一种混凝土结构内置式碳纳米管复合传感器与制备方法技术

本发明专利技术提供一种混凝土结构内置式碳纳米管复合传感器与制备方法。所述混凝土结构内置式碳纳米管复合传感器包括碳纳米管、水泥基复合材料和电极，其中，按重量份配比，所述碳纳米管0.2～1份，所述水泥基复合材料中分散剂0.2～1份、减水剂0.3～1份、水泥99～100份、砂200～300份和去离子水35～60份。所述混凝土结构内置式碳纳米管复合传感器具有压敏自感知能力，同时因其构造特点可以对需要监测的冲压荷载进行特殊响应，使用了氨基化多壁碳纳米管作为主要功能组分，制备出的传感器抗压强度达到了约35MPa，且传感器应变因子达到了1600，证明氨基化多壁碳纳米管具有对传感器的力学，电性能同时增强的优势。能同时增强的优势。能同时增强的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种混凝土结构内置式碳纳米管复合传感器与制备方法


[0001]本专利技术涉及力学测量领域，具体为混凝土结构内置式碳纳米管复合力学传感器。

技术介绍

[0002]混凝土结构具有各种显著的优点，因此在土木工程领域得到了广泛应用，然而混凝土材料是具有耐久性的，由于缺乏适宜的监测手段，导致未能及时进行维护，致使大量的混凝土结构处于损伤状态，乃至造成结构破坏，因此，及时对结构的损伤进行监测是至关重要的，特别是当船舶碰撞桥梁基础或桥梁支座受重载交通作用，传统方法一般采用在结构中预埋常规传感器或采用表面检测技术进行监测或检测，这些传统的传感器和测试方法存在造价高、对冲压荷载缺乏针对性精确测试，且无法实现长期耐久监测以及与混凝土结构力学传递响应不敏感等问题。
[0003]针对这些问题，提出具有自监测功能的混凝土类智能材料传感器成为研究重点，普通的混凝土属于电的不良导体，但在添加了石墨、金属粉和碳纤维等材料后，混凝土材料具有了良好的导电性、压敏性和耐久性，同时能与混凝土结构良好相容，这类方法一方面增强了混凝土材料的力学性能，另一方面使混凝土材料具备了导电机敏性损伤评估和健康监测的能力。
[0004]中国专利文献CN104446176A公开了一种水泥基复合材料及其压敏传感器，采用氧化石墨烯和碳纤维作为功能性组分具有强度高，耐久性好，孔隙缺陷少，致密性好的优点，但制作工艺中氧化石墨烯不具有导电性，作为导电组分的碳纤维导电性能一般且难以处理妥当，最终对传感器的电学和力学性能均有负面影响。
[0005]中国专利文献CN111620617A公开了一种用于传感器的超高性能水泥基复合材料、传感器及制备方法，所制备的水泥基复合材料传感器具有良好的导电性、机敏性和力学性能，然而该文献中使用的淀粉会影响内部导电材料的分散，易使制备出的产品电学性能不一致，难以量产用于工程实际当中。
[0006]中国专利文献CN113149526A公开了一种复合水泥基材料及复合水泥基材料传感器，其内容为向水泥砂浆中掺入有接枝碳纳米管的碳纤维材料具有分散性较好，监测灵敏的优点，但该技术方案中效果最好的实施例1可以明显看出，在经过一轮加载后，传感器的电阻率由72Ω
∙
cm左右变为了70Ω
∙
cm，证明该传感器的性能不稳定，无法长期内置于结构中进行效果良好的监测。
[0007]文献《Electromagnetic wave absorbing characteristics of carbon black cement
‑
based composites》中Dai Y W等人制备的纳米炭黑水泥基复合材料可以用于制作结构健康监测传感器，其中的纳米炭黑体积掺量从0增加到2.78％的过程中，对应的纳米炭黑水泥基复合材料的抗压强度从67MPa下降到22MPa，外添材料含量的增加对水泥基复合材料的强度产生了明显的负面影响。
[0008]此类传感器由于自身特性，对各个方向荷载均有响应，这使传感器在受到复杂动态变化的荷载时，得到的响应可能是高度耦合的且解耦困难，导致传感器的精度与应用范
围有限，如何使这种耦合影响降低则成为了需要考虑的问题；同时此类传感器是通过电阻值的变化来起到监测的效果，如何让这种特性有合理的应用场景，这些问题的存在使得现有技术难以运用到工程实际当中。
[0009]现有技术仅提出了一类水泥基复合传感器，没有提供如何在实际工程场景中对常见的冲击荷载和压力荷载进行监测的可行性的依据，存在传感器现实应用范围有限的缺点，现有技术传感器的响应对荷载的方向并无针对性，而现实中荷载的方向来源是复杂多变的，传感器对此的响应是耦合的且解耦非常困难，这使得传感器的精度与应用具有非常大的局限性，现有技术中采用氧化石墨烯和碳纤维作为功能性组分，然而氧化石墨烯本身几乎不导电，普通碳纤维难以在水泥基材料内部形成可靠的导电网络，另外碳纤维经过硝酸氧化，碳纤维本身性能会降低，且现有技术处理过程可能使碳纤维带有不易洗脱的酸液与氧化剂，对最后成型水泥基复合材料传感器的性能产生负面影响，现有技术在将纳米炭黑材料的含量从0增加到2.78％后，水泥基复合材料的力学性能降低了，水泥基复合材料的抗压强度从67MPa下降到22MPa，这种水泥基复合材料制成的传感器内置于结构中会对结构产生负面影响，同时该技术在添加材料含量较高的情况下，传感器效果一般，水泥基复合材料传感器的性能取决于内部导电材料是否均匀分散，现有技术采用的氧化石墨烯自身虽然具有两亲性质，但在水中分散后容易较快沉淀，将其再作为分散剂来分散碳纤维效果有限；而由于淀粉在拌和过程中具有很高的黏性，使用淀粉也会影响水泥基复合材料制作过程中内部导电纤维的分散，制作出的传感器在承受一轮荷载后由于内部材料性能的不稳定性，其电性能发生了很大改变，传感器的电阻率由72Ω
∙
cm左右变为了70Ω
∙
cm，存在传感器性能不稳，使用寿命较短，无法长期内置于结构中进行监测的问题。

技术实现思路

[0010]（一）解决的技术问题针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种混凝土结构内置式碳纳米管复合传感器与制备方法，解决了现有技术应用于实际工程可行性不足、应用范围有限、对结构强度产生负面影响、效果一般、成本较高和无法长期内置于结构中进行监测的问题。
[0011]（二）技术方案为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：一种混凝土结构内置式碳纳米管复合传感器，包括：碳纳米管；和水泥基复合材料，其中，按重量份配比，所述碳纳米管0.2～1份，所述水泥基复合材料中分散剂0.2～1份、减水剂0.3～1份、水泥99～100份、砂200～300份和去离子水35～60份。
[0012]优选的，所述混凝土结构内置式碳纳米管复合传感器的宽高比为1，长宽比大于2。
[0013]优选的，所述碳纳米管为氨基化多壁碳纳米管。
[0014]优选的，所述氨基化多壁碳纳米管的管径为3～15nm，管长为15～30um，比表面积为250～270m
²
/g。
[0015]优选的，所述分散剂为碳纳米管水分散剂，所述碳纳米管水分散剂与所述碳纳米管的质量比为1:1。
[0016]优选的，所述的混凝土结构内置式碳纳米管复合传感器进一步包括电极，所述电极以铜网格的形式设置于所述混凝土结构内置式碳纳米管复合传感器的两端。
[0017]一种混凝土结构内置式碳纳米管复合传感器的制备方法，包括以下步骤：S1.将2.5g分散剂充分溶解于450ml去离子水中，缓慢均匀搅拌，使分散剂完全溶于水中，称量2.5g氨基化多壁碳纳米管加入分散剂水溶液中，利用超声破碎装置使碳纳米管在水溶液中分散均匀，超声每开启3s后暂停3s，总分散时间为10mins，期间滴入0.3ml消泡剂对碳纳米管液进行消泡处理；S2.将分散好的碳纳米管液倒入搅拌锅中，倒入1000g的硅酸盐水泥，开启搅拌锅搅拌2mins，再倒入2000g标准砂，搅拌4mins，关停搅拌设备，静置2mins本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混凝土结构内置式碳纳米管复合传感器，其特征在于，包括：碳纳米管；和水泥基复合材料，其中，按重量份配比，所述碳纳米管0.2～1份，所述水泥基复合材料中分散剂0.2～1份、减水剂0.3～1份、水泥99～100份、砂200～300份和去离子水35～60份。2.根据权利要求1所述的混凝土结构内置式碳纳米管复合传感器，其特征在于，所述混凝土结构内置式碳纳米管复合传感器的宽高比为1，长宽比大于2。3.根据权利要求1所述的混凝土结构内置式碳纳米管复合传感器，其特征在于，所述碳纳米管为氨基化多壁碳纳米管。4.根据权利要求3所述的混凝土结构内置式碳纳米管复合传感器，其特征在于，所述氨基化多壁碳纳米管的管径为3～15nm，管长为15～30um，比表面积为250～270m
²
/g。5.根据权利要求1所述的混凝土结构内置式碳纳米管复合传感器，其特征在于，所述分散剂为碳纳米管水分散剂，所述碳纳米管水分散剂与所述碳纳米管的质量比为1:1。6.根据权利要求1所述的混凝土结构内置式碳纳米管复合传感器，其特征在于，进一步包括：电极，所述电极以铜网...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭健，傅宇方，胡山，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：