一种自感知工程水泥基复合材料及其制备方法和应用

本发明属于水泥基材料，具体涉及一种自感知工程水泥基复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、结构健康监测(structural health monitoring，shm)作为故障预测与健康管理(prognostics and health management，phm)技术在结构领域的具体应用，最初主要对结构载荷进行监测，目前正向结构损伤监测、损伤定位、结构寿命预测等方面发展，逐渐发展至具有对于结构损伤具有自修复、自保护的功能。

2、传统shm技术主要是通过在结构中或其表面安装各种外部传感器，实时监测结构的应力、应变、位移、振动等物理参数，以评估结构的健康状况。这些传感器通常包括加速度计、应变计、位移计、振动传感器等，安装在结构的关键部位如梁、柱、墙体等。传统shm技术依赖外部传感器，存在安装成本高、监测范围有限、易受环境影响等问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自感知工程水泥基复合材料及其制备方法和应用，该工程水泥基复合材料具有自感知功能，其电导性可以响应结构的力学行为变化，不需要外部传感器，就能实现对建筑材料和结构的应力和应变的实时监测。

2、为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、本发明提供了一种自感知工程水泥基复合材料，包括工程水泥基复合材料和导电碳材料；所述工程水泥基复合材料的制备原料包括胶凝材料、骨料、有机纤维、减水剂、分散剂和水；所述胶凝材料包括水泥、矿粉、硅灰和石灰石粉；

4、所述导电碳材料包括炭黑、碳纳米管和石墨烯中的一种或几种；

5、所述导电碳材料的质量为所述水泥质量的0.5～2.5％。

6、优选的，所述炭黑的直径为27～40nm，表观密度为0.06～0.11cm3/g，比电阻≤1.5ω·m，ph值为6～8，视比容为15～18ml/g。

7、优选的，所述有机纤维包括聚酯纤维和/或聚乙烯纤维；所述自感知工程水泥基复合材料中有机纤维的体积分数为1～2％；所述有机纤维的长度为15～20mm，直径为20～25μm。

8、优选的，所述分散剂包括聚维酮、羧甲基纤维和聚丙烯酸钠中的一种或几种；所述自感知工程水泥基复合材料中分散剂的添加量为0.5～1kg/m3。

9、优选的，所述减水剂包括聚羧酸减水剂、萘胺系减水剂和木质素磺酸盐类减水剂中的一种或几种；所述自感知工程水泥基复合材料中减水剂的添加量为20～45kg/m3。

10、优选的，所述水与胶凝材料的质量比为0.16～0.24:1。

11、优选的，所述水泥、矿粉、硅灰和石灰石粉的质量比为1:1～1.1:0.2～0.3:0.1～0.15；所述水泥和骨料的质量比为1:0.7～0.8。

12、本发明还提供了上述技术方案所述自感知工程水泥基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

13、将胶凝材料、骨料、导电碳材料、有机纤维、减水剂、分散剂和水混合，得到所述自感知工程水泥基复合材料。

14、本发明还提供了上述技术方案所述自感知工程水泥基复合材料或上述技术方案所述制备方法制备的自感知工程水泥基复合材料在结构健康监测中的应用。

15、本发明还提供了一种结构健康监测的方法，包括以下步骤：将建筑结构中自感知区的两端电极分别用导线连接电阻仪，得到电阻率，根据所述电阻率以及电阻率与应力和/或应变的线性关系获得应力和/或应变；

16、所述自感知区的制备原料为上述技术方案所述自感知工程水泥基复合材料或上述技术方案所述制备方法制备的自感知工程水泥基复合材料。

17、本发明提供了一种自感知工程水泥基复合材料包括工程水泥基复合材料和导电碳材料；所述工程水泥基复合材料的制备原料包括胶凝材料、骨料、有机纤维、减水剂、分散剂和水；所述胶凝材料包括水泥、矿粉、硅灰和石灰石粉；所述导电碳材料包括炭黑、碳纳米管和石墨烯中的一种或几种；所述导电碳材料的质量为所述水泥质量的0.5～2.5％。导电碳材料能够在自感知工程水泥基复合材料中形成导电网络，从而提高其导电性并赋予其自感知功能，建立应力或者应变与电阻率变化率之间的关系，这个过程可以概括为：(1)加载过程中：在应力作用下，导电碳材料之间的相对位置发生变化，造成导电网络的改变。通常，较大的应力会导致导电碳材料颗粒之间的接触增加，电阻减小；而较小的应力或变形会导致导电碳材料颗粒之间的接触减少，电阻增大。(2)应变与电阻的关系：应变(尤其是拉伸应变)能够导致自感知工程水泥基复合材料的微结构变化，尤其是导电碳材料网络的断裂或重新连接，这会引起电阻的变化。通过精确测量电阻变化，可以反映应变的大小，从而实现对建筑材料和结构的应力和应变的实时监测。本发明提供的自感知工程水泥基复合材料具有自感知功能，不需要依赖外部传感器，成本低、监测范围广、不易受环境影响。

技术特征：

1.一种自感知工程水泥基复合材料，包括工程水泥基复合材料和导电碳材料；所述工程水泥基复合材料的制备原料包括胶凝材料、骨料、有机纤维、减水剂、分散剂和水；所述胶凝材料包括水泥、矿粉、硅灰和石灰石粉；

2.根据权利要求1所述的自感知工程水泥基复合材料，其特征在于，所述炭黑的直径为27～40nm，表观密度为0.06～0.11cm3/g，比电阻≤1.5ω·m，ph值为6～8，视比容为15～18ml/g。

3.根据权利要求1所述的自感知工程水泥基复合材料，其特征在于，所述有机纤维包括聚酯纤维和/或聚乙烯纤维；所述自感知工程水泥基复合材料中有机纤维的体积分数为1～2％；所述有机纤维的长度为15～20mm，直径为20～25μm。

4.根据权利要求1所述的自感知工程水泥基复合材料，其特征在于，所述分散剂包括聚维酮、羧甲基纤维和聚丙烯酸钠中的一种或几种；所述自感知工程水泥基复合材料中分散剂的添加量为0.5～1kg/m3。

5.根据权利要求1所述的自感知工程水泥基复合材料，其特征在于，所述减水剂包括聚羧酸减水剂、萘胺系减水剂和木质素磺酸盐类减水剂中的一种或几种；所述自感知工程水泥基复合材料中减水剂的添加量为20～45kg/m3。

6.根据权利要求1所述的自感知工程水泥基复合材料，其特征在于，所述水与胶凝材料的质量比为0.16～0.24:1。

7.根据权利要求1所述的自感知工程水泥基复合材料，其特征在于，所述水泥、矿粉、硅灰和石灰石粉的质量比为1:1～1.1:0.2～0.3:0.1～0.15；所述水泥和骨料的质量比为1:0.7～0.8。

8.权利要求1～7任一项所述自感知工程水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.权利要求1～7任一项所述自感知工程水泥基复合材料或权利要求8所述制备方法制备的自感知工程水泥基复合材料在结构健康监测中的应用。

10.一种结构健康监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：将建筑结构中自感知区的两端电极分别用导线连接电阻仪，得到电阻率，根据所述电阻率以及电阻率与应力和/或应变的线性关系获得应力和/或应变；

技术总结
本发明属于水泥基材料技术领域，具体涉及一种自感知工程水泥基复合材料及其制备方法和应用。本发明提供的自感知工程水泥基复合材料包括工程水泥基复合材料和导电碳材料；所述工程水泥基复合材料的制备原料包括胶凝材料、骨料、有机纤维、减水剂、分散剂和水；所述胶凝材料包括水泥、矿粉、硅灰和石灰石粉；所述导电碳材料包括炭黑、碳纳米管和石墨烯中的一种或几种。导电碳材料能够在自感知工程水泥基复合材料中形成导电网络，从而提高其导电性并赋予其自感知功能，建立应力或者应变与电阻率变化率之间的关系，不需要外部传感器，就能实现对建筑材料和结构的应力和应变的实时监测。

技术研发人员：郭孟环,沈昊,周英武,朱忠锋,胡锐,黄晓旭,胡彪
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：
技术公布日：2025/4/10