本發(fā)明涉及混凝土結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，尤其是涉及一種用于濕度監(jiān)測(cè)的碳化聚合物點(diǎn)改性水化硅酸鈣薄膜及其制備方法與應(yīng)用。
背景技術(shù)：
1、混凝土是當(dāng)前全球最主要的建筑材料，廣泛應(yīng)用于各類工程結(jié)構(gòu)。然而，在復(fù)雜多變的服役環(huán)境中，混凝土容易受到鹽堿腐蝕、凍融損傷、疲勞載荷和鋼筋銹蝕等多種因素的影響。這些外界環(huán)境作用會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生變形和開裂，尤其是內(nèi)部損傷難以從外部直接察覺，對(duì)結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。這其中影響最為直接的便是水分的侵入。因此，開發(fā)針對(duì)混凝土外界水分侵入深度的高效監(jiān)測(cè)技術(shù)，成為當(dāng)前建筑材料研究領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵課題之一。
2、目前，混凝土結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)技術(shù)主要通過在水泥基體中引入導(dǎo)電填料，以提升材料的導(dǎo)電性，并實(shí)現(xiàn)損傷的實(shí)時(shí)感知。常見的傳感器類型包括壓電式、壓阻式和磁阻式傳感器等。如中國(guó)專利cn115165971a公開了一種基于機(jī)敏材料的混凝土結(jié)構(gòu)物力學(xué)與腐蝕損傷檢測(cè)評(píng)估方法，該方法通過將機(jī)敏材料傳感器單元安裝在混凝土結(jié)構(gòu)物受力或腐蝕風(fēng)險(xiǎn)位置，通過檢測(cè)電壓及電流，獲取機(jī)敏材料傳感器單元的電阻值，實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)物內(nèi)部損傷的快速檢測(cè)。中國(guó)專利cn108818882a公開了一種混凝土智能骨料及其制備方法，通過設(shè)置濕度傳感器模塊和纖維電阻，在壓電陶瓷感應(yīng)模塊失效的情況下還能以濕度傳感器模塊和纖維電阻對(duì)智能骨料的信號(hào)采集功能進(jìn)行失效補(bǔ)償，有利于減少因混凝土建筑結(jié)構(gòu)損傷破壞而導(dǎo)致事故發(fā)生的可能性。
3、然而，這些技術(shù)仍存在顯著的瓶頸，存在信號(hào)穩(wěn)定性差(低信噪比和難以控制的波動(dòng)性)，導(dǎo)電填料的團(tuán)聚效應(yīng)、漿料流變特性以及離子極化現(xiàn)象等問題，進(jìn)一步制約了監(jiān)測(cè)性能的提升。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的就是為了提供一種用于濕度監(jiān)測(cè)的碳化聚合物點(diǎn)改性水化硅酸鈣薄膜及其制備方法與應(yīng)用，所制備的薄膜能夠應(yīng)用于混凝土濕度監(jiān)測(cè)，且檢測(cè)靈敏。
2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
3、本發(fā)明目的之一在于提供一種用于濕度監(jiān)測(cè)的碳化聚合物點(diǎn)改性水化硅酸鈣薄膜，所述薄膜以水化硅酸鈣薄膜為基體，所述水化硅酸鈣薄膜中均勻分散有碳化聚合物點(diǎn)。
4、優(yōu)選地，所述碳化聚合物點(diǎn)的尺寸為2nm-100nm，所述碳化聚合物點(diǎn)改性水化硅酸鈣薄膜中碳化聚合物點(diǎn)的負(fù)載量為40wt％-80wt％。
5、優(yōu)選地，
6、所述碳化聚合物點(diǎn)的原料包括如下質(zhì)量份數(shù)的組分：
7、
8、優(yōu)選地，所述水化硅酸鈣薄膜的原料包括如下質(zhì)量份數(shù)的組分：
9、
10、其中，所述鈣質(zhì)材料和硅質(zhì)材料的質(zhì)量份數(shù)比值為0.5-2。
11、進(jìn)一步優(yōu)選地，所述鈣質(zhì)材料和硅質(zhì)材料的質(zhì)量份數(shù)比值為2。
12、優(yōu)選地，所述聚合物單體選自丙烯酰胺、丙烯酸中的任意一種或多種。
13、優(yōu)選地，所述鈣質(zhì)材料選自氯化鈣、硝酸鈣、生石灰、氫氧化鈣中的任意一種或多種。
14、優(yōu)選地，所述硅質(zhì)材料選自硅灰、稻殼灰、硅酸鈉中的任意一種或多種。
15、優(yōu)選地，所述ph調(diào)節(jié)劑選自氫氧化鈉和稀鹽酸中的一種或兩種。
16、本發(fā)明目的之二在于提供一種所述的用于濕度監(jiān)測(cè)的碳化聚合物點(diǎn)改性水化硅酸鈣薄膜的制備方法，包括以下步驟：
17、s1：制備碳化聚合物點(diǎn)粉末；
18、s2：將碳化聚合物點(diǎn)粉末、水、鈣質(zhì)材料和硅質(zhì)材料混合均勻，得到懸濁液；
19、s3：使用ph調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)懸濁液的ph值，混合均勻；
20、s4：水浴加熱下，攪拌反應(yīng)；
21、s5：反應(yīng)完成后抽濾、烘干，得到所述碳化聚合物點(diǎn)改性水化硅酸鈣薄膜。
22、優(yōu)選地，步驟s1中，所述制備碳化聚合物點(diǎn)粉末包括以下步驟：
23、s1.1：按質(zhì)量份數(shù)，將聚合物單體與水混合均勻，隨后加入過硫酸銨和n,n'-亞甲基雙丙酰胺混合均勻，得到混合溶液；
24、s1.2：將混合溶液進(jìn)行水熱反應(yīng)；
25、s1.3：水熱反應(yīng)結(jié)束后，進(jìn)行透析、旋蒸處理，得到所述碳化聚合物點(diǎn)粉末。
26、進(jìn)一步優(yōu)選地，步驟s1.1中，所述混合均勻指超聲8-12min，超聲功率為20w/l-30w/l。
27、進(jìn)一步優(yōu)選地，步驟s1.2中，所述水熱反應(yīng)的溫度為160-200℃，時(shí)間為6-10h，所述水熱反應(yīng)在水熱反應(yīng)釜中進(jìn)行。
28、更進(jìn)一步優(yōu)選地，步驟s1.2中，所述水熱反應(yīng)的溫度為180℃，時(shí)間為8h。
29、進(jìn)一步優(yōu)選地，步驟s1.3中，所述透析指使用0.1-0.3μm的透析袋篩除大分子雜質(zhì)，更進(jìn)一步優(yōu)選為用0.22μm的透析袋篩除大分子雜質(zhì)。
30、進(jìn)一步優(yōu)選地，步驟s1.3中，所述旋蒸用于去除液體溶劑，所述旋蒸的參數(shù)包括溫度范圍為50-80℃，旋蒸時(shí)間為1h-4h。
31、優(yōu)選地，步驟s2中，所述混合均勻指超聲1-5min，超聲功率為20w/l-30w/l。
32、優(yōu)選地，步驟s3中，所述懸濁液調(diào)節(jié)后的ph值為7-9，進(jìn)一步優(yōu)選為7-8。
33、優(yōu)選地，步驟s3中，所述混合均勻指超聲1-5min，超聲功率為20w/l-30w/l。
34、優(yōu)選地，步驟s4中，所述水浴加熱的溫度為30-50℃，攪拌反應(yīng)的轉(zhuǎn)速為300rpm-600rpm，時(shí)間為12h-24h。
35、進(jìn)一步優(yōu)選地，步驟s4中，所述水浴加熱的溫度為40℃，攪拌反應(yīng)的轉(zhuǎn)速為600rpm，時(shí)間為24h。
36、優(yōu)選地進(jìn)一步優(yōu)選地，步驟s5中，所述烘干的溫度為45℃，時(shí)間為24h。
37、優(yōu)選地，所述的用于濕度監(jiān)測(cè)的碳化聚合物點(diǎn)改性水化硅酸鈣薄膜的制備方法，包括以下步驟：
38、首先按質(zhì)量份數(shù)將聚合物單體和水按比例混合，超聲10min，得到均勻的溶液a。然后將過硫酸銨和n,n'-亞甲基雙丙酰胺按比例加入溶液a中，超聲10min，得到均勻的溶液b。緊接著，將溶液b倒入水熱反應(yīng)釜中，在180℃下反應(yīng)8h，得到黃色透明溶液c。使用0.22μm的透析袋篩除溶液c的大分子雜質(zhì)，經(jīng)旋蒸處理后，得到碳化聚合物點(diǎn)粉末d。將合成的碳化聚合物點(diǎn)粉末d、水、鈣質(zhì)材料和硅質(zhì)材料配成懸濁液，并超聲3min混合均勻，使用ph調(diào)節(jié)劑將溶液ph值調(diào)節(jié)至合適范圍，并超聲3min，然后在40度水浴下，攪拌反應(yīng)24h，得到懸濁液e。將懸濁液e經(jīng)抽濾后制成薄膜，并置于45℃真空烘箱中烘干24h，得到碳化聚合物點(diǎn)改性水化硅酸鈣薄膜f。
39、本發(fā)明目的之三在于提供一種所述的用于濕度監(jiān)測(cè)的碳化聚合物點(diǎn)改性水化硅酸鈣薄膜的應(yīng)用。
40、優(yōu)選地，將所述碳化聚合物點(diǎn)改性水化硅酸鈣薄膜用于環(huán)境濕度監(jiān)測(cè)。
41、優(yōu)選地，將所述碳化聚合物點(diǎn)改性水化硅酸鈣薄膜用于水泥混凝土內(nèi)部濕度監(jiān)測(cè)，包括以下步驟：
42、a：根據(jù)所監(jiān)測(cè)水泥混凝土尺寸大小，將碳化聚合物點(diǎn)改性水化硅酸鈣薄膜制備為合適尺寸；
43、b：在混凝土澆筑過程中，將合適尺寸的碳化聚合物點(diǎn)改性水化硅酸鈣薄膜埋入水泥混凝土的內(nèi)部，并連接外部電流檢測(cè)裝置；
44、c：通過觀測(cè)電流的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泥混凝土內(nèi)部的濕度監(jiān)測(cè)，并用于判斷水泥混凝土結(jié)構(gòu)損傷風(fēng)險(xiǎn)情況。
45、進(jìn)一步優(yōu)選地，當(dāng)所述水泥混凝土內(nèi)部濕度較大時(shí)，說明水泥混凝土結(jié)構(gòu)具有一定的損傷風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)所述水泥混凝土內(nèi)部濕度較小時(shí)，說明外界環(huán)境侵入介質(zhì)量少，水泥混凝土結(jié)構(gòu)損傷風(fēng)險(xiǎn)低。
46、本發(fā)明提出了一種基于碳化聚合物點(diǎn)改性的水化硅酸鈣薄膜(c-s-h)材料，能夠顯著提升濕度監(jiān)測(cè)性能。碳化聚合物點(diǎn)作為一種新型納米材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、高比表面積以及豐富的表面功能基團(tuán)(如碳-氧鍵和碳-氮鍵)。通過將碳化聚合物點(diǎn)引入c-s-h基體中，既能顯著提升其導(dǎo)電性能，又可實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度場(chǎng)景的靈敏響應(yīng)，為開發(fā)高性能濕度監(jiān)測(cè)功能材料提供了一條全新的研究路徑。此外，該材料時(shí)具有制備工藝簡(jiǎn)便、分散性好、與基體相容性優(yōu)異等優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明為混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能診斷及多功能化應(yīng)用提供了一種高效、可靠的新解決方案，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。
47、如圖1所示，本發(fā)明通過將碳化聚合物點(diǎn)插層到水化硅酸鈣(c-s-h)層間距以提升復(fù)合材料導(dǎo)電性能。在復(fù)合過程中，碳化聚合物點(diǎn)因其納米級(jí)尺寸能夠有效插入c-s-h材料的層間結(jié)構(gòu)中，從而擴(kuò)展層間距，降低層間電荷屏蔽效應(yīng)，為電子遷移提供更多通道。同時(shí)，碳化聚合物點(diǎn)表面的氮、氧官能團(tuán)能夠與c-s-h中的ca-oh和si-oh官能團(tuán)發(fā)生界面結(jié)合，形成穩(wěn)定的鍵合作用，進(jìn)一步改善電子在復(fù)合體系中的傳導(dǎo)效率。
48、碳化聚合物點(diǎn)的插層作用不僅提升了c-s-h層間的結(jié)構(gòu)有序性，還構(gòu)建了跨越層間的高效電子傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，使電子能夠快速穿過c-s-h層間區(qū)域。這一過程中，碳化聚合物點(diǎn)豐富的表面官能團(tuán)(如氮鍵和氧鍵)通過與c-s-h層間鈣離子形成配位鍵，進(jìn)一步穩(wěn)定了插層結(jié)構(gòu)并增強(qiáng)了電子傳導(dǎo)的連續(xù)性。此外，碳化聚合物點(diǎn)在層間的均勻分布避免了傳統(tǒng)導(dǎo)電改性材料因分散性差而導(dǎo)致的局部性能不均現(xiàn)象。
49、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
50、(1)本發(fā)明提供了一種用于濕度監(jiān)測(cè)的碳化聚合物點(diǎn)改性水化硅酸鈣薄膜，所述薄膜通過在水化硅酸鈣薄膜中引入碳化聚合物點(diǎn)進(jìn)行改性，成功賦予了水化硅酸鈣材料獨(dú)特的濕度誘導(dǎo)的電導(dǎo)率轉(zhuǎn)變能力，具有濕度監(jiān)測(cè)功能。
51、(2)本發(fā)明通過碳化聚合物點(diǎn)的引入，與c-s-h基體中的ca-oh和si-oh官能團(tuán)形成協(xié)同作用，構(gòu)建高效電子傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，顯著改善了c-s-h材料的電子導(dǎo)電性，為其在能源存儲(chǔ)、傳感器及多功能材料領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能性。
52、(3)本發(fā)明中的碳化聚合物點(diǎn)能夠均勻分散于c-s-h材料體系中，與基體形成穩(wěn)定的界面相互作用，解決了傳統(tǒng)改性材料分散性差、相容性不足的問題。
53、(4)本發(fā)明采用綠色環(huán)保的制備工藝，避免了傳統(tǒng)改性技術(shù)中的高能耗和復(fù)雜操作，不僅降低了成本，還符合環(huán)境友好型材料開發(fā)的要求。
54、(5)本發(fā)明的碳化聚合物點(diǎn)改性c-s-h材料具有良好的抗拉強(qiáng)度。
55、(6)本發(fā)明中的碳化聚合物點(diǎn)改性c-s-h材料具有良好的成本優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備，適用于多功能材料領(lǐng)域的實(shí)際需求。