應變自感知和可融雪化冰多尺度碳水泥復合路面材料的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種水泥基智能復合材料，尤其涉及一種用于路面應力應變自感知和可融雪化冰于一體的水泥基路面復合材料。
【背景技術】
[0002]重大橋梁結構工程的使用期長達幾十年、甚至上百年，載荷的疲勞效應、環境腐蝕和材料老化等災變因素的耦合作用將不可避免地導致結構的損傷積累和抗力衰減，從而抵抗自然災害的能力下降、甚至引發災難性的突發事故。近年來，智能材料的出現與發展，為研制大規模、分布式、高性能、長壽命、具有長期穩定性的智能傳感元和監測系統開辟了嶄新的途徑，為重大工程結構智能監測與健康診斷提供了最有效的手段。在各種智能材料中，通過在水泥基復合材料中添加一定的填料所形成的智能混凝土集力學本征特性與感知功能于一身，其造價低、耐久性好、與混凝土工程與結構具有天然的相容性和相同的壽命，目前已經成為土木工程領域的重要研究方向。目前用于制備智能水泥基復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，水泥基智能復合材料應力應變感知性能往往受環境因素影響較大，如溫度，濕度等，而且功能單一。冬季，我國北方天氣嚴寒，降雪量大，在路面上易凍結成冰，嚴重影響交通運行，并且帶來安全隱患。據統計，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、機械清除、化學融化、熱融化等。人工清除耗時費力且效率低；機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，因而應用較普遍，但是氯鹽會引起鋼筋銹蝕，產生裂紋而破壞結構，造成嚴重危害和重大經濟損失，并會帶來水質污染和后期環境問題。通過向水泥基復合材料中添加一定的導電填料，使復合材料具有一定的電熱性能，可用于路面的融雪滑冰。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種應變自感知和可融雪化冰多尺度碳水泥復合路面材料，將能夠形成隧道效應的多尺度碳材料添加到水泥復合材料中，即添加碳纖維、碳納米管和納米炭黑，不僅大幅提高了復合材料的電熱性能，而且使復合材料內部形成具有優異、穩定的空間導電網絡，其應力應變感知功能不易受環境因素影響。
[0004]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
一種應變自感知和可融雪化冰多尺度碳水泥復合路面材料，由普通硅酸鹽水泥、自來水、外加劑和導電填料組成，其中:水灰比為0.5，導電填料由碳纖維、碳納米管和納米碳黑構成的多尺度碳材料組成，碳纖維摻量相對于水泥質量的0.2%~0.4%，碳納米管摻量相對于水泥質量的1.5%~2.5%，納米碳黑質量摻量相對于水泥質量的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，一般依據所用的外加劑種類確定其用量。
[0005]本發明中，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]本發明具有如下優點:
1)將多尺度碳材料作為導電填料添加到水泥基復合材料中，極大地提高了復合材料的導電性，相對于單摻碳材料的水泥基復合材料其導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，可實現在o°c下的低溫環境下，電能有效利用率為56.8% ;而其最大應變感知能力較一般的應變片提高20多倍，多尺度導電填料在水泥基體所形成穩定的空間導電網絡結構使復合材料的感知能力受環境因素影響較小，所能感知最大荷載頻率為0.5 Hz ο
[0007]2)該復合材料集應變自感知與融雪滑冰功能于一體，具有較廣的應用性。
[0008]3)以水泥為基體，不僅保證復合材料與混凝土具有天然的兼容性以及復合材料耐久性，而且實現了結構與功能一體化。
【附圖說明】
[0009]圖1為應變自感知和可融雪化冰多尺度碳水泥復合路面材料工程應用的示意圖；圖中:1-融雪化冰用的電源，2-應力應變自感知與可融雪化冰的多尺度碳路面水泥復合材料，3-四電極應力應變采集系統，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變自感知和可融雪化冰多尺度碳路面水泥復合材料所用原材料: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% (相對于水泥質量，下同)，甲基纖維素的用量為水泥質量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量的15%~25%，納米碳黑質量摻量的范圍為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% (相對于水泥的質量)。
[0011]本實施方式按照如下步驟進行復合材料的制備:
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)進行人工攪拌；
2)將拌合物置于超聲波細胞粉碎儀分散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進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的路面，同時在澆