專利名稱：：內(nèi)摻cccw的石墨機(jī)敏混凝土及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及混凝土
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是內(nèi)摻cccw的石墨機(jī)敏混凝土及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：在傳統(tǒng)水泥基材料中摻加碳纖維、鋼纖維、石墨等導(dǎo)電組分后，將可獲得具有導(dǎo)電性和具有熱電效應(yīng)、壓敏性等多功能性的智能混凝土，可望在未來智能建筑、健康監(jiān)測和防災(zāi)減災(zāi)等多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。目前，雖然國內(nèi)外對導(dǎo)電水泥基材料首選的添加組分是碳纖維，但是碳纖維在水泥基中的分散效果不甚理想，導(dǎo)致了其電學(xué)性能不穩(wěn)定，直接影響了此類材料的應(yīng)用。石墨導(dǎo)電水泥基復(fù)合材料的制備不存在分散性問題，但是為了獲得穩(wěn)定的導(dǎo)電性，必須加入一定數(shù)量的石墨，這會導(dǎo)致材料力學(xué)性能的大幅下降，故石墨導(dǎo)電水泥基復(fù)合材料主要應(yīng)用于對強(qiáng)度要求不高的場合。cccw作為混凝土摻入劑，其中特殊的活性化學(xué)物質(zhì)會在一定的養(yǎng)護(hù)條件下，以水為載體，通過滲透作用，使其活性化學(xué)物質(zhì)在混凝土的微孔及毛細(xì)孔中傳輸，填充并催化混凝土中未完全水化的水泥顆粒繼續(xù)發(fā)生水化作用，形成不溶性的晶體，對微裂縫進(jìn)行自動(dòng)填充，實(shí)現(xiàn)自修復(fù)。這將會降低材料的孔隙率，提高水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能，可部分彌補(bǔ)石墨的摻入導(dǎo)致的混凝土力學(xué)性能的下降。由于石墨的加入，不存在分散性的要求，從而使材料制備工藝簡化，并可獲得導(dǎo)電性及壓敏性穩(wěn)定的石墨水泥基機(jī)敏材料。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種內(nèi)摻CCCW的石墨機(jī)敏混凝土，該機(jī)敏混凝土具有穩(wěn)定的導(dǎo)電性和壓敏性，且制作工藝簡單，以克服現(xiàn)有石墨的工藝不足而導(dǎo)致的材料機(jī)敏特性不穩(wěn)定的問題。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案本發(fā)明提供的內(nèi)摻cccw的石墨機(jī)敏混凝土，其以硅酸鹽水泥和砂組成的基本材料，加入CCCW的混凝土摻入劑和石墨后構(gòu)成。水泥與砂子的質(zhì)量配比為1:1;其它成分相對于水泥和砂總質(zhì)量的百分比為CCCW的混凝土摻入劑1%2%，石墨5%25%。本發(fā)明提供的內(nèi)摻CCCW的石墨機(jī)敏混凝土，其用于制作應(yīng)力應(yīng)變傳感元件。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下主要的突出效果其一.提高了性能。本發(fā)明采用摻入cccw混凝土摻入劑提高材料的力學(xué)性能，可部分彌補(bǔ)摻入石墨后導(dǎo)致的材料力學(xué)性能的下降。利用石墨在水泥中分散性好的特點(diǎn)可使材料的制備工藝簡化。因此，內(nèi)摻cccw的石墨導(dǎo)電機(jī)敏混凝土具有導(dǎo)電性好，力學(xué)性能較高，電阻率穩(wěn)定及壓敏性穩(wěn)定的特點(diǎn)。本發(fā)明采用的CCCW材料為混凝土摻入劑，石墨為含碳量》97%的鱗片石墨。對石墨水泥基復(fù)合材料而言，其電阻率主要由石墨的摻量決定。因此，分散性好的適量鱗片石墨的加入，使得石墨導(dǎo)電相之間相互接觸的幾率增大，導(dǎo)電相之間的平均距離減小，有利于導(dǎo)電相之間的隧道效應(yīng)。適當(dāng)加大石墨的加入量，容易使導(dǎo)電相形成空間導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)通路，保證了材料具有較低的電阻率和電學(xué)性能的穩(wěn)定性。摻入CCCW后，其中所含的特殊活性化學(xué)物質(zhì)可以通過二次水化形成不溶性晶體堵塞混凝土中毛細(xì)通道，改善了混凝土基體的微結(jié)構(gòu)，大大降低離子導(dǎo)電所導(dǎo)致的極化效應(yīng)，亦有利于材料的導(dǎo)電性的穩(wěn)定，同時(shí)，還提高了材料的力學(xué)性能。如當(dāng)水泥和砂的質(zhì)量配比為1:1，石墨摻量分別為水泥和砂總質(zhì)量(以下同)的2.5%、7.5%和12.5%時(shí)，不摻CCCW材料的石墨水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度分別為39.4MPa、27.5MPa和16.2MPa;摻加CCCW材料的石墨水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度則分別為58.4MPa、32.5MPa和23.6MPa。摻加CCCW后，石墨水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度分別提高了48.7%、17.1%和45.7%。適量的CCCW材料和石墨的摻入，保證了材料具有較低的電阻率和壓敏穩(wěn)定性，并具有較高的力學(xué)性能。因此，內(nèi)摻CCCW的石墨水泥基復(fù)合材料可作為土木工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變傳感器。其二，成本較低。所采用石墨為工廠生產(chǎn)的普通鱗片石墨。其三，制作工藝簡單。采用普通混凝土的制作工藝即可。其四，應(yīng)用廣泛?？赏谖磥碇悄芙ㄖ?、健康監(jiān)測和防災(zāi)減災(zāi)等多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用?？傊?，本發(fā)明利用石墨的接觸導(dǎo)電和導(dǎo)電相之間的隧道導(dǎo)電效應(yīng)形成具有機(jī)敏特性的石墨導(dǎo)電混凝土，具有導(dǎo)電好，力學(xué)性能較高，導(dǎo)電性和壓敏性穩(wěn)定，制備簡單和價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)；利用該種材料可制作混凝土結(jié)構(gòu)的傳感元件，有效實(shí)施對混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，亦可用于工業(yè)防靜電、電工和電熱材料。圖1為傳感元件及其四電極法測試電阻的示意圖。圖2為內(nèi)摻CCCW的石墨水泥砂漿壓敏性測試系統(tǒng)示意圖。圖3為短柱(100mmX100mmX300腿，C30)及其中心處內(nèi)埋傳感元件的示意圖。圖4為對圖3所示短柱單調(diào)加載時(shí)內(nèi)埋柱中心位置傳感元件的電阻率變化。圖5是含20%石墨的水泥砂漿在循環(huán)荷載作用下電阻率、應(yīng)力及時(shí)間關(guān)系曲線。圖6是含20%石墨的水泥砂漿在循環(huán)荷載作用下應(yīng)變、應(yīng)力及時(shí)間關(guān)系曲線。圖7是含20%石墨的水泥砂槳在循環(huán)荷載作用下電阻變化率、應(yīng)力及時(shí)間關(guān)系曲線。圖8是含50%石墨的水泥砂漿在循環(huán)荷載作用下電阻率、應(yīng)力及時(shí)間關(guān)系曲線。圖9是含50%石墨的水泥砂漿在循環(huán)荷載作用下應(yīng)變、應(yīng)力及時(shí)間關(guān)系曲線。圖10是含50°/。石墨的水泥砂漿在循環(huán)荷載作用下電阻變化率、應(yīng)力及吋間關(guān)系曲線。'圖中l(wèi).試塊；2.正電極；3.負(fù)電極；4.正電極；5.負(fù)電極；6.電阻應(yīng)變片；7.應(yīng)力應(yīng)變傳感元件；8.混凝土柱。具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供的是一種含有以硅酸鹽水泥和砂組成的基本材料，加入CCCW的混凝土摻入4劑和石墨導(dǎo)電相構(gòu)成石墨水泥基機(jī)敏混凝土(簡稱機(jī)敏混凝土)。該機(jī)敏混凝土的組成為水泥與砂子的質(zhì)量配比為l:1。2%CCCW(占所加水泥和砂總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，以下同)，5%25%鱗片石墨。上述石墨為工廠生產(chǎn)的普通鱗片石墨，石墨純度》97%，顆粒度《0.071mm。上述CCCW材料為市售CCCW混凝土摻入劑。本發(fā)明提供的內(nèi)摻CCCW的石墨水泥基機(jī)敏混凝土制備工藝簡單，與普通混凝土的制備工藝相同。例如首先按比例稱取各組分，將2%的CCCW水泥摻入劑加入水泥千拌，再加入石墨與砂，進(jìn)行干拌混勻。將混合物倒入砂漿攪拌機(jī)攪拌，并逐步加入水。實(shí)驗(yàn)中改變水灰比(水與水泥+石墨的質(zhì)量比)，以保持混合料適宜的流動(dòng)性。石墨的添加量及與之對應(yīng)的水灰比見表1。配合料攪拌均勻后，注入模具成型，同時(shí)埋入不銹鋼導(dǎo)電電極，并進(jìn)行正常脫模、養(yǎng)護(hù)。亦可用銀粉導(dǎo)電膠在試樣表面制成電極。下面結(jié)合具體實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實(shí)施例1:制備內(nèi)摻CCCW的石墨水泥基復(fù)合材料傳感元件，其尺寸大小為40mmx40mmx40mm(見圖1)。采用42.5普通硅酸鹽水泥。普通鑄造用石英砂，顆粒度為0.154mm0.315mm。原材料配比及養(yǎng)護(hù)28天后相應(yīng)的電阻率如表1所示。加入CCCW對材料抗壓強(qiáng)度的影響如表2所示。CCCW材料、石墨的配比以其占水泥與砂的總質(zhì)量的百分比表示。由表1所知，隨著石墨摻量的增加，其導(dǎo)電性越好。在摻量為10%左右時(shí)，再增加石墨含量對材料電阻率影響不大。表i中的石墨、cccw的數(shù)值為占水泥和砂的總質(zhì)量的百分比。由表2可知，摻入石墨后，材料的抗壓強(qiáng)度減小。石墨摻入量越大，材料強(qiáng)度越低，但摻入CCCW可有效提高石墨水泥基機(jī)敏材料的抗壓強(qiáng)度。表2中的石墨、CCCW的數(shù)值為占水泥和砂的總質(zhì)量的百分比。實(shí)施例2:采用上述工藝制備的傳感元件40mmx40mmx40mm，并采用圖2所示測試系統(tǒng)進(jìn)行材料的壓敏性測試。將試樣置于INSTRON5882萬能材料試驗(yàn)機(jī)上，即構(gòu)成壓敏性測試系統(tǒng)，以測定石墨水泥砂漿試塊在循環(huán)加載下的電阻變化情況。同步采用YE2539高速靜態(tài)應(yīng)變儀記錄試樣在加載時(shí)的應(yīng)變值。加載方式為三角波循環(huán)加載，加載和卸載速率控制為1分鐘一個(gè)循環(huán)周期。最大壓應(yīng)力為6.25MPa、5次循環(huán)研究試樣的壓阻特性，分析其應(yīng)變靈敏度系數(shù)。在循環(huán)荷載作用下，不同石墨摻量試樣的傳感元件的電阻率和應(yīng)力存在一定的對應(yīng)關(guān)系。石墨摻量為水泥和砂總質(zhì)量的10°/。15%時(shí)，石墨水泥砂漿試樣的體積電阻率與壓應(yīng)力呈現(xiàn)良好的可重復(fù)性，電阻值在應(yīng)力加載時(shí)幾乎呈線性下降，而卸載時(shí)增加。當(dāng)石墨含量分別為10%和15%時(shí)，其對應(yīng)的應(yīng)變靈敏度系數(shù)分別為39.5和25。遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)2。圖4至圖10分別顯示了含20%和50%石墨的水泥砂漿在循環(huán)荷載作用下電阻率、應(yīng)力及電阻變化率與時(shí)間關(guān)系曲線。實(shí)施例3:將傳感元件(2%CCCW、10%石墨含量)釆用環(huán)氧樹脂封裝后埋入100mmX100mmX300mm的柱中心，柱按C30混凝土制備，如圖3所示。對柱施加單調(diào)壓力載荷，測得的傳感元件的對應(yīng)的電阻率變化如圖4所示，圖4中AB、BC和CD三個(gè)階段分別對應(yīng)于石墨應(yīng)力應(yīng)變傳感器的彈性范圍、塑性范圍和破壞范圍。電阻率與加載應(yīng)力存在一定的對應(yīng)關(guān)系，重復(fù)性好。傳感元件能很好的感知結(jié)構(gòu)的受力狀況，因此，該傳感器能廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，車輛稱重等工程領(lǐng)域中。實(shí)施例4:應(yīng)力應(yīng)變傳感元件內(nèi)摻CCCW的石墨機(jī)敏混凝土應(yīng)用廣泛，其能夠用于制作在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、車輛稱重等領(lǐng)域應(yīng)用的應(yīng)力應(yīng)變傳感元件7。該傳感元件設(shè)有兩對電極，如圖1至圖2所示兩對電極與恒流直流電源和多通道數(shù)據(jù)自動(dòng)采集處理系統(tǒng)(記錄電壓值)構(gòu)成四電極法電阻測試系統(tǒng)。兩對電極用銀粉導(dǎo)電膠刷在試塊1表面構(gòu)成，然后用導(dǎo)電膠布將銅芯導(dǎo)線粘在銀粉導(dǎo)電膠上引出正電極2、負(fù)電極3、正電極4、負(fù)電極5;或采用金屬網(wǎng)片預(yù)埋在試塊中。內(nèi)側(cè)兩電極測試電壓V,外側(cè)兩電極由恒流源提供直流電源I，則內(nèi)側(cè)兩電極間混凝土試塊的體積電阻為R=V/I,電阻率為P-R'S/L，其中，S=40mmX40mm，L=20mm。在試塊1的一側(cè)面設(shè)有以強(qiáng)力膠粘接相連的電阻應(yīng)變片6(圖2)，結(jié)合YE2539高速靜態(tài)應(yīng)變儀記錄傳感元件被加載時(shí)在壓力方向的應(yīng)變值。試塊l由機(jī)敏混凝土制成，大小為40mmX40咖X40腿。所述應(yīng)力應(yīng)變傳感元件7(簡稱傳感元件)，其埋入C30混凝土結(jié)構(gòu)柱8中(圖3)，可以比較方便的監(jiān)測該傳感元件周圍的混凝土的受力狀態(tài)。附表表1原材料配比及養(yǎng)護(hù)28天后試樣相應(yīng)的電阻率<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表2加入CCCW混凝土摻入劑對材料抗壓強(qiáng)度的影響<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求1.一種機(jī)敏混凝土，含有以硅酸鹽水泥和砂組成的基本材料，其特征是加入CCCW的混凝土摻入劑和石墨構(gòu)成內(nèi)摻CCCW的石墨機(jī)敏混凝土，水泥與砂子的質(zhì)量配比為1∶1；其它成分相對于水泥和砂總質(zhì)量的百分比為CCCW的混凝土摻入劑1％～2％，石墨5％～25％。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)敏混凝土，其特征是其它成分相對于水泥和砂總質(zhì)量的百分比為CCCW混凝土摻入劑2%，石墨15%。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)敏混凝土，其特征是采用石墨純度》97%和顆粒度《0.071mm的鱗片石墨。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求所述機(jī)敏混凝土的應(yīng)用，其特征是該機(jī)敏混凝土用于制作應(yīng)力應(yīng)變傳感元件。5.根據(jù)權(quán)利耍求4所述的應(yīng)用，其特征是所述應(yīng)力應(yīng)變傳感元件的結(jié)構(gòu)是所述應(yīng)力應(yīng)變傳感元件設(shè)有兩對電極，電極用銀粉導(dǎo)電膠刷在試塊表面構(gòu)成，或采用金屬網(wǎng)片預(yù)埋在試塊中；試塊由機(jī)敏混凝土制成。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的應(yīng)用，其特征是所述應(yīng)力應(yīng)變傳感元件是混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、車輛稱重的傳感元件。全文摘要本發(fā)明涉及的機(jī)敏混凝土，是以硅酸鹽水泥和砂為基本材料，加入CCCW的混凝土摻入劑和石墨構(gòu)成內(nèi)摻CCCW的石墨機(jī)敏混凝土，水泥與砂子的質(zhì)量配比為1∶1；其它成分相對于水泥和砂總質(zhì)量的百分比為CCCW的混凝土摻入劑1％～2％，石墨5％～25％。本發(fā)明利用石墨的接觸導(dǎo)電和導(dǎo)電相之間的隧道導(dǎo)電效應(yīng)形成具有機(jī)敏特性的石墨導(dǎo)電混凝土，具有導(dǎo)電好，力學(xué)性能較高，導(dǎo)電性和壓敏性穩(wěn)定，制備簡單和價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)；利用該種材料可制作混凝土結(jié)構(gòu)的傳感元件，有效實(shí)施對混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，亦可用于工業(yè)防靜電、電工和電熱材料。文檔編號G01G3/14GK101602591SQ200910062928公開日2009年12月16日申請日期2009年6月30日優(yōu)先權(quán)日2009年6月30日發(fā)明者孫明清,李卓球,范曉明申請人:武漢理工大學(xué)