本發(fā)明屬于混凝土材料，涉及一種機場用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測智能混凝土及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)混凝土由于其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟效益，廣泛應用于建筑和基礎(chǔ)設施的構(gòu)件中，尤其是在機場、橋梁、道路和建筑物的建設中。水泥混凝土機場道面暴露于復雜多變的機場環(huán)境中，受干濕循環(huán)、凍融循環(huán)以及鹽侵蝕等復雜環(huán)境作用，易產(chǎn)生裂縫等劣化，影響其安全性和耐久性。另外，隨著國民經(jīng)濟發(fā)展，我國機場跑道航空交通量迅猛增長，重載寬體飛機占比不斷增加，機場道面在高頻沖擊荷載的重復作用下服役性能衰減迅速，病害多發(fā)，影響機場的正常運營，嚴重者甚至威脅飛機起降安全，給機場運營帶來巨大安全風險和經(jīng)濟損失。因此，為確保飛機運行安全和效率，需要定期和及時地對機場道面進行狀況評估。

2、然而，傳統(tǒng)混凝土存在一個顯著的局限性：它本質(zhì)上是一種非導電材料，這限制了其在負載監(jiān)測、健康評估以及能量轉(zhuǎn)化等方面的應用。因此現(xiàn)有傳統(tǒng)混凝土道面狀況監(jiān)測手段多依靠視覺手段進行，但其精度和穩(wěn)定性仍有待提升，并且無法感知尚未擴展至表面的損傷。后續(xù)開發(fā)的聲發(fā)射技術(shù)、探地雷達技術(shù)等雖能夠感知地下?lián)p傷，但其成本高、數(shù)據(jù)處理復雜，并且檢測時需要封閉跑道，對機場運行干擾較大。為此，研究者通過預先在道面內(nèi)埋入傳感器，從而實現(xiàn)道面性能狀況的實時監(jiān)測，但由于傳感器多為點狀分布，感知范圍有限。分布式光纖雖擴大了監(jiān)測范圍，但其安裝維護成本較高，并且易受溫度影響。另外，埋入式傳感器與水泥混凝土存在異構(gòu)性，為混凝土道面的耐久性帶來了潛在隱患。

3、近年來，為了拓寬混凝土的應用范圍，科研人員和工程師嘗試通過摻雜各種導電材料來增強混凝土的功能性。通過在混凝土中摻入具有導電性能的材料，如添加鋼纖維、碳纖維或納米鎳等其他導電顆粒，制備具有自感知能力的智能混凝土。智能混凝土可以感知其內(nèi)部應力、應變和裂縫等結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化。當外力或環(huán)境條件變化時，這些導電材料的電阻或電導率隨之發(fā)生變化，形成可檢測的信號，從而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)健康的監(jiān)控。另外，在智能混凝土中，導電材料形成的導電網(wǎng)絡可以感知混凝土內(nèi)部的應力或應變。應力變化會導致導電網(wǎng)絡中電阻的變化，通過監(jiān)測這些電阻的變化，可以推斷混凝土的內(nèi)部應變情況，進而發(fā)現(xiàn)潛在的結(jié)構(gòu)問題。尤其是在機場跑道這種重載荷和高頻次使用環(huán)境下，及時檢測到應力變化對于防止結(jié)構(gòu)失效至關(guān)重要。除此之外，智能混凝土還可以與無線傳感器網(wǎng)絡(wireless?sensor?networks，wsn)相結(jié)合，利用嵌入式傳感器或外部設備實時采集和傳輸數(shù)據(jù)。這種集成使得對大面積基礎(chǔ)設施的實時遠程監(jiān)控成為可能，避免了傳統(tǒng)人工檢測的不便和局限。

4、智能混凝土尤其適合用于機場跑道的健康監(jiān)測。跑道道面長期受到飛機高頻重載、環(huán)境侵蝕等多重因素的作用，易出現(xiàn)裂縫、沉降等問題。智能混凝土通過其自感知功能，可以在早期階段識別結(jié)構(gòu)的微小變化，并為維修提供數(shù)據(jù)支持，避免更嚴重的結(jié)構(gòu)失效，降低維護成本。

5、但傳統(tǒng)方法是向混凝土中添加鋼纖維、碳纖維或納米鎳等其他導電顆粒，這些功能填料雖可以使混凝土具備一定的電導性，但往往需要較大的摻量，因此會對原始混凝土的配合比造成影響，進而可能會影響混凝土的機械強度和工作性，或增加材料成本。

6、碳納米管(cnts)由于其卓越的電導性和力學性能，是一種提高混凝土電導性的理想材料。cnts具備獨特的一維結(jié)構(gòu)和高長徑比，使其在微量添加時即可顯著改善混凝土的導電性，而不會過分影響其結(jié)構(gòu)強度及工作性能。然而，將cnts均勻分散在水泥基體中仍是一個技術(shù)挑戰(zhàn)。碳納米管傾向于在水中形成團聚體，進而導致在混凝土基體中分散不均勻，造成導電路徑的不連續(xù)性，從而降低混凝土的整體電導性。

7、在傳統(tǒng)方法中，使用的分散劑如甲基纖維素、十二烷基硫酸鈉(sds)及十二烷基苯磺酸鈉(naddbs)等雖能在一定程度上促進cnts的分散，但常常因化學性質(zhì)不穩(wěn)定或與水泥基材的化學反應，對混凝土的力學性能和工作性能造成負面影響。例如，sds和naddbs可能會影響水泥的水化反應，甲基纖維素會引入大量氣泡，導致混凝土強度下降或出現(xiàn)其他不良的物理性能變化。

8、專利cn111517705a公開了一種強度等級c100以上的多壁碳納米管改性活性粉末混凝土及其制備方法，該方法包括以下步驟：將按重量稱取的石英砂和石英粉投入到攪拌機中，攪拌均勻得混合料；將按重量稱取的水泥、粉煤灰、硅灰及鍍銅微絲鋼纖維投入到混合料中，經(jīng)拌合均勻得到干料；按重量稱取水和聚羧酸高性能減水劑，將碳納米管加入適量的水中，經(jīng)超聲波分散6min，制得多壁碳納米管混合液；將聚羧酸高性能減水劑及剩余的水及多壁碳納米管混合液投入干料中，攪拌均勻，所得即為多壁碳納米管改性活性粉末混凝土。該專利雖然摻加粉煤灰和硅灰，但僅對多壁碳納米管和聚羧酸減水劑一同進行超聲分散，導致粉煤灰和硅灰無法及時滲透進入由聚羧酸減水劑在碳納米管之間創(chuàng)造的空隙，影響了硅灰的空間位阻效應以及粉煤灰作為“滾珠軸承”的作用發(fā)揮，提高分散穩(wěn)定性的效果較差；另外，該專利采用普通多壁碳納米管，分散效果差；綜上，該專利制備方法的分散均勻程度和分散穩(wěn)定性有待提高，導致混凝土中電導率分布不均勻，無法滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測用混凝土所需的電傳感性能需求。

9、專利cn107382205a公開了一種c160強度等級的超高強高性能纖維混凝土及其制備方法，該方法包括以下步驟：將質(zhì)量份數(shù)為9.5份的激發(fā)劑和2.6份消泡劑溶入總水量25％的水中，記為水溶液1，將14.0份減水劑、40份羥基改性碳納米管分散液和37份氧化石墨烯分散液加入到總水量50％的水溶液中，記為水溶液2；稱取750份按質(zhì)量比為8:2配置的河砂和石英砂、1000份碎石和1.6份纖維素纖維依次加入到攪拌機中，均勻攪拌2-3min；然后，依次加入485份水泥、70份粉煤灰、73份稻殼灰、102份硅灰，再將水溶液1加入到攪拌機中，均勻攪拌2-3min；隨后向攪拌機中加入水溶液2，均勻攪拌3-4min；最后觀察拌合物的流動性，繼續(xù)加入總水量剩余的25％的水，均勻攪拌3-5min，出料，即得到所制備的混凝土拌合料；并成型、養(yǎng)護。該專利雖然采用了羥基碳納米管來提高碳納米管的分散效果，但是僅采用機械攪拌的方式進行分散，其分散均勻性無法滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測用混凝土對導電均勻性的要求。

10、專利cn112679129a公開了一種高強度耐腐蝕碳納米管改性混凝土及其制備方法，所述混凝土的原料包括二氧化硅包裹碳納米管復合材料；所述二氧化硅包裹碳納米管復合材料由以下方法制備得到：將碳納米管粉末加入到去離子水中，然后置于超聲振蕩器中，超聲分散處理，制備得到碳納米管水分散液；將碳納米管水分散液和硅溶膠溶液混合，然后在同樣頻率下超聲處理，保持碳納米管的分散穩(wěn)定，得懸浮液；對上述懸浮液進行真空負壓干燥處理，得固體產(chǎn)物；利用行星式球磨機對干燥后的固體產(chǎn)物進行球磨處理，最終得到顆粒狀的二氧化硅包裹碳納米管復合材料。該專利雖然利用二氧化硅包裹碳納米管復合材料，降低了其分散難度，但由于在制備過程中采用球磨處理，會造成碳納米管的損傷，導致碳納米管長徑比減小，顯著削弱碳納米管對混凝土導電性能的提升，使得混凝土的電導率無法滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測用混凝土對電傳感性能的要求；另外，該專利制備過程中采用真空負壓干燥處理、球磨處理增加了施工復雜程度，提高了施工成本，難以進行大規(guī)模工程應用推廣。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的至少一種缺陷而提供一種機場用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測智能混凝土及其制備方法，本發(fā)明能夠有效提高混凝土的電導性，從而使其具有監(jiān)測結(jié)構(gòu)健康的功能。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

3、本發(fā)明的技術(shù)方案之一在于，提供一種機場用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測智能混凝土的制備方法，該方法包括以下步驟：

4、s1、將聚羧酸減水劑加入水中，混合，得到減水劑溶液；

5、s2、將羧基化多壁碳納米管、硅灰和粉煤灰加入減水劑溶液中，混合，得到初步分散的碳納米管懸浮液；

6、s3、對碳納米管懸浮液超聲處理，得到充分分散的碳納米管分散液；

7、s4、將碳納米管分散液加入干料混合物中，拌和，得到機場用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測智能混凝土。

8、進一步地，步驟s1中聚羧酸減水劑的含固量為40-50wt％，減水率為20-50％，添加量根據(jù)聚羧酸減水劑的含固量以及混凝土的配合比靈活調(diào)節(jié)，添加量為水泥質(zhì)量的0.1-1wt％。

9、進一步地，步驟s2中羧基化多壁碳納米管(cmwnts)的純度大于90％，外徑為10-100nm，長度為10-100μm，羧基含量為1-2wt％，并且盡量選擇長徑比大的羧基化多壁碳納米管，添加量根據(jù)所需的電導率和壓阻響應調(diào)節(jié)，添加量為水泥質(zhì)量的0.05-0.25wt％。

10、進一步地，步驟s2中羧基化多壁碳納米管與步驟s1中聚羧酸減水劑的質(zhì)量比為1:(2-4)，步驟s2中羧基化多壁碳納米管與步驟s1中水的質(zhì)量比為1:(100-300)，防止分散過程中流動性變差，造成分散不均或損傷分散設備。

11、進一步地，步驟s2中硅灰和粉煤灰與羧基化多壁碳納米管的質(zhì)量比均為(5-20):1。

12、進一步地，步驟s4中干料混合物包括水泥和集料，集料包括粒徑小于8mm的砂或石，干料混合物的配比按照具體工程需求調(diào)整，水泥、集料與拌和加入的水的質(zhì)量比為(20-30):(40-60):(2-3)。

13、進一步地，步驟s1和s2中混合的攪拌速度為1000-1500rpm，時間為3-10min；

14、步驟s4中拌和的時間為1.5-6min。

15、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟s4中干料混合物應在加入碳納米管懸浮液前充分干拌混合。

16、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟s4中將碳納米管懸浮液分二至五批加入干料混合物中。

17、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟s4中每批加入后均需拌和。

18、進一步地，步驟s4中拌和包括慢速拌和和快速拌和，以確保羧基化多壁碳納米管均勻分布于混凝土基質(zhì)中，

19、其中慢速拌和的攪拌速度為45-70rpm，時間為0.5-2min，

20、快速拌和的攪拌速度為150-300rpm，時間為1-4min。

21、進一步地，步驟s3中超聲處理的頻率為15-25khz，功率根據(jù)單次超聲的處理量調(diào)節(jié)，功率與處理量的比值為1kw:(0.5-0.8ml)，時間為7-15min，避免超聲的時間過長導致羧基化多壁碳納米管損壞或時間過短導致分散不均勻，超聲處理可充分打散羧基化多壁碳納米管的聚集體，提高其分散度，將硅灰和粉煤灰與羧基化多壁碳納米管一同進行超聲分散，硅灰和粉煤灰可以及時滲透進入由聚羧酸減水劑在羧基化多壁碳納米管之間創(chuàng)造的空隙，利于硅灰的空間位阻效應以及粉煤灰作為“滾珠軸承”的作用發(fā)揮。

22、本發(fā)明的技術(shù)方案之一在于，提供一種所述的方法制備的機場用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測智能混凝土，該混凝土包括以下重量份的組分：

23、聚羧酸減水劑3-10份、羧基化多壁碳納米管1-5份、硅灰10-100份、粉煤灰10-100份、水泥2000-3000份、集料4000-6000份和水600-1000份。

24、本發(fā)明的技術(shù)方案之一在于，提供一種所述的機場用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測智能混凝土的應用，所述混凝土應用于基礎(chǔ)設施的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，所述基礎(chǔ)設施包括機場跑道，通過檢測電阻變化來感知結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應力、應變和裂縫擴展情況，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自我監(jiān)測。

25、本發(fā)明提供了一種新的智能混凝土制備方法，通過采用聚羧酸減水劑、硅灰(二氧化硅)和粉煤灰作為分散劑，在改善混凝土的工作性和減少水泥用量的同時，二者高效的分散能力也可以顯著提高碳納米管在混凝土中的分散質(zhì)量。

26、羧基化碳納米管表面相較于普通碳納米管和羥基化碳納米管，帶有更多負電荷，與聚羧酸減水劑中的聚羧酸分子的氫鍵作用更強烈，吸附效果更好，并產(chǎn)生靜電斥力，也會形成空間位阻效應，防止碳納米管重聚；硅灰插入碳納米管間隙，與羧基化多壁碳納米管可以實現(xiàn)自組裝，從而利用其空間位阻效應改善分散效果，分散后的碳納米管可以吸附在粉煤灰表面，利用粉煤灰的球形微粒作用，攜帶碳納米管均勻分散在水泥混凝土基體中。并且，與其他分散劑相比，聚羧酸減水劑具備良好的化學穩(wěn)定性和與水泥基材的適配性，粒徑細小的硅灰在混凝土材料中還可以起到填充微孔隙的作用，二者不僅避免了負面化學反應，還進一步提升了混凝土的力學性能和耐久性。

27、本發(fā)明通過優(yōu)化聚羧酸減水劑、硅灰和粉煤灰的使用比例和分散處理工藝，能夠在提高結(jié)構(gòu)強度和不犧牲工作性能的前提下，實現(xiàn)碳納米管的有效分散，進而實現(xiàn)混凝土的高電導性和優(yōu)異的壓阻響應。進一步，可以通過監(jiān)測電阻變化實現(xiàn)對混凝土結(jié)構(gòu)應力、應變和損傷的實時監(jiān)控，顯著提高了結(jié)構(gòu)安全性和運維效率。

28、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

29、(1)改善碳納米管的分散性：通過使用聚羧酸減水劑、硅灰和粉煤灰作為分散劑，并將粉煤灰和硅灰與羧基化多壁碳納米管一同進行超聲分散，本發(fā)明顯著改善了羧基化多壁碳納米管在混凝土基質(zhì)中的分散性；聚羧酸減水劑主鏈上的羧酸基團帶有負電荷，這些負電荷與羧基化碳納米管表面的負電荷相互排斥，增加了碳納米管之間的靜電斥力；并且聚羧酸減水劑的長側(cè)鏈部分在碳納米管表面形成保護層，增加了碳納米管之間的物理間隔，降低了范德華力的影響；而硅灰的細小粒徑有助于其插入碳納米管間隙，與羧基化多壁碳納米管可以實現(xiàn)自組裝，從而利用其空間位阻效應改善分散效果，粉煤灰的球形微粒在混凝土中起到潤滑作用，進一步降低了碳納米管之間的摩擦和團聚；這不僅防止了羧基化多壁碳納米管的重新聚集，還增強了其在基質(zhì)中的穩(wěn)定性；

30、(2)增強混凝土的力學性能和耐久性：與常規(guī)分散劑相比，本發(fā)明中聚羧酸減水劑、硅灰和粉煤灰的使用避免了與水泥基材的不良化學反應，從而不會削弱混凝土的結(jié)構(gòu)強度；實際上，硅灰的加入優(yōu)化了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，增強了其壓縮強度和耐久性，從而提供了更高的結(jié)構(gòu)安全性；

31、(3)提升電導率和壓阻響應：本發(fā)明通過有效分散羧基化多壁碳納米管，顯著提高了混凝土的電導率，使得混凝土能夠?qū)崟r監(jiān)測結(jié)構(gòu)的應力、應變和損傷；本發(fā)明的智能混凝土適用于機場跑道等關(guān)鍵基礎(chǔ)設施，當?shù)烂孀陨硇誀畎l(fā)生劣化，其內(nèi)部導電路徑發(fā)生相應改變，電阻分布也產(chǎn)生相應改變，因此可以通過監(jiān)測混凝土道面的電阻分布變化實現(xiàn)對混凝土道面健康狀況的持續(xù)評估；

32、(4)操作和施工簡便，易于應用推廣：本發(fā)明的制備方法簡便易行，羧基化多壁碳納米管添加量微小，不需要對現(xiàn)有的混凝土配合比設計方法進行重大修改，適用于常規(guī)混凝土生產(chǎn)設施和工藝，無需復雜的操作步驟，確保了其在實際工程應用中的廣泛適用性和經(jīng)濟效益；

33、(5)本發(fā)明所需的羧基化多壁碳納米管添加量極低，不會顯著增加混凝土的生產(chǎn)成本；經(jīng)濟上具有廣泛的應用推廣潛力，適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)和在各種建設項目中的應用；

34、(6)本發(fā)明通過在混凝土中摻入碳納米管并通過一定方法提高其在混凝土基體中的分散均勻性，使其具備了自感知能力；智能混凝土能夠通過檢測電阻變化來感知結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應力、應變及裂縫擴展等情況，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自我監(jiān)測；該功能特別適用于機場跑道等長期承受重載沖擊的基礎(chǔ)設施，有助于在微小損傷階段及時發(fā)現(xiàn)問題，避免更嚴重的結(jié)構(gòu)失效；

35、(7)傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測通常依賴于外部傳感器和定期人工檢查，存在監(jiān)測精度不高、覆蓋范圍有限的問題；通過本發(fā)明方法制備的智能混凝土可通過內(nèi)部導電網(wǎng)絡的電阻變化實現(xiàn)連續(xù)、實時的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，在不依賴外部傳感器的情況下即可監(jiān)控整個結(jié)構(gòu)的健康狀況；這種實時監(jiān)測功能顯著提高了結(jié)構(gòu)的安全性，并減少了突發(fā)性損壞帶來的風險；

36、(8)本發(fā)明的智能混凝土通過感知環(huán)境中的應力變化，可以靈敏響應外部環(huán)境的惡劣條件(如高頻沖擊、溫度變化等)；通過對電阻變化的連續(xù)監(jiān)測，可在環(huán)境條件變化對混凝土產(chǎn)生影響時及時反饋，提供精準的數(shù)據(jù)支持，用于優(yōu)化基礎(chǔ)設施的維護和管理策略；

37、(9)本發(fā)明的智能混凝土技術(shù)通過優(yōu)化配比和減少傳感器安裝，使得混凝土本身具備監(jiān)測功能，減少了對外部監(jiān)測設備的依賴，降低了材料成本和施工復雜度，且適用于大規(guī)模工程應用；在關(guān)鍵基礎(chǔ)設施中推廣應用智能混凝土，有助于提升基礎(chǔ)設施的長期可靠性和經(jīng)濟效益。