具有壓敏特性的聚氨酯水泥復合材料及其制備方法和應用與流程

本發明屬于水泥復合材料領域，特別是涉及智能水泥、導電水泥、聚氨酯水泥復合材料及其制備方法和應用的技術領域。

背景技術：

目前傳統的橋梁加固方法(粘貼碳纖維、外粘鋼板、體外預應力等)中，加固后隨著橋梁服役期限的增加，由于環境載荷作用、疲勞效應、腐蝕效應和材料老化等不利因素的影響，很難對加固材料的累積損傷隨時間定性做出評價，待損傷積累到一定程度人為發現缺陷后往往為時已晚，加固材料的承載力、剛度已明顯下降，影響了結構的可靠性，對結構安全造成嚴重威脅。公路橋涵設計規范中規定：結構要滿足安全、耐久、適用、環保、經濟、美觀的原則。因此，在設計施工和檢修加固的同時，健康檢測也是越來越受到重視一個問題。

聚氨酯復合材料近年來被土木工程領域所認知，聚氨酯水泥以其優越的力學性能作為一種新型加固材料，已經越來越受人們關注。作為一種新材料，具有強度高，彈性好，粘結性強等諸多優點，減少裂縫開展，施工方便，已在實際梁結構加固中等到應用。但一般橋梁使用年限都很長，由于環境載荷、疲勞載荷、材料腐蝕與老化等不利因素的影響，其本身結構以及其上的加固材料不可避免地產生損傷積累、疲勞、抗力衰減，甚至導致突發事故。

結合安全、耐久、適用等原則，在設計、施工、使用、維修、加固的同時起到一個監測作用已經是很有必要的。但，現行的監測手段很多都是單獨獨立于結構體系以外，做一個能起著加固效果同時還能具有檢測功能的還是很少。

壓敏聚氨酯水泥，將聚氨酯水泥從絕緣材料改良成為具有壓敏這種自感知功能的材料而不影響其原有的優良性能，國內外目前還鮮有相關研究，具有十分廣闊的應用前景。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決建筑體中因耐久性不足，使用久了承載能力和剛度均下降，隨時可能產生安全問題而不能對其進行有效的監控和測試的現象，而提供了一種在能同時起到加固與監測的具有壓敏特性的聚氨酯水泥復合材料及其制備方法和應用。

本發明具有壓敏特性的聚氨酯水泥復合材料包括聚酯多元醇、異氰酸酯、水泥、導電材料、破泡劑和催化劑。

所述聚酯多元醇與異氰酸酯、水泥、破泡劑和催化劑的質量比為1：(1～1.2)：(1.5～2.5)：(0～0.005)：(0～0.0001)；

所述水泥與導電材料的質量比為1:(0.010～0.035)；

所述異氰酸酯為固化劑巴斯夫；所述破泡劑為硅油；所述催化劑為苯甲酰氯；所述導電填料為炭黑、短切碳纖、石墨、碳粉中的一種或幾種的混合物。

優選地，所述具有壓敏特性的聚氨酯水泥復合材料還包括導電材料分散劑，所述導電材料分散劑為甲基纖維素、羧甲基纖維素鈉、羥乙基纖維素中任意一種，其質量占水泥質量的0.6％～0.8％。

制備上述復合材料應分別滿足如下技術指標：聚酯多元醇：酸值，≤5mgKOH/g；羥值，350±10mgKOH/g；異氰酸酯：純度，≥96.5％；破泡劑為硅油；催化劑：苯甲酰氯。

本發明具有壓敏特性的聚氨酯水泥復合材料的制備方法按以下步驟進行：

一、將水泥和導電材料在100℃～110℃溫度下烘干；

二、稱取聚酯多元醇、破泡劑、催化劑和導電填料，機械攪拌，得混合物；

三、向混合物中加入已烘干的水泥，再與異氰酸酯混合，機械攪拌，得具有壓敏特性的聚氨酯水泥復合材料。

所述聚酯多元醇與異氰酸酯、水泥、破泡劑和催化劑的質量比為1：(1～1.2)：(1.5～2.5)：(0～0.005)：(0～0.0001)；

所述水泥與導電材料的質量比為1:(0.010～0.035)；

所述異氰酸酯為固化劑巴斯夫；所述破泡劑為硅油；所述催化劑為苯甲酰氯；所述導電填料為炭黑、短切碳纖、石墨、碳粉、鋼纖維中的一種或幾種的混合物。

優選地，向步驟二中加入導電材料分散劑，所述導電材料分散劑為甲基纖維素、羧甲基纖維素鈉、羥乙基纖維素中任意一種，其質量占水泥質量的0.6％～0.8％。

所述第一次機械攪拌的時間為1min～5min；

所述第二次機械攪拌的時間為2min～10min。

本發明的具有壓敏特性的聚氨酯水泥復合材料在制備過程中需要注意的是，水泥用量以及標號由設計強度決定，導電材料用量所占水泥比例與其種類、長短，摻合方式(單一材料單摻，多種材料混摻)以及水泥用量等綜合因素來決定，主要保證其均勻拌和且均勻分散在材料中。必要的時候加入微量的對應導電材料的分散劑。導電材料加多了，會引起材料內部混亂搭接，打結，電阻率低，壓敏性能不明顯，同時影響材料強度，要控制好用量。拌和過程以及成型養護過程中，要絕水。本材料對水敏感，要在低水或者無水的環境中制作，不然材料會遇水發泡，嚴重形象結構強度。拌和前要對所用材料進行除水，做適當的烘干處理，拌和時，要在低水或者無水的環境中拌和，裝模以后要做隔水處理，在干燥環境中養護，成型。

本發明具有壓敏特性的聚氨酯水泥復合材料用于建筑體狀態監控裝置、壓敏加固體、加固梁及建筑結構。

本發明的具有壓敏特性的聚氨酯水泥復合材料用于建筑體狀態監控裝置，包括：

信號采集單元，固定設于預定建筑體，以用于采集預定建筑體的電阻信號并發送至信號轉換器；

信號轉換單元，與所述信號采集單元電連接，以基于接收到的所述電阻信號和預設的電阻率-應力映射關系表，將所述電阻信號轉換為應力信號；

通過預定方式轉換為應力信號并發送至信號處理器；

信號處理單元，與所述信號轉換器電連接，以用于基于接收到的所述應力信號，獲取與所述應力信號相對應的預定建筑體的狀態數據并發送至通訊單元；

通訊單元，與所述信號處理單元電連接，用于將接收到的狀態數據發送至顯示單元以顯示。

優選地，所述監控裝置還包括：

能源供應單元，分別與所述信號采集單元、所述信號轉換單元、所述信號處理單元及所述通訊單元電連接，以提供電能。

本發明具有壓敏特性的聚氨酯水泥復合材料用于壓敏加固體包括以上所述的監控裝置；

其中，所述壓敏加固體包括至少一個壓敏混凝土結構，其中，所述壓敏混凝土包括添加有導電填料的聚酯氨材料；

所述監控裝置固定于所述壓敏混凝土結構。

優選地，所述壓敏混凝土結構上設有用于固定所述監控裝置的安裝部；

其中，所述安裝部設置于所述壓敏混凝土結構的內部或所述壓敏混凝土結構的外表面，所述監控裝置通過所述安裝部固定于所述壓敏混凝土結構的內部或外表面。

本發明具有壓敏特性的聚氨酯水泥復合材料用于加固梁，包括以上所述的壓敏加固體，其中，所述加固梁還包括：梁體和支座，其中，所述梁體為一體澆筑結構；

所述支座與所述梁體固定連接以支撐所述梁體，所述壓敏加固體固定設置于所述梁體的下緣。

優選地，所述支座包括兩個；

所述梁體兩端分別設置一個固定部；

所述梁體通過所述固定部固定連接至所述支座以形成凹形結構。

優選地，所述壓敏加固體與所述梁體為一體澆筑結構；

所述壓敏加固體兩端分別設置第一安裝部；

所述支座兩端分別設置與所述第一安裝對應設置的第二安裝部；

所述第一安裝部與所述第二安裝部固定連接以使所述壓敏加固體與所述梁體的下緣的表面貼合。

本發明具有壓敏特性的聚氨酯水泥復合材料用于建筑結構，包括以上所述的加固梁。

本發明的實施例提供了一種建筑體狀態監控裝置、壓敏加固體、加固梁及建筑結構，其中，所述加固梁通過設置的壓敏加固體和監控裝置能夠實現對自身的狀態信息進行檢測監控，進而也可以對建筑結構的狀態信息進行監控；而且，加固梁采用一體澆筑結構能夠有效增強加固梁的強度；而且，由于壓敏加固體的存在，也可進一步加強加固梁的強度。

本發明相對于現有技術的優點：

1.本發明通過在聚氨酯水泥中參加少量導電填料，使其電阻隨應力應變變化而對應變化，通過電阻信號的采集形成對自身應力、應變具有自感知性能的智能聚氨酯復合材料，實現應力、應變的自監測，隨時可對其自身和所加固的結構實時受力和累積損傷做出定量的計算和定性的評價，進而預防重要基礎設施突發事故的發生，避免重大經濟和社會效益的損失,具有十分廣泛的應用前景。

2.聚氨酯水泥復合材料不僅具有較強的抗拉/壓強度和剛度，而且與舊混凝土的粘結強度大，不會發生粘結界面的剪切破壞。聚氨酯類材料本身具有良好耐酸性，在混凝土表面可以形成良好的保護屏障，增加混凝土耐久性。聚氨酯和水泥其本身都是絕緣材料，加入導電材料后，對其行原有性能影響不大，改變其絕緣的性能，讓其具有導電性，又因為在其受荷載時，內部回產生應力、應變，影響其微觀結構，是導電材料間距以及搭接方式發生變化，電阻率會隨其所受應力變化變化，從而產生材料的拉壓敏特性。因其本身力學性能幾乎發生變化，所以該材料既適用于受拉構件的加固，又適用于受壓構件的加固，加固的同時可以對其所受應力進行監測。材料利用率高、施工工藝簡單，加固效果明顯，實現監測簡單，監測效果明顯，適用于橋梁、建筑結構等建筑體構件的加固監測。

附圖說明

圖1是實施例1制備的導電聚氨酯水泥復合材料壓敏特性關系曲線圖；

圖2是本發明制備的導電聚氨酯水泥復合材料用于建筑體狀態監控裝置的結構示意圖；

圖3是本發明制備的導電聚氨酯水泥復合材料用于壓敏加固體及加固梁(矩形梁)的結構示意圖；

圖4是本發明制備的導電聚氨酯水泥復合材料用于壓敏加固體及加固梁(T形梁)的結構示意圖；

圖5是本發明制備的導電聚氨酯水泥復合材料用于壓敏加固體及加固梁(箱形梁)的結構示意圖；

圖6是本發明制備的導電聚氨酯水泥復合材料用于壓敏加固體及加固梁(空心板梁)的結構示意圖；

圖7是本發明導電聚氨酯水泥復合材料制備的加固梁6設置在建筑體下端時的狀態結構圖；

附圖標記說明：1-信號采集單元；2-信號轉換單元；3-信號處理單元；4-通訊單元；5-能源供應單元；6-加固梁；61-梁體；611-固定部；62-支座；621-第二安裝部；7-壓敏加固體；71-安裝部；72-第一安裝部。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明了，下面結合具體實施方式并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。應該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發明的范圍。此外，在以下說明中，省略了對公知結構和技術的描述，以避免不必要地混淆本發明的概念。因此，在不偏離本發明的內容和范圍的情況下所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。

實施例1

本發明具有壓敏特性的聚氨酯水泥復合材料的制備方法按以下步驟進行：

一、將水泥和短切碳纖維在100℃溫度下烘干；

二、稱取聚酯多元醇、硅油、苯甲酰氯和短切碳纖維，機械攪拌1min，得混合物；

三、向混合物中加入已烘干的水泥，再與固化劑巴斯夫20S混合，機械攪拌2min，得具有壓敏特性的聚氨酯水泥復合材料；

所述聚酯多元醇與固化劑巴斯夫20S、水泥、硅油和苯甲酰氯的質量比為1：1：1.5：0.003：0.00005；所述水泥與短切碳纖維的質量比為1：0.02。

如圖1，通過本實施例得到了由短切碳纖維作為導電填料的具有壓敏特性的聚氨酯水泥復合材料，經檢測其內部結構的變化與其電阻變化是相對應的，靜態電阻率為700Ω·cm，因此可將其用于橋梁或建筑上實時監測承重情況。

實施例2

本發明具有壓敏特性的聚氨酯水泥復合材料的制備方法按以下步驟進行：

一、將水泥和炭黑在110℃溫度下烘干；

二、稱取聚酯多元醇、硅油、苯甲酰氯、炭黑和羥乙基纖維素，機械攪拌5min，得混合物；

三、向混合物中加入已烘干的水泥，再與固化劑巴斯夫20S混合，機械攪拌8min，得具有壓敏特性的聚氨酯水泥復合材料；

所述聚酯多元醇與固化劑巴斯夫20S、水泥、硅油和苯甲酰氯的質量比為1：1：1.5：0.003：0.00005；所述水泥與炭黑的質量比為1：0.02，分散劑的質量占水泥質量的0.6％。

通過本實施例得到了由炭黑作為導電填料的具有壓敏特性的聚氨酯水泥復合材料，經檢測其內部結構的變化與其電阻變化是相對應的，靜態電阻率為1200Ω·cm，因此可將其用于橋梁或建筑上實時監測承重情況。

圖2是本發明制備的導電聚氨酯水泥復合材料用于建筑體狀態監控裝置的結構示意圖。

如圖2所示，建筑體狀態監控裝置，包括：

信號采集單元1，固定設于預定建筑體，以用于采集預定建筑體的電阻信號并發送至信號轉換單元2；需要說明的是，信號采集單元為用于監測壓敏結構的電阻值變化的應變儀；當然，也可以包括：壓力傳感器和/或線性可變差動變壓器和/或溫度計等，需要說明的是，當還包括壓力傳感器和/或線性可變差動變壓器和/或溫度計等時，信號采集單元1也會將壓力傳感器和/或線性可變差動變壓器和/或溫度計等采集的信號進行發送至信號轉換單元2或者信號處理單元，以分析計算預定建筑體的狀態信息；

信號轉換單元2，與所述信號采集單元1電連接，以基于接收到的所述電阻信號和預設的電阻率-應力映射關系表，將所述電阻信號轉換為應力信號并發送至信號處理單元3；

信號處理單元3，與所述信號轉換單元2電連接，以用于基于接收到的所述應力信號，獲取與所述應力信號相對應的預定建筑體的狀態數據并發送至通訊單元4；其中，信號處理單元3將應力信號通過MADIS等計算軟件進行處理，分析預定建筑體的受力，撓度，形變，振動，以及長時間以來的疲勞，預應力損失，材料收縮徐變等，給出相關指標的實時數據，同時對其安全健康情況做出評估，根據應力信號進行分析計算的過程為現有技術，在此不再贅述；

通訊單元4，與所述信號處理單元3電連接，用于將接收到的狀態數據發送至顯示單元以顯示；通訊單元4可以是藍牙信號發射器，無線電信號發射器等；

所述監控裝置，還包括：

能源供應單元5，分別與所述信號采集單元1、所述信號轉換單元2、所述信號處理單元3及所述通訊單元4電連接，以提供電能；能源供應單元5可以是化學電源，太陽能電源，機械電源(可由預定建筑體(尤其大跨橋梁)的振動發電)。

圖3是本發明制備的導電聚氨酯水泥復合材料用于壓敏加固體7的結構示意圖；

如圖3所示，壓敏加固體7，包括以上所述監控裝置；

其中，所述壓敏加固體7包括至少一個壓敏混凝土結構，其中，所述壓敏混凝土包括添加有導電填料的聚酯氨材料；

所述監控裝置固定于所述壓敏混凝土結構。需要說明的是，由添加有導電材料的聚氨酯水泥澆筑而成的壓敏混凝土結構，其內部結構的變化與其電阻變化是相對應的，基于智能混凝土的基本原理，通過對電阻信號的采集可實現對所述壓敏加固體7進行檢測，將檢測結果進行分析，進而得到整個加壓敏加固體7的狀態信息。

所述壓敏混凝土結構上設有用于固定所述監控裝置的安裝部71；

其中，所述安裝部71設置于所述壓敏混凝土結構的內部或所述壓敏混凝土結構的外表面，所述監控裝置通過所述安裝部71固定于所述壓敏混凝土結構的內部或外表面。

其中，需要說明的是，所述安裝部71至少包括：信號采集單元安裝部；也即，壓敏混凝土結構上可以僅設有所述監控裝置的信號采集單元1，監控裝置的其他單元(信號轉換單元2、信號處理單元3、通訊單元4)可以通過外接的方式與信號采集單元1連接，從而處理信號采集單元1采集的信號(比如電阻信號)；信號采集單元1可以內設(內埋)于壓敏混凝土結構的內部；也可以貼附于壓敏混凝土結構的外表面；

需要說明的是，監控裝置的其他單元(信號轉換單元2、信號處理單元3、通訊單元4)也可以內設(內埋)于壓敏混凝土結構的內部。

能源供應單元5，可以是單獨的為監控系統配置的電源，也可以是通過導線外接的電源，其中，當能源供應單元5是單獨的為監控系統配置的電源時，能源供應單元5可以設置于壓敏混凝土結構的內部，也可以設置在壓敏混凝土結構外部。

圖4是本發明制備的導電聚氨酯水泥復合材料用于加固梁6的結構示意圖；

如圖4所示，加固梁6，包括以上所述的壓敏加固體7，其中，所述加固梁6還包括：梁體61和支座62，其中，所述梁體61為一體澆筑結構；

所述支座62與所述梁體61固定連接以支撐所述梁體61，所述壓敏加固體7固定設置于所述梁體61的下緣。由于，壓敏加固體7固定設置于所述梁體61的下緣，所以梁體61受力時，會將所受的力很好地過度給壓敏加固體7，由于壓敏加固體7設有監控系統，因此，可以通過監控系統監測壓敏加固體7的狀態信息，進而監測加固梁6的狀態信息。

所述加固梁6，所述支座62包括兩個；

所述梁體61兩端分別設置一個固定部611；

所述梁體61通過所述固定部611固定連接至所述支座62以形成凹形結構。

所述壓敏加固體7與所述梁體61為一體澆筑結構；

所述壓敏加固體7兩端分別設置第一安裝部72；

所述支座62兩端分別設置與所述第一安裝對應設置的第二安裝部621；

所述第一安裝部72與所述第二安裝部621固定連接以使所述壓敏加固體7與所述梁體61的下緣的表面貼合。

圖7是本發明導電聚氨酯水泥復合材料制備的加固梁6設置在建筑體下端時的狀態結構圖；

如圖7所示，為了更好地實現上述技術方案，本發明的實施例還提供了一種建筑結構，包括以上所述的加固梁6，還包括，設置在加固梁6上的建筑體。

本發明的實施例提供了一種建筑體狀態監控裝置、壓敏加固體、加固梁及建筑結構，其中，所述加固梁通過設置的壓敏加固體和監控裝置能夠實現對自身的狀態信息進行檢測監控，進而也可以對建筑結構的狀態信息進行監控；而且，加固梁采用一體澆筑結構能夠有效增強加固梁的強度；而且，由于壓敏加固體的存在，也可進一步加強加固梁的強度。