一种水泥基复合材料及其制备方法与应用

本发明涉及水泥复合材料及其制法与应用，具体为一种水泥基复合材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着建筑技术的发展，越来越多的建筑结构出现并在生产生活中发挥着重要的作用，但是其一旦发生破坏失事将会造成严重的生命和财产损失，因此对建筑结构进行健康监测是保障工程安全的重要方法。传统的健康监测手段存在监测效果不佳，测量范围有限，耐久性低，施工复杂和兼容性差等缺点，基于此，研究人员提出了将结构力学性能和传感功能结合到一起的自感知水泥基复合材料，能够克服传统传感手段的缺陷，具有灵敏度高，耐久性好、施工方便、与基体兼容性好等优点，为结构健康监测提供了新的方法。

2、对于自感知水泥基复合材料的研究已经取得了一定的成果，但现有的自感知性能的水泥基复合材料还存在一些问题，例如：只能监测其在压缩状态下的应力应变情况，在拉伸状态下会脆性开裂失去监测能力；尽管提高了感知性能的灵敏度，但是该材料只能监测其在压缩状态下的应力应变情况，对于拉伸应变缺乏监测能力；导电填料使用颗粒直径较小的石墨烯，在拉伸过程中，试件开裂后，石墨烯被裂缝隔开，导电通路被隔断无法发挥导电能力。

3、在实际工程中，大多数结构受力破坏都是由拉应力超过允许应力造成的，现有的自感知水泥基材料存在脆性大易开裂，不能监测拉伸变形的问题，同时水泥基材料的韧性和变形能力相对较差，难以满足健康监测的需求，因此如何提高自感知水泥基材料的监测范围，提高其变形能力是其发展要解决的首要问题。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种具有高延性和高监测范围的自感知高延性水泥基复合材料，本发明的另一目的是提供一种简单方便的水泥基复合材料的制备方法，本发明的再一目的是提供一种水泥基复合材料在拉伸变形传感器监测中的应用。

2、技术方案：本发明所述的一种水泥基复合材料，包括以下重量份数的物质：水泥90～100份，粉煤灰450～500份，石英砂100～150份，分散剂0.6～0.8份，消泡剂0.6～0.8份，碳纤维4.2～6份，纳米炭黑6～12份，聚乙烯醇纤维9～12份，水180～200份，减水剂6～12份。

3、为了提高了拉伸过程中的感知性能，聚乙烯醇纤维进行预处理，其表面吸附有纳米炭黑。

4、进一步地，粉煤灰为i级粉煤灰；所述石英砂的平均粒径为80～100目。分散剂为甲基纤维素，黏度≥2万。碳纤维的长度9～10mm，直径7～10μm。纳米炭黑的平均粒径为100～500nm。聚乙烯醇纤维的长度10～12mm，直径为39～40μm。

5、进一步地，水泥基复合材料标准养护28天后，其极限拉应变3.0～4.0％，初裂强度2.0～3.0mpa，抗压强度20～26mpa，体积电阻率为40～70ω·cm。

6、上述水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

7、(1)先将聚乙烯醇纤维与一半纳米炭黑搅拌，将水泥、粉煤灰、石英砂和剩余的纳米炭黑充分混合均匀；

8、(2)将减水剂、分散剂和消泡剂倒入水中，搅拌均匀，然后将碳纤维缓慢加入液体中，边加入边搅拌，搅拌至碳纤维处于均匀分散状态；

9、(3)将步骤(1)中所得物缓慢加入步骤(2)所得物中，边加入边搅拌，搅拌3～5分钟后，将聚乙烯醇纤维少量多次加入浆体中，充分搅拌3～5分钟，得到水泥基复合材料。

10、本发明所述的一种水泥基复合材料在拉伸变形传感器监测中的应用。

11、制备原理：本发明将碳纤维和聚乙烯醇纤维混掺入水泥基材料中制备出了具有感知能力的高延性水泥基复合材料，碳纤维能辅助聚乙烯醇纤维桥接裂缝，提高了材料的拉伸延性，同时纳米炭黑一方面能填充基体的孔隙率提高强度，另一方面部分纳米炭黑附着在聚乙烯醇纤维表面，提高了纤维的桥接性能。

12、有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

13、1、本发明所得水泥基复合材料具有稳定的压阻效应，对受力变形有很高的灵敏度，且电阻率变化具有很强的规律性，通过分析力阻效应能够监测拉伸状态下的变形情况；同时，所得材料极限拉应变稳定地保持在3.0％以上，具有极佳的延性，能够大幅提升拉伸变形的监测范围；

14、2、本发明通过混掺碳纤维和纳米炭黑导电填料，既能发挥碳纤维在宏观尺度上构建导电路径的能力，降低材料的电阻率，又可以发挥纳米炭黑在微观尺度提供活性触点的能力，提高了感知性能的灵敏度；

15、3、本发明通过预先处理聚乙烯醇纤维，能使得纳米炭黑吸附在聚乙烯醇纤维表面，提高了拉伸过程中的感知性能。

技术特征：

1.一种水泥基复合材料，其特征在于，包括以下重量份数的物质：水泥90～100份，粉煤灰450～500份，石英砂100～150份，分散剂0.6～0.8份，消泡剂0.6～0.8份，碳纤维4.2～6份，纳米炭黑6～12份，聚乙烯醇纤维9～12份，水180～200份，减水剂6～12份。

2.根据权利要求1所述的一种水泥基复合材料，其特征在于：所述聚乙烯醇纤维进行预处理，其表面吸附有纳米炭黑。

3.根据权利要求1所述的一种水泥基复合材料，其特征在于：所述粉煤灰为i级粉煤灰；所述石英砂的平均粒径为80～100目。

4.根据权利要求1所述的一种水泥基复合材料，其特征在于：所述分散剂为甲基纤维素，黏度≥2万。

5.根据权利要求1所述的一种水泥基复合材料，其特征在于：所述碳纤维的长度9～10mm，直径7～10μm。

6.根据权利要求1所述的一种水泥基复合材料，其特征在于：所述纳米炭黑的平均粒径为100～500nm。

7.根据权利要求1所述的一种水泥基复合材料，其特征在于：所述聚乙烯醇纤维的长度10～12mm，直径为39～40μm。

8.根据权利要求1所述的一种水泥基复合材料，其特征在于：所述水泥基复合材料标准养护28天后，其极限拉应变3.0～4.0％，初裂强度2.0～3.0mpa，抗压强度20～26mpa，体积电阻率为40～70ω·cm。

9.根据权利要求1～8任一所述的一种水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求1所述的一种水泥基复合材料在拉伸变形传感器监测中的应用。

技术总结本发明公开了一种水泥基复合材料及其制备方法与应用，水泥基复合材料包括以下重量份数的物质：水泥90～100份，粉煤灰450～500份，石英砂100～150份，分散剂0.6～0.8份，消泡剂0.6～0.8份，碳纤维4.2～6份，纳米炭黑6～12份，聚乙烯醇纤维9～12份，水180～200份，减水剂6～12份。本发明所得水泥基复合材料具有稳定的压阻效应，对受力变形有很高的灵敏度，且电阻率变化具有很强的规律性，通过分析力阻效应能够监测拉伸状态下的变形情况；同时，所得材料极限拉应变稳定地保持在3.0％以上，具有极佳的延性，能够大幅提升拉伸变形的监测范围；所得材料有较低的电阻率，能提高感知性能的灵敏度。技术研发人员：潘金龙,韩进生,蔡景明,许荔,顾大伟受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/6/2