[发明专利]碳纳米管/碳纤维增强水泥基压敏复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及大体积混凝土应力应变监测、交通流量和荷载监测技术领域， 特别涉及一种碳纳米管/碳纤维增强水泥基压敏复合材料及制备方法。

背景技术

通常情况下，监测处于循环加载或卸载作用下混凝土结构的损伤情况， 主要包括两种方式：一是将光纤、压电陶瓷等传感器预埋入混凝土中进行监测； 二是采用声发射技术进行监测。然而，第一种监测方式存在如下缺陷：在混凝 土中埋入的传感器较易引起应力集中而降低材料的力学性能，而且由于所埋位 置所限，难以监测整体结构的变形性能；第二种监测方式也存在弊端：声发射 技术虽然不会对结构造成损伤，但所使用仪器价格比较昂贵，同时受外界因素 干扰较大。

为了解决上述问题，可以在水泥基材料中掺入碳纤维、石墨、钢渣、钢 纤维等导电组分而使其具备自感应压敏性。水泥基压敏复合材料在外力作用下 电阻率呈数量级变化，外力消失后电阻率又恢复到原值；且整个过程又是可逆 的，因而基于水泥基材料压敏特性，将其植入混凝土中也可以监测混凝土结构 内部应力应变情况。然而，现有的水泥基压敏材料应用均存在一定局限性：碳 纤维水泥基材料其电阻率随外界荷载变化的线性度、信噪比的提高以及在循环 荷载作用下电阻率随荷载变化的重复性控制均存在一定难度；钢渣水泥基材料 自身电阻值大，同时由于含有大量FeO固溶体，在电学信号作用下易产生极化； 石墨水泥基材料，由于石墨以颗粒状分散于水泥基体中，低掺量下导电填料难 于搭接成导电通路，影响荷载与电阻关联响应机制。

碳纳米管作为一种纳米级的超级纤维，与碳纤维混杂掺入水泥基材料 中，在纳米和微米两个尺度协同增强复合材料力学性能与导电性能，提高压力 敏感性，为水泥基压敏材料作为应力传感器在大体积混凝土应力监测、交通工 程车流检测等领域工程应用提供新的理论和方法。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理 解，而不应当视为承认或以任何形式暗示该信息为本领域一般技术人员所公 知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纳米管/碳纤维增强水泥基压敏复合材料 及制备方法，用于提高现有水泥基压敏材料电阻率与外界荷载响应关系的线 性度、信噪比以及在循环荷载作用下电阻率随荷载变化的重复性，以利于水泥 基压敏材料应用于实际工程。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种碳纳米管/碳纤维增强水泥基压敏复合材料，所述碳纳米管/碳纤维增 强水泥基压敏复合材料包括：水泥、硅灰、碳纤维、碳纤维分散剂、碳纳米管、 碳纳米管分散剂、消泡剂和水，各成分的配合比(g)如下：

进一步地，所述碳纳米管分散剂与所述碳纳米管的质量比为(0.8～1.2):1， 所述碳纤维分散剂与所述碳纤维的质量比为(0.8～1.2):1。

进一步地，所述碳纳米管直径为8～20纳米，长度为30～100微米；所述 碳纤维直径为5～20微米，长度为3～5毫米。

进一步地，所述碳纳米管和碳纤维的质量比为：(0.25～5)：1。

进一步地，所述碳纳米管占所述水泥质量百分比为0.1％，所述碳纤维占 所述水泥质量百分比为0.4％。

进一步地，所述碳纳米管占所述水泥质量百分比为0.2％，所述碳纤维占 所述水泥质量百分比为0.4％。

进一步地，所述碳纳米管占所述水泥质量百分比为0.5％，所述碳纤维占 所述水泥质量百分比为0.4％。

进一步地，所述硅灰的掺量占所述水泥的质量百分比为1～10％。

本发明还公开了一种碳纳米管/碳纤维增强水泥基压敏复合材料的制备方 法，包括如下步骤：

步骤一、将水分成三等分备用，将碳纳米管和碳纳米管分散剂按比例1:1 加入1/3水中并进一步处理制成碳纳米管悬浮液；同时将碳纤维和碳纤维分散 剂按比例加入1/3水中并进一步处理制得碳纤维悬浮分散液；

步骤二、在搅拌锅中依次加入硅灰、水泥和消泡剂以及所述碳纳米管悬浮 液、碳纤维悬浮分散液以及剩余的1/3水并搅拌一定时间得到拌和料；

步骤三、将所述拌和料装入试验模具中，并在所述试验模具对称轴两侧对 称埋入一对不锈钢网电极，从而得到试件；

步骤四、将所述试件放置于温度为22±3℃、相对湿度为95％±3％的标 准养护室中养护一定龄期；