一种用于建筑健康监测的水泥基导电材料和涂层及应用

本发明涉及建筑健康监测，尤其涉及一种用于建筑健康监测的水泥基导电材料和涂层及应用。

背景技术：

1、在土木工程领域，一个结构物中存在很多关键构件，这些构件一旦发生破坏，不仅会造成经济损失，还会对人的生命安全造成威胁。在构件失效之前，往往伴随着一定病害以及相关性能的变化。裂缝的出现以及应变的变化在混凝土结构中较为常见，其不仅可以反应混凝土结构的健康状态还可以反应混凝土使用环境条件的变化。特别是在桥梁工程中，混凝土结构健康状态的监测以及病害的处理更为严格。因此，对于混凝土结构相关参数的监测以及裂缝等病害的防治是十分重要的。然而，在实际工程中对于桥梁结构的监测，需要施工人员进行目视排查。

2、目前，对于结构参数的监测以及病害的监测手段主要有桥检车人工巡检、粘贴应变片、通过向混凝土中加入导电材料使构件本身具备导电能力、制作嵌入式水泥基传感器、光纤传感器、聚合物导电涂层和聚合物水泥导电涂层等手段。

3、现有技术中也有用于既有建筑应变监测的水泥基导电材料，属于聚合物导电涂层和聚合物水泥导电涂层这类监测手段，这类聚合物导电涂层对裂缝没有记忆性，在外界应力消失、裂缝缩小的情况下，测得的导电涂层电阻随之减小，从而掩盖了建筑物已经出现的裂缝缺陷，错过修复时机，造成重大安全隐患。

技术实现思路

1、针对以上技术问题，本发明提供一种用于建筑健康监测的水泥基导电材料和涂层及应用，该水泥基导电材料对裂缝具有记忆性，不会因外界应力消失、裂缝缩小而出现电阻减小的问题，在建筑得到修复前，一直保持较大电阻的状态。

2、为解决上述技术问题，本发明实施例采用了如下技术方案：

3、第一方面，本发明实施例提供一种用于建筑健康监测的水泥基导电材料，该水泥基导电材料主要由如下质量百分比的原料与水混合而成；水泥基渗透结晶40-95％；和，导电填料5％-60％。

4、在本发明中，发明人创造性的将水泥基渗透结晶和导电填料与水混合，制成水泥基导电材料。该水泥基导电材料制成涂层后，具有电阻率低(低至2ω·cm)，性质与混凝土接近(如热膨胀系数、极限拉应变)，压阻明显(涂层未开裂时电阻变化率可到60％)；抗老化性能强，相较于其他成分中有树脂类材料的涂层，本导电涂层，不会因为光照，氧化等因素而出现老化，经实验于自然环境下2年基本不会变化；灵敏度高，由于极限拉应变与混凝土相近，可以实现与混凝土同时开裂，开裂时电信号变化巨大，经实验对于0.05mm以上裂缝感知效果好；有记忆性，本涂层随着混凝土的开裂而开裂，裂缝缩小而涂层开裂状态不变，能够一直反应混凝土曾经出现的裂缝的位置；可实现远程监测。此涂层主要由水泥基渗透结晶和导电填料混合制成，涂敷养护之后根据使用情况进行点状电极的布置，使用导线将电极与电信号采集设备或系统连接，便可实现远程监测；可以实现对于现有建筑物的无损检验，本涂层不需要对于结构表面进行破坏后植入传感器；更新替换方便，对于受到破坏的涂层，只需部分铲除后重新替换即可。价格低廉，每500g涂层制作成本可低至50元以下；粘结性好，粘结效果更稳定，由于涂层粘结机理为促进混凝土表面结晶，相较于聚合物粘结以及直接使用普通水泥涂敷更稳定并且更牢固等优势。

5、优选的，水占所述原料的重量百分比为40％-240％。所述导电填料选自石墨、炭黑、铜粉、银粉、镍粉、碳纳米管或石墨烯中的一种或多种。所述水泥基渗透结晶选自浓缩型水泥基渗透结晶、掺杂型水泥基渗透结晶或喷涂型水泥基渗透结晶中的一种或多种。

6、优选的，以质量分数计，所述水泥基导电材料由50-75％的水泥基渗透结晶和25-50％的导电填料组成的原料与会混合而成。更进一步的，所述水泥基导电材料由70％的水泥基渗透结晶、30％的导电填料与水混合而成。

7、第二方面，本发明实施例提供一种用于建筑健康监测的水泥基导电涂层，由上述水泥基导电材料在待监测建筑表面涂覆而成。优选的，所述水泥基导电涂层的厚度为0.6-5mm。

8、第三方面，本发明实施例提供一种用于建筑健康监测的监测系统，包括上述用于建筑健康监测的水泥基导电涂层以及设置在所述水泥基导电涂层上的至少两个导电电极，其中，所述导电电极用于监测所述水泥基导电涂层的电阻；当所述水泥基导电涂层出现裂缝，所述电阻不可逆地变大。所述电极为金属电极或石墨电极，所述金属电极选自铜电极、银电极、铂电极或钯电极中的一种或多种。

9、更进一步的，监测系统还包括有电信号采集设备或电信号系统；和所述导电电极以导线连接的方式或电信号连接的方式连接。

10、在本发明中，使用导电粘合剂或者机械固定的方式将导电电极设置在涂层上，若使用机械连接则应在电极周围涂敷导电粘合剂。

11、本发明和现有技术相比，具有如下有益效果之一：

12、本发明提供的用于建筑健康监测的水泥基导电材料制备方便，价格低廉，可以在混凝土的使用周期中任一时间进行涂刷布置，减少了工作人员定期巡检的工作量，并且涂层的膨胀系数、极限拉应变等性质参数与混凝土结构相近、感知灵敏度好。在混凝土结构上的附着性好，对应变、裂缝和诸如混凝土保护层剥落等病害感知良好、响应速度快、对微小裂缝的开展后的回缩具备记忆性、能耗低、适用于桥梁巡检。

技术特征：

1.一种用于建筑健康监测的水泥基导电材料，其特征在于，该水泥基导电材料主要由如下质量百分比的原料与水混合而成；

2.根据权利要求1所述的用于建筑健康监测的水泥基导电材料，其特征在于，水占所述原料重量的百分比为40％-240％。

3.根据权利要求1所述的用于建筑健康监测的水泥基导电材料，其特征在于，所述导电填料选自石墨、炭黑、铜粉、银粉、镍粉、碳纳米管或石墨烯中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的用于建筑健康监测的水泥基导电材料，其特征在于，所述水泥基渗透结晶选自浓缩型水泥基渗透结晶、掺杂型水泥基渗透结晶或喷涂型水泥基渗透结晶中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的用于建筑健康监测的水泥基导电材料，其特征在于，以质量分数计，所述水泥基导电材料由50-75％的水泥基渗透结晶和25-50％的导电填料组成的原料与水混合而成。

6.根据权利要求4所述的用于建筑健康监测的水泥基导电材料，其特征在于，以质量分数计，所述水泥基导电材料由70％的水泥基渗透结晶、30％的导电填料组成的原料与水混合而成。

7.一种用于建筑健康监测的水泥基导电涂层，其特征在于，由权利要求1-6任一项所述水泥基导电材料在待监测建筑表面涂覆而成。

8.根据权利要求7所述的用于建筑健康监测的水泥基导电涂层，其特征在于，所述水泥基导电涂层的厚度为0.6-5mm。

9.一种用于建筑健康监测的监测系统，其特征在于，包括权利要求7或8所述用于建筑健康监测的水泥基导电涂层以及设置在所述水泥基导电涂层上的至少两个导电电极；

10.根据权利要求9所述的用于建筑健康监测的监测系统，其特征在于，所述导电电极为金属电极或石墨电极，所述金属电极选自铜电极、银电极、铂电极或钯电极中的一种或多种。

技术总结本发明涉及建筑健康监测技术领域，尤其涉及一种用于建筑健康监测的水泥基导电材料和涂层及应用。本发明提供一种用于建筑健康监测的水泥基导电材料，主要由如下质量百分比的原料与水混合而成；水泥基渗透结晶40‑95％；和，导电填料5％‑60％。本发明提供的用于建筑健康监测的水泥基导电材料制备方便，价格低廉，可以在混凝土的使用周期中任一时间进行涂刷布置，减少了工作人员定期巡检的工作量，并且涂层的膨胀系数、极限拉应变等性质参数与混凝土结构相近、感知灵敏度好。在混凝土结构上的附着性好，对应变、裂缝和诸如混凝土保护层剥落等病害感知良好、响应速度快、对微小裂缝的开展后的回缩具备记忆性、能耗低、适用于桥梁巡检。技术研发人员：梁栋,方柯威,张锦秋,方坤受保护的技术使用者：河北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/9