一種復摻鱗片石墨工程水泥基復合導電材料及其制備方法
【專利摘要】一種復摻鱗片石墨工程水泥基復合導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砂、石墨粉繼續拌合得到石墨粉?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合導電材料拌合物；把拌合物澆筑到模具中養護后脫模得到復摻鱗片石墨工程水泥基復合導電材料試件。本發明材料具有良好抗拉強度、高韌性和細密裂縫特性，以及良好導電性能和顯著自感應特征。
【專利說明】
-種復慘鱗片石墨工程水泥基復合導電材料及其制備方法
技術領域
[0001] 本發明設及勘探巖±建筑領域，具體設及一種復滲鱗片石墨工程水泥基復合導電 材料及其制備方法，材料屬于一種新型的復滲鱗片石墨和PVA纖維改性水泥基復合導電材 料。
【背景技術】
[0002] 目前，改良水泥材料性能，使其滿足現代建筑結構的功能要求是±木工程材料研 究的發展方向。近年來研究者們利用碳系材料、金屬材料W及礦渣等電導率較高的填料，對 水泥基材料的導電性進行改良，得到電阻率較低，耐久性較好，甚至表現出良好壓敏性的自 感知水泥基復合材料，使傳統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、 良好的導電性，是水泥基復合材料中導電介質的較優選擇，在現有的研究應用（1、劉濤.復 滲細鋼纖維和石墨的水泥基復合材料的壓敏性研究[D].武漢理工大學，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].河北工業大學學報，2014(6): 26-29.)表明其對導電性的改善程度也優于單獨填充的金屬纖維、粉末或是礦渣。然而，受 碳分子空間分子結構W及較大的分子間作用力影響，該材料作為導電介質吸水性強，容易 結團。楊元霞，毛起巧，沈大榮等提出的碳纖維水泥基復合材料中纖維分散性的研究（建筑 材料學報，2001，4( 1): 84-88.)發現在普通水泥基材料中滲入碳系導電相一方面會降低材 料拌合物的流動性，增大水膠比；另一方面會影響水化反應的進行，大幅削弱該材料的力學 性能。
[0004] PVA短切纖維對水泥基體的增強、增初效果非常顯著，美國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.)提出的運種PVA-ECC材料已經成功應用于實際工程中。運種材料在抗拉試驗 中表現出應變硬化和細密裂縫擴展的特性，同時改變了傳統水泥材料在極限受力狀態脆性 破壞的現象。在實際應用中，該材料制備工藝煩瑣，成本較高，阻礙了其廣泛運用，同時， PVA-ECC材料并不具備自感知特性。
【發明內容】
[0005] 本發明要解決的技術問題是，針對現有技術存在的上述不足，提供一種復滲鱗片 石墨工程水泥基復合導電材料及其制備方法，既可W實現水泥基材料具有傳感功能，同時 也兼具良好的工作性能與力學性能，適宜廣泛應用。
[0006] 本發明為解決上述技術問題所采用的技術方案是：
[0007] -種復滲鱗片石墨工程水泥基復合導電材料，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，按體積分數來看，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，粉煤灰為一級或二級粉煤灰。
[0010] 按上述方案，所述的細砂為普通砂(天然砂、人工砂、石英砂均可)經標準篩篩分后 粒徑小于0.63mm，細度模數為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] 本發明還提供了一種上述復滲鱗片石墨工程水泥基復合導電材料的制備方法，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砂、石墨粉繼續拌合，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，無結團現象，調控拌合時間，至該材料漿體跳桌流動度達到ISOmmW上，得 到水泥基復合導電材料拌合物；
[0017] 5)把步驟4)中得到的拌合物誘筑到模具中，填實(無需振搗，稍加振搗也可)并抹 平；
[0018] 6)將模具置于溫度為20°C、相對濕度為95%的養護箱中養護24~48小時后脫模， 得到復滲鱗片石墨工程水泥基復合導電材料試件。
[0019] 本發明的有益效果：
[0020] 1、較傳統水泥砂漿材料及普通水泥基材料，本發明添加 PVA短切纖維、粉煤灰活性 滲料等組成的工程水泥基復合材料，符合細觀力學和斷裂力學的材料設計理念，具有更高 的抗拉強度、高初性(細密裂縫特性）、應變硬化等優點，適用于結構受拉部位的損傷修復加 固，W及延展性要求較高的結構物鋪裝層；
[0021] 2、較普通ECC材料，本發明添加石墨粉，具有良好的導電性能W及顯著的自感應特 征，能夠從電導率變化推演出結構的應力狀態，可W作為結構功能一體化材料應用于結構 保溫、融雪化冰、道路交通量監控W及結構健康監測等領域；
[0022] 3、本發明還提供導電自感知水泥基傳感材料在檢測技術中的應用，較傳統監控檢 測技術，復滲鱗片石墨工程水泥基復合導電材料既是結構材料，同時自身就是傳感器，其制 備工藝簡單，自密實型及與混凝±結構結合能力良好，同時該材料靜態電阻率小，拉敏/壓 敏性穩定，靈敏度高。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發明復滲鱗片石墨工程水泥基復合導電材料的掃描電鏡照片圖；
[0024] 圖2為普通工程水泥基復合材料的掃描電鏡照片圖；
[0025] 圖3為本發明導電材料的電阻率與石墨粉滲量的關系圖；
[0026] 圖4為本發明設定比例下水泥基復合導電材料在受壓破壞過程中電阻率變化率與 壓力隨時間的變化關系圖；
[0027] 圖5為本發明設定比例下水泥基復合導電材料在受拉破壞過程中電阻率變化率與 拉力隨時間的變化關系圖；
[0028] 圖6為本發明材料電阻率變化幅度與壓應力狀態的相關曲線圖；
[0029] 圖7為本發明材料電阻率變化幅度與拉應力狀態的相關曲線圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面結合附圖和一個較優實施例對本發明技術方案進行詳細的描述。
[0031] 優選的復滲鱗片石墨工程水泥基復合導電材料的重量比組成為：水泥50份，粉煤 灰61份，細砂46份，石墨粉21份，聚乙締醇纖維3份，水33份，減水劑2份。
[0032] 脫模后的復滲鱗片石墨工程水泥基復合導電材料試件在標準養護室中進行常溫 水中養護至7天。
[0033] 試件阻抗采用恒流源四電極法測試，然后通過歐姆定律換算為材料電阻率。
[0034] 機敏特性(壓敏性/拉敏性)測試步驟如下：
[0035] 1、在試件表面按照恒流源四電極阻抗測試方法布設電極；
[0036] 2、將試件放置在萬能試驗機加載區域中，將試件與夾具/壓頭接觸的部位進行絕 緣處理(纏繞包裹電工絕緣膠或墊W絕緣墊片），并調整好試件位置；
[0037] 3、萬能試驗機W位移控制加載速度，設定為O.lmm/min，加載至試件達到極限受 拉/受壓狀態破壞；
[0038] 4、試件加載試驗的同時，采用恒流源四電極阻抗測試系統實時聯測該材料試件的 阻抗值，數字多路數據采集器采集頻率設定為1次/s;
[0039] 5、在數據采集過程中，萬能試驗機同步記錄下試件的荷載-位移數據，將測得對應 時刻的阻抗值進行換算得到材料電阻率；
[0040] 6、計算機敏靈敏度，定義靈敏度為電阻率變化率的絕對值除W應力。
[0041] 本發明的對比例為空白對比組(普通ECC材料）、低石墨粉滲量對比組及高石墨粉 滲量對比組，制備及養護方法同上，但不同組材料中碳粉體積滲量不同。
[0042] 實施例與對比例空白組電鏡觀察圖像如圖1~圖2所示。
[0043] 實施例與對比例各組材料的電阻率(阻抗模量)與石墨粉滲量的關系如圖3所示。
[0044] 實施例與對比例各組材料的力學性能指標如表1所示。
[0045] 表 1
[0046]
[0047] 實施例發明材料電阻率變化率與荷載值隨時間的變化關系如圖4~圖5所示，其 中：
[0048] 圖4為實施例設定比例下水泥基復合導電材料在受力破壞(受壓)過程中電阻率變 化率與壓力隨時間的變化關系圖，從曲線可W看出，在材料試件彈性變形階段，試件阻抗值 穩定平緩下降;進入彈塑性變形階段后，電阻率下降幅度略微加劇；當試件處于塑性變形破 壞階段時，其阻抗則時刻都在波動，反映在曲線中即為電阻率變化的跳躍；
[0049] 圖5為實施例設定比例下水泥基復合導電材料在受力破壞(受拉)過程中電阻率變 化率與拉力隨時間的變化關系圖，從曲線可W看出，材料試件在達到極限抗拉強度之前，導 電性表現穩定，電阻率僅在小幅度上漲;達到極限抗拉強度之后，主裂縫擴展，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(表現為曲線的斜率)越來越大。
[0050] 對圖4、圖5的試驗數據進行分析，得到實施例發明材料電阻率變化幅度與應力狀 態的相關曲線如圖6~圖7所示，其中：
[0051] 圖6為實施例材料在受壓彈塑性變形階段電阻率變化幅度與壓應力狀態的相關曲 線圖，擬合得到電阻率變化幅度11與壓應力值〇相關方程為〇 = (-0.1-113-0.6-112-1.2· η) · fc，式中fc為材料抗壓強度，其決定系數R2 = 0.998,證實該實施例發明材料具有顯著的 壓敏特性；
[0052] 圖7為實施例材料在受拉彈塑性變形階段電阻率變化幅度與拉應力狀態的相關曲 線圖，擬合得到η與。相關方程為〇=(〇.〇〇22 · ri3-〇.〇4 · ri2+〇.33 · η) · ftk，式中ftk為材料 開裂應力，其決定系數R2 = 0.972,證實該實施例發明材料具有顯著的拉敏特性。
[0053] 顯然，上述實施例僅為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非是對本發明的實施 方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，依本發明的精神所引伸出的顯而易見的 變化或變動仍處于本發明的保護范圍之中。
【主權項】
1. 一種復摻鱗片石墨工程水泥基復合導電材料，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. 根據權利要求1所述的復摻鱗片石墨工程水泥基復合導電材料，其特征在于，按體積 分數來看，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. 根據權利要求1所述的復摻鱗片石墨工程水泥基復合導電材料，其特征在于，所述的 水泥為普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為一級或二級粉煤灰。4. 根據權利要求1所述的復摻鱗片石墨工程水泥基復合導電材料，其特征在于，所述的 細砂為普通砂經標準篩篩分后粒徑小于0.63_，細度模數為2.2~1.6，平均粒徑為0.35~ 0 · 25 蕭 〇5. 根據權利要求1所述的復摻鱗片石墨工程水泥基復合導電材料，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. -種根據權利要求1~5任一項所述的復摻鱗片石墨工程水泥基復合導電材料的制備 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砂、石墨粉繼續拌合，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，無結團現象，調控拌合時間，至該材料漿體跳桌流動度達到180mm以上，得到水 泥基復合導電材料拌合物； 5) 把步驟4)中得到的拌合物澆筑到模具中，填實并抹平； 6) 將模具置于溫度為20°C、相對濕度為95%的養護箱中養護24~48小時后脫模，得到復 摻鱗片石墨工程水泥基復合導電材料試件。
【文檔編號】C04B18/08GK105906259SQ201610228299
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月13日
【發明人】周小勇, 袁偉, 余佳干
【申請人】中國地質大學（武漢）