[发明专利]导电骨料、智能水泥复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种导电骨料、智能水泥复合材料及其制备方法与应用。所述导电骨料是由石墨烯、聚苯乙烯磺酸、水、PVDF乳液以及河砂制得的表面沉积致密导电聚合物薄膜的骨料。本发明将水泥、粉煤灰、所述导电骨料和碳纤维进行干混，再加入水混合，即可得到含有导电骨料的智能水泥复合材料。本发明提供的智能水泥复合材料在智能砂浆内部构建“三维导电网络通道”，可将砂浆电阻率下降4个数量级，电阻变化率提高167倍，且基本对砂浆的流动度和力学性能无不利影响。此外，该智能水泥复合材料制成的水泥基压阻传感器可以用于结构健康监测领域。

技术领域

本发明涉及一种导电骨料、智能水泥复合材料及其制备方法与应用，以及在制备水泥基压阻传感器中的应用，属于导电水泥基复合材料技术领域。

背景技术

随着土木工程逐渐向智能化方向发展，近年来智能水泥基复合材料得到了巨大关注，可应用于结构健康监测、路面除冰/融雪和电磁干扰屏蔽等领域。这些潜在应用领域的前提是赋予水泥基材料导电性，可以通过向水泥基体中直接引入导电相(如炭黑、碳纳米管、石墨烯和碳纤维等)得以实现。研究表明，直接向水泥基体中掺加上述导电相，可以将原始水泥基材料的电阻率(105-107Ω·cm)降低约3个数量级，下降幅度主要取决于导电相的浓度和分散质量。然而，通常情况下，向水泥基体中直接引入导电相会导致导电相团聚，严重影响拌合物工作性能，进而影响水泥基材料力学和耐久性能，此外，团聚的导电相无法在水泥基材料内部形成完好的导电通路；故为了进一步降低试件电阻率，只能加大导电相用量或使用更繁琐的分散工艺，这无疑增加了智能水泥基复合材料的造价并限制了其实际应用。

更重要的是，制备智能水泥复合材料的传统策略是直接将导电相添加到水泥中并使其导电，再与骨料混合。考虑到水泥在砂浆/混凝土中体积占比较低(分别为30-40％和10-25％)，故该工艺所制备的智能砂浆/混凝土的导电性将受到很大程度限制。此外，该方法使水泥基材料中最薄弱的界面过渡区限于导电网络的外围，从而限制了水泥基传感器的灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于提供导电骨料、智能水泥复合材料及其制备方法与应用，以克服现有技术中的不足。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的主要目的在于提供了一种导电骨料的制备方法，包括：

使石墨烯、聚苯乙烯磺酸、水的混合体系与PVDF乳液混合，形成导电聚合物分散液；

使河砂浸置于所述导电聚合物分散液中，经搅拌、干燥处理，得到表面沉积致密导电聚合物薄膜的骨料，即导电骨料。

本发明还提供了由所述制备方法制得的制得的导电骨料。

本发明的另一目的在于提供了一种智能水泥复合材料的制备方法，其包括：

将水泥、粉煤灰、所述导电骨料和碳纤维进行干混，再加入水混合，得到含有导电骨料的智能水泥复合材料。

本发明还提供了由所述制备方法制得的含有导电骨料的智能水泥复合材料。

此外，本发明还提供了一种水泥基压阻传感器，由所述智能水泥复合材料制成。

本发明还提供了所述水泥基压阻传感器在楼房、桥梁和隧道等结构健康监测领域中的应用。

与现有技术相比较，本发明的有益效果至少在于：

1)本发明提供了一种新型的导电骨料，导电骨料的引入在水泥砂浆内部形成“导电骨架”结构，并被随机分布的导电碳纤维链接，形成“三维导电网络结构”，大幅增加了导电水泥砂浆的电导率。

2)本发明提供的含有导电骨料的智能水泥复合材料中最为薄弱的界面过渡区(骨料-水泥浆体界面)内嵌在导电网络内部，增加了水泥基传感器的灵敏度。

附图说明