青岛理工金祖全/东大张云升《AFM》：水性环氧树脂改性的水泥基复合涂层传感器，实现房屋腐蚀损坏的监测！

2022-10-24 14:28:40 作者：高分子科学前沿来源：高分子科学前沿分享至：

混凝土已经成为世界上主要的建筑材料，几乎所有建筑，都是由混凝土构成。但是混凝土的使用环境多种多样，使得这类建筑材料需要耐受多种多样的环境腐蚀，如跨海大桥上所使用的混凝，需要耐受海洋和盐渍土的苛刻盐碱腐蚀的耦合效应。还有一些其他的损坏因素，例如冻融损伤，疲劳载荷和锈蚀等，这些环境因素都会导致混凝土结构倾向于变形和开裂。而混凝土结构内部的损坏是从外部难以察觉的，为混凝土结构的使用寿命和安全埋下了严重的隐患。因此如何检测混凝土的深度侵蚀和破坏情况成为建筑材料发展的重要方向。

现阶段，已经存在许多不同机理的传感器被研发和报道，如各种基于压电的应力和应变传感系统，压阻式传感器，磁阻传感器、光学和声学传感器等。这些传感器经过设计和研究，可是达到一定范围的混凝土损坏程度检测。其中压阻式传感器具备相对稳定的性能，并且其工作不受静电荷和磁场外部干扰信号的影响，而被应用于长期的混凝土建筑顺坏检测。但是现阶段所使用的压阻式传感器有者极限应变不足，监测范围狭窄和不稳定的性能（信噪比低的信号和不可控的波动）等缺陷。此外，监测性能还受到导电填料团聚效应、浆料流变性能、离子极化效应、监测方法等因素的限制和影响。更重要的是，现阶段传感器的使用是需要将预制传感器浇筑或嵌入到新建的混凝土结构中来实现的。因此就现有一些比较久远建或大型筑建难以有方案提供相应传感器对其混凝土内部结构进行实时监控，特别是长距离基础设施，例如在盐碱侵蚀，干湿老化，冻融损伤等恶劣环境中服务的大型桥梁和隧道结构，仍然缺乏令人满意的无损检测方案和智能诊断修复技术。

近期，青岛理工大学金祖全和东南大学张云升合作针对混凝土检测技术的痛点难点，开发出了一种水性环氧树脂改性的水泥基复合涂层传感器。他们采用水泥的基本结构（C-S-H凝胶结构）作为传感器骨架，通过在2，2-双（苯基-4-缩水甘油氧基）丙烷分子中硅氧烷和聚醚链段的嵌段接枝，形成具有油水两亲性的星形分子。这使得水性环氧聚合物基质和混凝土在亚微观尺度上在三维空间中呈现相互渗透，从而形成坚固且抗裂的材料组织。为保证功能性纳米碳材料均匀分散，通过加入[3-（2-氨基乙基氨基）-丙基]三甲氧基硅烷（AEAPTMS）硅倍半氧烷（POSS），使得纳米碳材料表面以氢键和离子键形成有机-无机偶联层，防止纳米碳材料团聚。所得到的材料柔韧性、抗冻性和附着性能均有较大提高，可以实现持续监测结构的应力-应变和开裂过程。更重要的是这种材料不需要预先将传感器埋入混凝土中，只需要通过涂覆的方式既可以实现对缓凝土损坏程度的检测。该工作以题为“Ultraductile Cementitious Structural Health Monitoring Coating: Waterborne Polymer Biomimetic Muscle and Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane-Assisted C-S-H Dispersion”的文章发表于Advanced Functional Materials上。

材料关键性能表征

（1）传感器具有非常宽的监测带宽ΔR/R0达到70%，最大压缩力为10000 ，N最小监测阈值达到200 N，能够捕捉到建筑物的微弱破坏力。在高压缩循环力下，传感器与力值表现出稳定的相关性和鲁棒性。

（2）分别在100–1500 με 和 0–500 με 的范围内准确捕获压缩和拉伸应变，相关性为R2达到95%。

（3）防火性能是建筑材料的关键性能之一，这一种混凝土基的传感器表现出优异的耐火性，其中P / C达到1：1，HRR迅速下降到171 kW m?2.

（4）考虑到多数混凝土是以碱性，酸性和中性水性腐蚀性介质为主的使用环境，需要对传感器的耐腐蚀性进行表征。结果表明，环氧树脂含量与传感器的粘结强度呈正相关。当P/C达到0.2时，混凝土的粘结破坏占主导地位（粘结强度超过2 MPa，比对照组高70%），涂层的耐酸腐蚀性提高了600%。

小结：通过一系列基于有机-无机杂化技术，使得水泥基涂料传感器的抗裂、增韧、监测耐久性得到改进，为现有基础设施健康检测及其防腐保护提供了长期方案。水性环氧树脂在脆性水泥石中形成强且坚韧的IPN结构，使水泥基涂层的最大挠曲角增加十倍（30°）。更重要的是，利用由C-S-H凝胶骨架和AEAPTMS组成的小分子POSS将微米级碳颗粒分散成均匀稳定的纳米级分散体，不仅实现了水泥水化-环氧聚合物聚合的协同效应，而且将混凝土结构压缩、拉伸和疲劳微变化的监测精度提高到>95%。

免责声明：本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有，如果涉及侵权，请第一时间联系本网删除。