专利名称：：内掺cccw的碳纤维石墨机敏混凝土及其应用的制作方法
技术领域：
：本发明涉及混凝土
技术领域：
，特别是内掺cccw的碳纤维石墨机敏混凝土。
背景技术：
：传统水泥基材料掺加碳纤维、钢纤维、石墨等导电组分后，将具有导电性和多功能性(包括焦耳效应、热电效应、压敏性和力敏性等)，可望在未来智能建筑、健康监测和防灾减灾等多领域广泛应用。目前，虽然国内外对导电水泥基材料首选的添加组分是碳纤维，但是碳纤维在水泥基中的分散效果不甚理想，导致了其电学性能不稳定，直接影响了此类材料的应用。石墨导电水泥基复合材料的制备不存在分散性问题，但是为了获得稳定的导电性，必须加入一定数量的石墨。而大量石墨的添加，则会导致材料力学性能的大幅下降，故石墨导电水泥基复合材料主要应用于对强度要求不高的场合。cccw作为混凝土掺入剂，其中特殊的活性化学物质会在一定的养护条件下，以水为载体，通过渗透作用，使其活性化学物质在混凝土的微孔及毛细孔中传输，填充并催化混凝土中未完全水化的水泥颗粒继续发生水化作用，形成不溶性的晶体，对微裂缝进行自动填充，实现自修复。这将会降低材料的孔隙率，提高水泥基复合材料的力学性能，部分弥补石墨的掺入导致的力学性能的下降。由于石墨的加入，在材料的制备过程中可以适当降低对碳纤维分散性的要求，从而使工艺简化，并可获得导电性及压敏性稳定的碳纤维石墨水泥基机敏材料。
发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种内掺CCCW的碳纤维石墨机敏混凝土，该机敏混凝土具有稳定的导电性和压敏性，且制作工艺简单，以克服现有碳纤维的分散工艺不足而导致的导电性及机敏特性不稳定的问题。本发明解决其技术问题采用以下的技术方案本发明提供的内掺cccw的碳纤维石墨机敏混凝土，其以硅酸盐水泥和砂为基本材料，如入cccw的混凝土掺入剂和加入碳纤维、石墨混杂导电相后构成。水泥与砂子的质量配比为i:1;其它成分相对于水泥和砂总质量的百分比为CCCW混凝土惨入剂1%2°/，碳纤维0.3%0.5%,石墨5%25%，分散剂0.1%0.2%，消泡剂O.01%0.015%。本发明提供的上述内掺CCCW的碳纤维石墨机敏混凝土，其用于制作应力应变传感元件。本发明与现有技术相比具有如下主要的突出效果其一.提高了性能。本发明采用碳纤维与石墨复掺工艺，充分发挥了碳纤维的长程导电和石墨的短程导电作用，并利用石墨分散性好的特点，复掺石墨后可使材料的制备工艺简化，同时掺入CCCW混凝土掺入剂提高材料的力学性能，以部分弥补掺入石墨后导致的材料力学性能的下降。如当水泥和砂的质量比为1:1，碳纤维掺量固定为水泥和砂的总质量(以下同)的0.5%、石墨掺量分别为0%、5%、15%和25%时，不掺CCCW材料的碳纤维石墨水泥基复合材料的抗压强度分别为35.3MPa、3L7MPa、26.0MPa和16.8MPa;掺加CCCW材料的碳纤维石墨水泥基复合材料的抗压强度则分别为49.4MPa、35.8MPa、29.3MPa和19.2MPa。掺加CCCW后，碳纤维石墨水泥基复合材料的抗压强度分别提高了39.9%、12.9%、12.7%和14.3%。适宜的短切碳纤维也可提高水泥基复合材料的力学性能。因此，复掺工艺所制备的机敏混凝土具有导电性好，力学性能高，电阻率稳定及压敏性稳定的特点。本发明采用的CCCW材料为混凝土掺入剂，碳纤维为PAN基短切碳纤维，使用前经过浓硝酸浸泡处理，石墨为含碳量》97%的鳞片石墨。复掺工艺可大大降低材料的导电率。对碳纤维含量一定的碳纤维石墨水泥基复合材料而言，其电阻率主要由石墨的掺量决定。因此，碳纤维远程导电结合石墨粒子的短程导电，使得导电相容易形成空间导电网络通路，保证了材料具有较低的电阻率和电学性能的稳定性。分散性好的适量石墨的加入，使得导电相之间相互接触的几率增大，导电相之间的平均距离减小，有利于导电相之间的隧道效应。同时，掺入CCCW后，其中所含的特殊活性化学物质可以通过二次水化形成不溶性晶体堵塞混凝土中毛细通道，改善了混凝土基体的微结构，大大降低离子导电所导致的极化效应，亦有利于材料的导电性的稳定。采用碳纤维和石墨复掺的方法，可在充分利用碳纤维远程导电的基础上，结合石墨粒子的短程导电以增加影响压敏性的活性接触点，从而保证了材料具有较低的电阻率和压敏稳定性。因此，内掺CCCW的碳纤维石墨水泥基复合材料可作为土木工程结构的应力应变传感器。其二，成本较低。所采用石墨为工厂生产的普通鳞片石墨。其三，制作工艺简单。采用普通混凝土的制作工艺即可。其四，应用广泛。可望在未来智能建筑、健康监测和防灾减灾等多领域广泛应用。总之，本发明利用短切碳纤维和石墨的接触导电和导电相之间的隧道导电效应形成具有机敏特性的导电混凝土。釆用适宜的掺量就可得到导电好、力学性能高、导电性和压敏性稳定的导电混凝土。材料制备简单，价格较低。利用该种材料可制作混凝土结构的传感元件，有效实施对混凝土结构的健康监测，以及用于车辆称重等。图1为传感元件及其四电极法测试电阻的示意图。图2为内掺CCCW的碳纤维石墨水泥砂浆压敏性测试系统示意图。图3为短柱(100醒X100mmX300mm，C30)及其中心内埋传感元件(40mmX40mmX40腿)。图4为对100mmX100mmX300誦短柱循环加载时内埋柱中心位置传感元件的电阻率变化。图5为对100ramX100mmX300mm柱单调加载时内埋柱中心位置传感元件的电阻率变化。图中l.试块；2.正电极；3.负电极；4.正电极；5.负电极；6.电阻应变片；7.应力应变传感元件；8.混凝土柱。具体实施例方式本发明提供的是一种含有以硅酸盐水泥和砂组成的基本材料，加入CCCW的混凝土掺入剂和碳纤维、石墨混杂导电相构成碳纤维石墨机敏混凝土(简称机敏混凝土)。该机敏混凝土的组成为水泥与砂子的质量配比为1:1。2%CCCW(占所加水泥和砂总质量的百分数，以下同)，0.5%碳纤维和0%25%鳞片石墨，0.2%分散剂和0.015%消泡剂。上述碳纤维为PAN基短切高强碳纤维，直径为①7土0.2pm，长为5mm，拉伸强度3800MPa，拉伸弹性模量为228GPa，电阻率为1.55X10—5Q.m，密度1.81g'cm-3。碳纤维用浓硝酸浸泡2h，清水洗净，12(TC烘干待用。或根据实际需要而定。分散剂和消泡剂分别为羧甲基纤维素钠和磷酸二丁酯，加入量分别为水泥和砂总质量的0.2%和0.015%。上述石墨为工厂生产的普通鳞片石墨，石墨纯度》97%，颗粒度《0.071mm。上述CCCW材料为市售CCCW混凝土掺入剂。本发明提供的机敏混凝土应用广泛，其能够用于制作在结构健康监测、车辆称重等领域应用的应力应变传感元件7。该传感元件设有两对电极，如图1至图2所示两对电极与恒流直流电源和多通道数据自动采集处理系统(记录电压值)构成四电极法电阻测试系统。两对电极用银粉导电胶刷在试块1表面构成，然后用导电胶布将铜芯导线粘在银粉导电胶上引出正电极2、负电极3、正电极4、负电极5;或采用金属网片预埋在试块中。内侧两电极测试电压V，外侧两电极由恒流源提供直流电源I，则内侧两电极间混凝土试块的体积电阻为R=V/I,电阻率为P二R'S/L,其中，S二40隱X40醒，L=20mm。在试块1的一侧面设有以强力胶粘接相连的电阻应变片6(图2)，结合YE2539高速静态应变仪记录传感元件被加载时在压力方向的应变值。试块l由机敏混凝土制成，其大小为40mmX40腿X40隱。所述应力应变传感元件7(简称传感元件)，其埋入C30混凝土柱8中(图3)，可以比较方便的监测该传感元件周围的混凝土的受力状态。本发明提供的内掺CCCW的碳纤维石墨机敏混凝土制备工艺简单，与普通混凝土的制备工艺相同。例如首先按比例称取各组分，先用烧杯盛适量热水，加入分散剂搅拌，然后加入水泥和砂的总质量0.5%(以下同)的碳纤维搅拌均匀；称取2%的CCCW水泥掺入剂并加入水泥干拌，再加入石墨与砂，进行干拌混匀。将分散好的碳纤维和干混好的水泥、石墨和砂倒入砂浆搅拌机搅拌，并逐步加入水。实验中改变水灰比(水与水泥+石墨的质量比)，以保持混合料适宜的流动性。石墨的添加量及与之对应的水灰比见表1。配合料搅拌均匀后，注入模具成型，同时埋入不锈钢或铜片导电电极，并进行正常脱模、养护。亦可用银粉导电胶在试样表面制成电极。下面结合具体应用实例对本发明作进一步说明。实施例1:制备内掺CCCW的碳纤维石墨水泥基复合材料传感元件，其尺寸大小为40mmX40腿X40咖(见图1)。采用42.5普通硅酸盐水泥。普通铸造用石英砂，颗粒度为0.154ram0.315mm。原材料配比及养护28天后相应的试块的电阻率如表1所示。加入CCCW对材料抗压强度的影响如表2所示。CCCW材料、碳纤维、石墨、碳纤维分散剂和消泡剂的配比以其占水泥与砂的总质量的百分比表示。由表1所知，在碳纤维加入量一定条件下，随着石墨掺量的增加，其导电性越好。在掺量为10%左右时，再增加石墨含量对材料电阻率影响不大。表1中的碳纤维、石墨、CCCW、分散剂和消泡剂的数值均为占水泥和砂的总质量的百分数。由表2可知，掺入石墨后，材料的抗压强度减小，随石墨加入量的增大，材料的强度逐步下降，但掺入CCCW可有效提高水泥基机敏材料的抗压强度。表2中的碳纤维、石墨、CCCW、分散剂和消泡剂的数值均为占水泥和砂的总质量的百分数。实施例2:采用上述工艺制备的传感元件40mmX40鹏X40mm，并采用图2所示测试系统进行材料的压敏性测试。将试样置于INSTR0N5882万能材料试验机上，即构成压敏性测试系统，以测定石墨水泥砂浆试块在循环加载下的电阻变化情况。同步采用YE2539高速静态应变仪记录试样在加载时的应变值。加载方式为三角波循环加载，加载和卸载速率控制为1分钟一个循环周期。最大压应力为6.25MPa、5次循环研究试样的压阻特性，分析其应变灵敏度系数。在循环荷载作用下，不同石墨掺量试样的传感元件的电阻率和应力存在一定的对应关系。石墨掺量为水泥和砂总质量的10%15%时，碳纤维石墨水泥砂浆试样的体积电阻率与压应力呈现良好的可重复性，电阻值在应力加载时几乎呈线性下降，而卸载时增加。当碳纤维含量为0.5%，石墨含量分别为10%和15%时，其对应的应变灵敏度系数分别为39.5和25。远远大于金属电阻应变片的灵敏度系数2。实施例3:将图1所示传感元件40腿X40mmX40腿(2%CCCW、0.5%碳纤维、10%石墨含量)用环氧树脂封装后，埋入100誦X100誦X300mm的短柱中心，柱按C30混凝土制备，如图3所示。对柱施加循环压力载荷，加载制度及测得的传感元件的电阻率变化如图4所示，电阻率与加载应力存在一定的对应关系，重复性好。对柱施加压力单调加载时，电阻率与压应力的关系如图5所示。传感元件能很好的感知结构的受力状况，图5中AB、BC和CD三个阶段分别对应于碳纤维石墨应力应变传感器的弹性范围、塑性范围和破坏范围。因此，该传感器能广泛应用于结构的健康监测，车辆称重等工程领域中。附表表1原材料配比及养护28天后材料相应的电阻率<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表2加入CCCW混凝土掺入剂对材料抗压强度的影响<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>权利要求1.一种机敏混凝土，含有以硅酸盐水泥和砂组成的基本材料，其特征是加入CCCW的混凝土掺入剂以及加入碳纤维、石墨混杂导电相构成碳纤维石墨机敏混凝土，水泥与砂子的质量配比为1∶1；其它成分相对于水泥和砂总质量的百分比为CCCW混凝土掺入剂1％～2％，碳纤维0.3％～0.5％，石墨5％～25％，分散剂0.1％～0.2％，消泡剂0.01％～0.015％。2.根据权利要求1所述的机敏混凝土，其特征是其它成分相对于水泥和砂总质量的百分比为CCCW混凝土掺入剂2%，碳纤维0.5%，石墨15%，分散剂0.2%，消泡剂0.015%。3.根据权利要求1或2所述的机敏混凝土，其特征是采用石墨纯度>97%和颗粒度《0.071mm的鳞片石墨。4.根据权利要求1所述的机敏混凝土，其特征是采用经过浓硝酸浸泡进行表面氧化处理的短切碳纤维。5.根据权利要求1所述的机敏混凝土，其特征是采用水性分散剂。6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述机敏混凝土的应用，其特征是该机敏混凝土用于制作应力应变传感元件。7.根据权利要求6所述的应用，其特征是所述应力应变传感元件设有两对电极，电极用银粉导电胶刷在试块表面构成，或采用金属网片预埋在试块中；试块由机敏混凝土制成。'8.根据权利要求7所述的应用，其特征是所述应力应变传感元件是混凝土结构健康:监测、车辆称重的传感元件。全文摘要本发明涉及的机敏混凝土，是以硅酸盐水泥和砂为基本材料，加入CCCW的混凝土掺入剂以及加入碳纤维、石墨混杂导电相构成碳纤维石墨机敏混凝土，水泥与砂子的质量配比为1∶1；其它成分相对于水泥和砂总质量的百分比为CCCW混凝土掺入剂1％～2％，碳纤维0.3％～0.5％，石墨5％～25％，分散剂0.1％～0.2％，消泡剂0.01％～0.015％。本发明利用短切碳纤维和石墨的接触导电和导电相之间的隧道导电效应形成具有机敏特性的导电混凝土，具有导电好，力学性能高，导电性和压敏性稳定，制备简单和价格较低等优点；利用该种材料可制作混凝土结构的传感元件，有效实施对混凝土结构的健康监测，以及用于车辆称重等。文档编号C04B14/06GK101602590SQ20091006292公开日2009年12月16日申请日期2009年6月30日优先权日2009年6月30日发明者孙明清,李卓球,范晓明申请人:武汉理工大学