應(yīng)變自感知和可融雪化冰多尺度碳水泥復(fù)合路面材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種水泥基智能復(fù)合材料，尤其涉及一種用于路面應(yīng)力應(yīng)變自感知和可融雪化冰于一體的水泥基路面復(fù)合材料。
【背景技術(shù)】
[0002]重大橋梁結(jié)構(gòu)工程的使用期長達(dá)幾十年、甚至上百年，載荷的疲勞效應(yīng)、環(huán)境腐蝕和材料老化等災(zāi)變因素的耦合作用將不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損傷積累和抗力衰減，從而抵抗自然災(zāi)害的能力下降、甚至引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事故。近年來，智能材料的出現(xiàn)與發(fā)展，為研制大規(guī)模、分布式、高性能、長壽命、具有長期穩(wěn)定性的智能傳感元和監(jiān)測系統(tǒng)開辟了嶄新的途徑，為重大工程結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測與健康診斷提供了最有效的手段。在各種智能材料中，通過在水泥基復(fù)合材料中添加一定的填料所形成的智能混凝土集力學(xué)本征特性與感知功能于一身，其造價低、耐久性好、與混凝土工程與結(jié)構(gòu)具有天然的相容性和相同的壽命，目前已經(jīng)成為土木工程領(lǐng)域的重要研究方向。目前用于制備智能水泥基復(fù)合材料常用的填料可分為三類:聚合物類、碳類和金屬類，用的最多的為碳類，包括石墨、碳黑、碳纖維、碳納米管。目前，水泥基智能復(fù)合材料應(yīng)力應(yīng)變感知性能往往受環(huán)境因素影響較大，如溫度，濕度等，而且功能單一。冬季，我國北方天氣嚴(yán)寒，降雪量大，在路面上易凍結(jié)成冰，嚴(yán)重影響交通運(yùn)行，并且?guī)戆踩[患。據(jù)統(tǒng)計，冬季30%的交通事故是由于路面冰雪的影響。目前用于路面融雪化冰的方法主要有:人工清除、機(jī)械清除、化學(xué)融化、熱融化等。人工清除耗時費力且效率低；機(jī)械清除雖鏟除了大量冰雪，但路面凹凸不平處仍有冰雪，車輛在其上行駛，附著力低，可操縱性及剎車能力差，安全難以有效保障；化學(xué)融化常采用氯鹽如NaCl、CaCl2、1%(:12等噴灑于路面，降低冰雪熔點，化冰效果好且價格便宜，因而應(yīng)用較普遍，但是氯鹽會引起鋼筋銹蝕，產(chǎn)生裂紋而破壞結(jié)構(gòu)，造成嚴(yán)重危害和重大經(jīng)濟(jì)損失，并會帶來水質(zhì)污染和后期環(huán)境問題。通過向水泥基復(fù)合材料中添加一定的導(dǎo)電填料，使復(fù)合材料具有一定的電熱性能，可用于路面的融雪滑冰。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)變自感知和可融雪化冰多尺度碳水泥復(fù)合路面材料，將能夠形成隧道效應(yīng)的多尺度碳材料添加到水泥復(fù)合材料中，即添加碳纖維、碳納米管和納米炭黑，不僅大幅提高了復(fù)合材料的電熱性能，而且使復(fù)合材料內(nèi)部形成具有優(yōu)異、穩(wěn)定的空間導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)力應(yīng)變感知功能不易受環(huán)境因素影響。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種應(yīng)變自感知和可融雪化冰多尺度碳水泥復(fù)合路面材料，由普通硅酸鹽水泥、自來水、外加劑和導(dǎo)電填料組成，其中:水灰比為0.5，導(dǎo)電填料由碳纖維、碳納米管和納米碳黑構(gòu)成的多尺度碳材料組成，碳纖維摻量相對于水泥質(zhì)量的0.2%~0.4%，碳納米管摻量相對于水泥質(zhì)量的1.5%~2.5%，納米碳黑質(zhì)量摻量相對于水泥質(zhì)量的1%~3%，外加劑為消泡劑、減水劑、分散劑，添加消泡劑、減水劑、分散劑的目的分別是消除水泥基體中引入的氣泡、提高水泥漿體的工作性能、分散水泥基體中的多尺度碳材料，一般依據(jù)所用的外加劑種類確定其用量。
[0005]本發(fā)明中，所述碳纖維長度為毫米級別，直徑為微米級別；碳納米管長度為微米級，直徑為納米級；納米碳黑粒徑為納米級。
[0006]本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
1)將多尺度碳材料作為導(dǎo)電填料添加到水泥基復(fù)合材料中，極大地提高了復(fù)合材料的導(dǎo)電性，相對于單摻碳材料的水泥基復(fù)合材料其導(dǎo)電性最大可提高七十萬多倍，最小可提高七倍；其融雪化冰能力得到了極大的提高，可實現(xiàn)在o°c下的低溫環(huán)境下，電能有效利用率為56.8% ;而其最大應(yīng)變感知能力較一般的應(yīng)變片提高20多倍，多尺度導(dǎo)電填料在水泥基體所形成穩(wěn)定的空間導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使復(fù)合材料的感知能力受環(huán)境因素影響較小，所能感知最大荷載頻率為0.5 Hz ο
[0007]2)該復(fù)合材料集應(yīng)變自感知與融雪滑冰功能于一體，具有較廣的應(yīng)用性。
[0008]3)以水泥為基體，不僅保證復(fù)合材料與混凝土具有天然的兼容性以及復(fù)合材料耐久性，而且實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與功能一體化。
【附圖說明】
[0009]圖1為應(yīng)變自感知和可融雪化冰多尺度碳水泥復(fù)合路面材料工程應(yīng)用的示意圖；圖中:1-融雪化冰用的電源，2-應(yīng)力應(yīng)變自感知與可融雪化冰的多尺度碳路面水泥復(fù)合材料，3-四電極應(yīng)力應(yīng)變采集系統(tǒng)，4-用于融雪化冰的電極，5-混凝土路基材料。
【具體實施方式】
[0010]【具體實施方式】一:本實施方式中所制備應(yīng)變自感知和可融雪化冰多尺度碳路面水泥復(fù)合材料所用原材料:普通硅酸鹽水泥Ρ.0.42.5、自來水、磷酸三丁脂作為消泡劑、高效聚羧酸作為減水劑、碳纖維、碳納米管、納米碳黑、甲基纖維素作為碳纖維的分散劑、聚乙烯毗咯烷作為碳納米管的分散劑；其中，水灰比為0.5，碳纖維摻量的范圍為0.2%~0.4% (相對于水泥質(zhì)量，下同)，甲基纖維素的用量為水泥質(zhì)量0.3^0.5%，碳納米管摻量的范圍為
1.5%~2.5%，聚乙烯毗咯烷的用量為碳納米管質(zhì)量的15%~25%，納米碳黑質(zhì)量摻量的范圍為1%~3%，磷酸三丁脂和高效聚羧酸的用量分別為0.05%~0.15%和0.5%~1.5% (相對于水泥的質(zhì)量)。
[0011]本實施方式按照如下步驟進(jìn)行復(fù)合材料的制備:
1)為了避免碳黑影響到碳纖維和碳納米管的分散，將既定配比的拌合物(未加入納米碳黑和水泥)進(jìn)行人工攪拌；
2)將拌合物置于超聲波細(xì)胞粉碎儀分散lh，然后加入納米炭黑的拌合物采用人工攪拌;
3)將分散好的拌合物置于攪拌機(jī)進(jìn)行半分鐘的慢速攪拌，然后在攪拌的過程中緩慢加入水泥，水泥加完后進(jìn)行兩分鐘的慢速攪拌和三分鐘的快速攪拌；
4)將攪拌均勻的拌合物澆筑相應(yīng)的路面，同時在澆