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文献速读 Carbon：利用碳纳米管聚合物纳米复合材料涂覆骨料制备用于结构健康监测的高导电混凝土  题目 Carbon nanotube polymer nanocomposites coated aggregate enabled highly conductive concrete for structural health monitoring 利用碳纳米管聚合物纳米复合材料涂覆骨料制备用于结构健康监测的高导电混凝土 关键词 智能混凝土；碳纳米管；界面过渡区；自我感应；结构健康监测 来源 出版年份：2023年 来源：Carbon 课题组：哈尔滨工业大学土木工程学院钟晶课题组 研究背景 混凝土是最常用的建筑材料之一，因其优异的力学性能、出色的耐久性以及低廉的成本，广泛应用于各种民用和工业建筑中。但是，混凝土内在脆性使其容易出现裂缝，进而降低其使用寿命，甚至可能导致不可预见的灾难。因此，对混凝土进行监测，及时发现问题，并做必要措施防止潜在安全隐患是至关重要的。目前有多种方法可实现混凝土结构健康监测。其中，最直接的一种方法是将传感器嵌入到混凝土结构中，通过连续非破坏性监测，记录和分析混凝土状态。然而，这种方法存在一些缺点，例如嵌入式传感器通常表现出低真实性、低耐久性和与混凝土结构兼容性差，限制了其大规模应用。智能混凝土是一种新型的电导性水泥基复合材料，通过记录载荷形式下电阻变化来进行结构健康监测，从而在不影响其他性能情况下实现自我监测和诊断，且可在结构受到损伤或变形时及时发出警报。因此，智能混凝土是一种具有广泛应用前景的新型建筑材料，可用于桥梁、隧道、建筑物等各种工程领域中。常用智能混凝土通常将导电填料（如石墨、碳纳米管（CNT）和碳纤维（CF）等）直接与水泥混合。 研究出发点 由于混凝土中水泥体积百分比相对较低，需添加大量导电填料来保持混凝土较高导电性。然而，过量导电填料会导致混凝土流动性和力学性能的显著下降。因此，需寻找更优化的智能混凝土制备方法，以实现良好的结构健康监测，同时保持混凝土原有优异性能。 研究内容 为解决上述问题，本文优化了智能混凝土制备方法——利用CNT/聚合物浆液涂覆粗骨料和细骨料的方法。在该制备方法中，带有CNT/聚合物涂层的骨料在水泥中分散均匀形之后可形成一个有效的三维导电网络，并使骨料和水泥浆体间界面过渡区（ITZ）直接嵌入到该网络中，从而可使智能混凝土监测微裂缝（从ITZ处开始）形成和扩展的敏感性得到极大提高。另外，在智能混凝土强度方面，本文添加了少量CF，提高了混凝土抗拉强度。这一设计使得所制备的智能混凝土能够在具有出色导电性和感应性的同时，保持优良力学性能。 表1 不同样品配合比   图1（a）典型混凝土成分的体积比示意；（b）电阻率、抗压强度变化和智能混凝土的填充物浓度间关系（CF：碳纤维；CP：碳粉；SF：钢纤维；SS：钢刨花）  图2 CF表征：（a）典型SEM图；（b）高倍SEM图；（c）直径分布  图3 样品制备流程和纳米压痕测试：（a）测试设备和典型抛光样品；（b）典型压痕区域以及压痕平面；（c）典型三面金字塔形金刚石压头；（d）不同阶段典型负载深度  图4 导电骨料表面表征：（a）在骨料表面涂覆CNT/聚合物层的示意；（b）原始骨料和导电骨料照片和SEM图；（c）原始骨料、导电骨料和商用CNT的拉曼光谱；（d）24 h吸水率；（e）经长期NaOH溶液浸泡并与水重新混合后骨料照片  图5 混凝土样品养护28 d后的力学性能、渗透性和纳米模量：（a）抗压强度；（b）劈裂抗拉强度；（c）氯离子渗透；（d）吸水率：代表性样品模映射；（e）空白组；（f）含导电骨料智能混凝土  图6 智能混凝土电阻率与（a）养护时间和（b）干燥时间的关系；（c）智能混凝土中三维导电网络通道示意  图7 不同混凝土样品在受重复压缩应力影响下电阻变化率的变化  图8 不同样品在不同负荷量下压阻行为；（e）在100个周期重复压缩载荷下，电阻变化率和压应力随时间变化  图9 雷达图：从抗压强度、耐久性、电性能和成本等维度对本文所制备智能混凝土进行评估 主要结论 本文提出了一种新颖的制备智能导电混凝土的方法，即通过将碳纳米管（CNT）/聚合物浆液涂覆在骨料表面制备导电骨料，随后将导电骨料加入混凝土中，改善混凝土电导率和压阻性能。经过28 d养护，含导电骨料的智能混凝土的电阻率为1076 Ω cm、抗压强度损失为17.8%。此外，通过添加少量（0.25 wt%）碳纤维（CF）连接导电骨料，进一步优化了导电性能和压阻性能，28 d电阻率降低到235 Ω cm，压阻率高达约80%，比同类系统高出1个数量级。此外，本文优化的智能混凝土还展示出良好的力学强度和耐久性，而生产成本只比普通混凝土每立方米增加约61.4美元。因此，本文所提出的制备策略不仅能显著提高智能混凝土对应力的敏感性，也大大降低了其制备成本，为其大规模工程化应用开辟了新途径。 |
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