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青島理工金祖全/東大張?jiān)粕禔FM》：水性環(huán)氧樹脂改性的水泥基復(fù)合涂層傳感器，實(shí)現(xiàn)房屋腐蝕損壞的監(jiān)測(cè)！

2022-10-24 14:28:40 作者：高分子科學(xué)前沿來源：高分子科學(xué)前沿分享至：

混凝土已經(jīng)成為世界上主要的建筑材料，幾乎所有建筑，都是由混凝土構(gòu)成。但是混凝土的使用環(huán)境多種多樣，使得這類建筑材料需要耐受多種多樣的環(huán)境腐蝕，如跨海大橋上所使用的混凝，需要耐受海洋和鹽漬土的苛刻鹽堿腐蝕的耦合效應(yīng)。還有一些其他的損壞因素，例如凍融損傷，疲勞載荷和銹蝕等，這些環(huán)境因素都會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)傾向于變形和開裂。而混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損壞是從外部難以察覺的，為混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全埋下了嚴(yán)重的隱患。因此如何檢測(cè)混凝土的深度侵蝕和破壞情況成為建筑材料發(fā)展的重要方向。

現(xiàn)階段，已經(jīng)存在許多不同機(jī)理的傳感器被研發(fā)和報(bào)道，如各種基于壓電的應(yīng)力和應(yīng)變傳感系統(tǒng)，壓阻式傳感器，磁阻傳感器、光學(xué)和聲學(xué)傳感器等。這些傳感器經(jīng)過設(shè)計(jì)和研究，可是達(dá)到一定范圍的混凝土損壞程度檢測(cè)。其中壓阻式傳感器具備相對(duì)穩(wěn)定的性能，并且其工作不受靜電荷和磁場(chǎng)外部干擾信號(hào)的影響，而被應(yīng)用于長(zhǎng)期的混凝土建筑順壞檢測(cè)。但是現(xiàn)階段所使用的壓阻式傳感器有者極限應(yīng)變不足，監(jiān)測(cè)范圍狹窄和不穩(wěn)定的性能（信噪比低的信號(hào)和不可控的波動(dòng)）等缺陷。此外，監(jiān)測(cè)性能還受到導(dǎo)電填料團(tuán)聚效應(yīng)、漿料流變性能、離子極化效應(yīng)、監(jiān)測(cè)方法等因素的限制和影響。更重要的是，現(xiàn)階段傳感器的使用是需要將預(yù)制傳感器澆筑或嵌入到新建的混凝土結(jié)構(gòu)中來實(shí)現(xiàn)的。因此就現(xiàn)有一些比較久遠(yuǎn)建或大型筑建難以有方案提供相應(yīng)傳感器對(duì)其混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，特別是長(zhǎng)距離基礎(chǔ)設(shè)施，例如在鹽堿侵蝕，干濕老化，凍融損傷等惡劣環(huán)境中服務(wù)的大型橋梁和隧道結(jié)構(gòu)，仍然缺乏令人滿意的無損檢測(cè)方案和智能診斷修復(fù)技術(shù)。

近期，青島理工大學(xué)金祖全和東南大學(xué)張?jiān)粕献麽槍?duì)混凝土檢測(cè)技術(shù)的痛點(diǎn)難點(diǎn)，開發(fā)出了一種水性環(huán)氧樹脂改性的水泥基復(fù)合涂層傳感器。他們采用水泥的基本結(jié)構(gòu)（C-S-H凝膠結(jié)構(gòu)）作為傳感器骨架，通過在2，2-雙（苯基-4-縮水甘油氧基）丙烷分子中硅氧烷和聚醚鏈段的嵌段接枝，形成具有油水兩親性的星形分子。這使得水性環(huán)氧聚合物基質(zhì)和混凝土在亞微觀尺度上在三維空間中呈現(xiàn)相互滲透，從而形成堅(jiān)固且抗裂的材料組織。為保證功能性納米碳材料均勻分散，通過加入[3-（2-氨基乙基氨基）-丙基]三甲氧基硅烷（AEAPTMS）硅倍半氧烷（POSS），使得納米碳材料表面以氫鍵和離子鍵形成有機(jī)-無機(jī)偶聯(lián)層，防止納米碳材料團(tuán)聚。所得到的材料柔韌性、抗凍性和附著性能均有較大提高，可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變和開裂過程。更重要的是這種材料不需要預(yù)先將傳感器埋入混凝土中，只需要通過涂覆的方式既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)緩凝土損壞程度的檢測(cè)。該工作以題為“Ultraductile Cementitious Structural Health Monitoring Coating: Waterborne Polymer Biomimetic Muscle and Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane-Assisted C-S-H Dispersion”的文章發(fā)表于Advanced Functional Materials上。

材料關(guān)鍵性能表征

（1）傳感器具有非常寬的監(jiān)測(cè)帶寬ΔR/R0達(dá)到70%，最大壓縮力為10000 ，N最小監(jiān)測(cè)閾值達(dá)到200 N，能夠捕捉到建筑物的微弱破壞力。在高壓縮循環(huán)力下，傳感器與力值表現(xiàn)出穩(wěn)定的相關(guān)性和魯棒性。

（2）分別在100–1500 με 和 0–500 με 的范圍內(nèi)準(zhǔn)確捕獲壓縮和拉伸應(yīng)變，相關(guān)性為R2達(dá)到95%。

（3）防火性能是建筑材料的關(guān)鍵性能之一，這一種混凝土基的傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的耐火性，其中P / C達(dá)到1：1，HRR迅速下降到171 kW m?2.

（4）考慮到多數(shù)混凝土是以堿性，酸性和中性水性腐蝕性介質(zhì)為主的使用環(huán)境，需要對(duì)傳感器的耐腐蝕性進(jìn)行表征。結(jié)果表明，環(huán)氧樹脂含量與傳感器的粘結(jié)強(qiáng)度呈正相關(guān)。當(dāng)P/C達(dá)到0.2時(shí)，混凝土的粘結(jié)破壞占主導(dǎo)地位（粘結(jié)強(qiáng)度超過2 MPa，比對(duì)照組高70%），涂層的耐酸腐蝕性提高了600%。

小結(jié)：通過一系列基于有機(jī)-無機(jī)雜化技術(shù)，使得水泥基涂料傳感器的抗裂、增韌、監(jiān)測(cè)耐久性得到改進(jìn)，為現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施健康檢測(cè)及其防腐保護(hù)提供了長(zhǎng)期方案。水性環(huán)氧樹脂在脆性水泥石中形成強(qiáng)且堅(jiān)韌的IPN結(jié)構(gòu)，使水泥基涂層的最大撓曲角增加十倍（30°）。更重要的是，利用由C-S-H凝膠骨架和AEAPTMS組成的小分子POSS將微米級(jí)碳顆粒分散成均勻穩(wěn)定的納米級(jí)分散體，不僅實(shí)現(xiàn)了水泥水化-環(huán)氧聚合物聚合的協(xié)同效應(yīng)，而且將混凝土結(jié)構(gòu)壓縮、拉伸和疲勞微變化的監(jiān)測(cè)精度提高到>95%。

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