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青島理工金祖全/東大張云升《AFM》：水性環氧樹脂改性的水泥基復合涂層傳感器，實現房屋腐蝕損壞的監測！

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

混凝土已經成為世界上主要的建筑材料，幾乎所有建筑，都是由混凝土構成。但是混凝土的使用環境多種多樣，使得這類建筑材料需要耐受多種多樣的環境腐蝕，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。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，這些環境因素都會導致混凝土結構傾向于變形和開裂。而混凝土結構內部的損壞是從外部難以察覺的，為混凝土結構的使用壽命和安全埋下了嚴重的隱患。因此如何檢測混凝土的深度侵蝕和破壞情況成為建筑材料發展的重要方向。

現階段，已經存在許多不同機理的傳感器被研發和報道，如各種基于壓電的應力和應變傳感系統，壓阻式傳感器，磁阻傳感器、光學和聲學傳感器等。這些傳感器經過設計和研究，可是達到一定范圍的混凝土損壞程度檢測。其中壓阻式傳感器具備相對穩定的性能，并且其工作不受靜電荷和磁場外部干擾信號的影響，而被應用于長期的混凝土建筑順壞檢測。但是現階段所使用的壓阻式傳感器有者極限應變不足，監測范圍狹窄和不穩定的性能（信噪比低的信號和不可控的波動）等缺陷。此外，監測性能還受到導電填料團聚效應、漿料流變性能、離子極化效應、監測方法等因素的限制和影響。更重要的是，現階段傳感器的使用是需要將預制傳感器澆筑或嵌入到新建的混凝土結構中來實現的。因此就現有一些比較久遠建或大型筑建難以有方案提供相應傳感器對其混凝土內部結構進行實時監控，特別是長距離基礎設施，例如在鹽堿侵蝕，干濕老化，凍融損傷等惡劣環境中服務的大型橋梁和隧道結構，仍然缺乏令人滿意的無損檢測方案和智能診斷修復技術。

近期，青島理工大學金祖全和東南大學張云升合作針對混凝土檢測技術的痛點難點，開發出了一種水性環氧樹脂改性的水泥基復合涂層傳感器。他們采用水泥的基本結構（C-S-H凝膠結構）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。這使得水性環氧聚合物基質和混凝土在亞微觀尺度上在三維空間中呈現相互滲透，從而形成堅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-無機偶聯層，防止納米碳材料團聚。所得到的材料柔韌性、抗凍性和附著性能均有較大提高，可以實現持續監測結構的應力-應變和開裂過程。更重要的是這種材料不需要預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現對緩凝土損壞程度的檢測。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”的文章發表于Advanced Functional Materials上。

材料關鍵性能表征

（1）傳感器具有非常寬的監測帶寬ΔR/R0達到70%，最大壓縮力為10000 ，N最小監測閾值達到200 N，能夠捕捉到建筑物的微弱破壞力。在高壓縮循環力下，傳感器與力值表現出穩定的相關性和魯棒性。

（2）分別在100–1500 με 和 0–500 με 的范圍內準確捕獲壓縮和拉伸應變，相關性為R2達到95%。

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

（4）考慮到多數混凝土是以堿性，酸性和中性水性腐蝕性介質為主的使用環境，需要對傳感器的耐腐蝕性進行表征。結果表明，環氧樹脂含量與傳感器的粘結強度呈正相關。當P/C達到0.2時，混凝土的粘結破壞占主導地位（粘結強度超過2 MPa，比對照組高70%），涂層的耐酸腐蝕性提高了600%。

小結：通過一系列基于有機-無機雜化技術，使得水泥基涂料傳感器的抗裂、增韌、監測耐久性得到改進，為現有基礎設施健康檢測及其防腐保護提供了長期方案。水性環氧樹脂在脆性水泥石中形成強且堅韌的IPN結構，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將微米級碳顆粒分散成均勻穩定的納米級分散體，不僅實現了水泥水化-環氧聚合物聚合的協同效應，而且將混凝土結構壓縮、拉伸和疲勞微變化的監測精度提高到>95%。

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