海大學(xué)