具有压敏特性的聚氨酯水泥复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于水泥复合材料领域，特别是涉及智能水泥、导电水泥、聚氨酯水泥复合材料及其制备方法和应用的技术领域。

背景技术：

目前传统的桥梁加固方法(粘贴碳纤维、外粘钢板、体外预应力等)中，加固后随着桥梁服役期限的增加，由于环境载荷作用、疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等不利因素的影响，很难对加固材料的累积损伤随时间定性做出评价，待损伤积累到一定程度人为发现缺陷后往往为时已晚，加固材料的承载力、刚度已明显下降，影响了结构的可靠性，对结构安全造成严重威胁。公路桥涵设计规范中规定：结构要满足安全、耐久、适用、环保、经济、美观的原则。因此，在设计施工和检修加固的同时，健康检测也是越来越受到重视一个问题。

聚氨酯复合材料近年来被土木工程领域所认知，聚氨酯水泥以其优越的力学性能作为一种新型加固材料，已经越来越受人们关注。作为一种新材料，具有强度高，弹性好，粘结性强等诸多优点，减少裂缝开展，施工方便，已在实际梁结构加固中等到应用。但一般桥梁使用年限都很长，由于环境载荷、疲劳载荷、材料腐蚀与老化等不利因素的影响，其本身结构以及其上的加固材料不可避免地产生损伤积累、疲劳、抗力衰减，甚至导致突发事故。

结合安全、耐久、适用等原则，在设计、施工、使用、维修、加固的同时起到一个监测作用已经是很有必要的。但，现行的监测手段很多都是单独独立于结构体系以外，做一个能起着加固效果同时还能具有检测功能的还是很少。

压敏聚氨酯水泥，将聚氨酯水泥从绝缘材料改良成为具有压敏这种自感知功能的材料而不影响其原有的优良性能，国内外目前还鲜有相关研究，具有十分广阔的应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决建筑体中因耐久性不足，使用久了承载能力和刚度均下降，随时可能产生安全问题而不能对其进行有效的监控和测试的现象，而提供了一种在能同时起到加固与监测的具有压敏特性的聚氨酯水泥复合材料及其制备方法和应用。

本发明具有压敏特性的聚氨酯水泥复合材料包括聚酯多元醇、异氰酸酯、水泥、导电材料、破泡剂和催化剂。

所述聚酯多元醇与异氰酸酯、水泥、破泡剂和催化剂的质量比为1：(1～1.2)：(1.5～2.5)：(0～0.005)：(0～0.0001)；

所述水泥与导电材料的质量比为1:(0.010～0.035)；

所述异氰酸酯为固化剂巴斯夫；所述破泡剂为硅油；所述催化剂为苯甲酰氯；所述导电填料为炭黑、短切碳纤、石墨、碳粉中的一种或几种的混合物。

优选地，所述具有压敏特性的聚氨酯水泥复合材料还包括导电材料分散剂，所述导电材料分散剂为甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素中任意一种，其质量占水泥质量的0.6％～0.8％。

制备上述复合材料应分别满足如下技术指标：聚酯多元醇：酸值，≤5mgKOH/g；羟值，350±10mgKOH/g；异氰酸酯：纯度，≥96.5％；破泡剂为硅油；催化剂：苯甲酰氯。

本发明具有压敏特性的聚氨酯水泥复合材料的制备方法按以下步骤进行：

一、将水泥和导电材料在100℃～110℃温度下烘干；

二、称取聚酯多元醇、破泡剂、催化剂和导电填料，机械搅拌，得混合物；

三、向混合物中加入已烘干的水泥，再与异氰酸酯混合，机械搅拌，得具有压敏特性的聚氨酯水泥复合材料。

所述聚酯多元醇与异氰酸酯、水泥、破泡剂和催化剂的质量比为1：(1～1.2)：(1.5～2.5)：(0～0.005)：(0～0.0001)；

所述水泥与导电材料的质量比为1:(0.010～0.035)；

所述异氰酸酯为固化剂巴斯夫；所述破泡剂为硅油；所述催化剂为苯甲酰氯；所述导电填料为炭黑、短切碳纤、石墨、碳粉、钢纤维中的一种或几种的混合物。

优选地，向步骤二中加入导电材料分散剂，所述导电材料分散剂为甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素中任意一种，其质量占水泥质量的0.6％～0.8％。

所述第一次机械搅拌的时间为1min～5min；

所述第二次机械搅拌的时间为2min～10min。

本发明的具有压敏特性的聚氨酯水泥复合材料在制备过程中需要注意的是，水泥用量以及标号由设计强度决定，导电材料用量所占水泥比例与其种类、长短，掺合方式(单一材料单掺，多种材料混掺)以及水泥用量等综合因素来决定，主要保证其均匀拌和且均匀分散在材料中。必要的时候加入微量的对应导电材料的分散剂。导电材料加多了，会引起材料内部混乱搭接，打结，电阻率低，压敏性能不明显，同时影响材料强度，要控制好用量。拌和过程以及成型养护过程中，要绝水。本材料对水敏感，要在低水或者无水的环境中制作，不然材料会遇水发泡，严重形象结构强度。拌和前要对所用材料进行除水，做适当的烘干处理，拌和时，要在低水或者无水的环境中拌和，装模以后要做隔水处理，在干燥环境中养护，成型。

本发明具有压敏特性的聚氨酯水泥复合材料用于建筑体状态监控装置、压敏加固体、加固梁及建筑结构。

本发明的具有压敏特性的聚氨酯水泥复合材料用于建筑体状态监控装置，包括：

信号采集单元，固定设于预定建筑体，以用于采集预定建筑体的电阻信号并发送至信号转换器；

信号转换单元，与所述信号采集单元电连接，以基于接收到的所述电阻信号和预设的电阻率-应力映射关系表，将所述电阻信号转换为应力信号；

通过预定方式转换为应力信号并发送至信号处理器；

信号处理单元，与所述信号转换器电连接，以用于基于接收到的所述应力信号，获取与所述应力信号相对应的预定建筑体的状态数据并发送至通讯单元；

通讯单元，与所述信号处理单元电连接，用于将接收到的状态数据发送至显示单元以显示。

优选地，所述监控装置还包括：

能源供应单元，分别与所述信号采集单元、所述信号转换单元、所述信号处理单元及所述通讯单元电连接，以提供电能。

本发明具有压敏特性的聚氨酯水泥复合材料用于压敏加固体包括以上所述的监控装置；

其中，所述压敏加固体包括至少一个压敏混凝土结构，其中，所述压敏混凝土包括添加有导电填料的聚酯氨材料；

所述监控装置固定于所述压敏混凝土结构。

优选地，所述压敏混凝土结构上设有用于固定所述监控装置的安装部；

其中，所述安装部设置于所述压敏混凝土结构的内部或所述压敏混凝土结构的外表面，所述监控装置通过所述安装部固定于所述压敏混凝土结构的内部或外表面。

本发明具有压敏特性的聚氨酯水泥复合材料用于加固梁，包括以上所述的压敏加固体，其中，所述加固梁还包括：梁体和支座，其中，所述梁体为一体浇筑结构；

所述支座与所述梁体固定连接以支撑所述梁体，所述压敏加固体固定设置于所述梁体的下缘。

优选地，所述支座包括两个；

所述梁体两端分别设置一个固定部；

所述梁体通过所述固定部固定连接至所述支座以形成凹形结构。

优选地，所述压敏加固体与所述梁体为一体浇筑结构；

所述压敏加固体两端分别设置第一安装部；

所述支座两端分别设置与所述第一安装对应设置的第二安装部；

所述第一安装部与所述第二安装部固定连接以使所述压敏加固体与所述梁体的下缘的表面贴合。

本发明具有压敏特性的聚氨酯水泥复合材料用于建筑结构，包括以上所述的加固梁。

本发明的实施例提供了一种建筑体状态监控装置、压敏加固体、加固梁及建筑结构，其中，所述加固梁通过设置的压敏加固体和监控装置能够实现对自身的状态信息进行检测监控，进而也可以对建筑结构的状态信息进行监控；而且，加固梁采用一体浇筑结构能够有效增强加固梁的强度；而且，由于压敏加固体的存在，也可进一步加强加固梁的强度。

本发明相对于现有技术的优点：

1.本发明通过在聚氨酯水泥中参加少量导电填料，使其电阻随应力应变变化而对应变化，通过电阻信号的采集形成对自身应力、应变具有自感知性能的智能聚氨酯复合材料，实现应力、应变的自监测，随时可对其自身和所加固的结构实时受力和累积损伤做出定量的计算和定性的评价，进而预防重要基础设施突发事故的发生，避免重大经济和社会效益的损失,具有十分广泛的应用前景。

2.聚氨酯水泥复合材料不仅具有较强的抗拉/压强度和刚度，而且与旧混凝土的粘结强度大，不会发生粘结界面的剪切破坏。聚氨酯类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护屏障，增加混凝土耐久性。聚氨酯和水泥其本身都是绝缘材料，加入导电材料后，对其行原有性能影响不大，改变其绝缘的性能，让其具有导电性，又因为在其受荷载时，内部回产生应力、应变，影响其微观结构，是导电材料间距以及搭接方式发生变化，电阻率会随其所受应力变化变化，从而产生材料的拉压敏特性。因其本身力学性能几乎发生变化，所以该材料既适用于受拉构件的加固，又适用于受压构件的加固，加固的同时可以对其所受应力进行监测。材料利用率高、施工工艺简单，加固效果明显，实现监测简单，监测效果明显，适用于桥梁、建筑结构等建筑体构件的加固监测。

附图说明

图1是实施例1制备的导电聚氨酯水泥复合材料压敏特性关系曲线图；

图2是本发明制备的导电聚氨酯水泥复合材料用于建筑体状态监控装置的结构示意图；

图3是本发明制备的导电聚氨酯水泥复合材料用于压敏加固体及加固梁(矩形梁)的结构示意图；

图4是本发明制备的导电聚氨酯水泥复合材料用于压敏加固体及加固梁(T形梁)的结构示意图；

图5是本发明制备的导电聚氨酯水泥复合材料用于压敏加固体及加固梁(箱形梁)的结构示意图；

图6是本发明制备的导电聚氨酯水泥复合材料用于压敏加固体及加固梁(空心板梁)的结构示意图；

图7是本发明导电聚氨酯水泥复合材料制备的加固梁6设置在建筑体下端时的状态结构图；

附图标记说明：1-信号采集单元；2-信号转换单元；3-信号处理单元；4-通讯单元；5-能源供应单元；6-加固梁；61-梁体；611-固定部；62-支座；621-第二安装部；7-压敏加固体；71-安装部；72-第一安装部。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。因此，在不偏离本发明的内容和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

实施例1

本发明具有压敏特性的聚氨酯水泥复合材料的制备方法按以下步骤进行：

一、将水泥和短切碳纤维在100℃温度下烘干；

二、称取聚酯多元醇、硅油、苯甲酰氯和短切碳纤维，机械搅拌1min，得混合物；

三、向混合物中加入已烘干的水泥，再与固化剂巴斯夫20S混合，机械搅拌2min，得具有压敏特性的聚氨酯水泥复合材料；

所述聚酯多元醇与固化剂巴斯夫20S、水泥、硅油和苯甲酰氯的质量比为1：1：1.5：0.003：0.00005；所述水泥与短切碳纤维的质量比为1：0.02。

如图1，通过本实施例得到了由短切碳纤维作为导电填料的具有压敏特性的聚氨酯水泥复合材料，经检测其内部结构的变化与其电阻变化是相对应的，静态电阻率为700Ω·cm，因此可将其用于桥梁或建筑上实时监测承重情况。

实施例2

本发明具有压敏特性的聚氨酯水泥复合材料的制备方法按以下步骤进行：

一、将水泥和炭黑在110℃温度下烘干；

二、称取聚酯多元醇、硅油、苯甲酰氯、炭黑和羟乙基纤维素，机械搅拌5min，得混合物；

三、向混合物中加入已烘干的水泥，再与固化剂巴斯夫20S混合，机械搅拌8min，得具有压敏特性的聚氨酯水泥复合材料；

所述聚酯多元醇与固化剂巴斯夫20S、水泥、硅油和苯甲酰氯的质量比为1：1：1.5：0.003：0.00005；所述水泥与炭黑的质量比为1：0.02，分散剂的质量占水泥质量的0.6％。

通过本实施例得到了由炭黑作为导电填料的具有压敏特性的聚氨酯水泥复合材料，经检测其内部结构的变化与其电阻变化是相对应的，静态电阻率为1200Ω·cm，因此可将其用于桥梁或建筑上实时监测承重情况。

图2是本发明制备的导电聚氨酯水泥复合材料用于建筑体状态监控装置的结构示意图。

如图2所示，建筑体状态监控装置，包括：

信号采集单元1，固定设于预定建筑体，以用于采集预定建筑体的电阻信号并发送至信号转换单元2；需要说明的是，信号采集单元为用于监测压敏结构的电阻值变化的应变仪；当然，也可以包括：压力传感器和/或线性可变差动变压器和/或温度计等，需要说明的是，当还包括压力传感器和/或线性可变差动变压器和/或温度计等时，信号采集单元1也会将压力传感器和/或线性可变差动变压器和/或温度计等采集的信号进行发送至信号转换单元2或者信号处理单元，以分析计算预定建筑体的状态信息；

信号转换单元2，与所述信号采集单元1电连接，以基于接收到的所述电阻信号和预设的电阻率-应力映射关系表，将所述电阻信号转换为应力信号并发送至信号处理单元3；

信号处理单元3，与所述信号转换单元2电连接，以用于基于接收到的所述应力信号，获取与所述应力信号相对应的预定建筑体的状态数据并发送至通讯单元4；其中，信号处理单元3将应力信号通过MADIS等计算软件进行处理，分析预定建筑体的受力，挠度，形变，振动，以及长时间以来的疲劳，预应力损失，材料收缩徐变等，给出相关指标的实时数据，同时对其安全健康情况做出评估，根据应力信号进行分析计算的过程为现有技术，在此不再赘述；

通讯单元4，与所述信号处理单元3电连接，用于将接收到的状态数据发送至显示单元以显示；通讯单元4可以是蓝牙信号发射器，无线电信号发射器等；

所述监控装置，还包括：

能源供应单元5，分别与所述信号采集单元1、所述信号转换单元2、所述信号处理单元3及所述通讯单元4电连接，以提供电能；能源供应单元5可以是化学电源，太阳能电源，机械电源(可由预定建筑体(尤其大跨桥梁)的振动发电)。

图3是本发明制备的导电聚氨酯水泥复合材料用于压敏加固体7的结构示意图；

如图3所示，压敏加固体7，包括以上所述监控装置；

其中，所述压敏加固体7包括至少一个压敏混凝土结构，其中，所述压敏混凝土包括添加有导电填料的聚酯氨材料；

所述监控装置固定于所述压敏混凝土结构。需要说明的是，由添加有导电材料的聚氨酯水泥浇筑而成的压敏混凝土结构，其内部结构的变化与其电阻变化是相对应的，基于智能混凝土的基本原理，通过对电阻信号的采集可实现对所述压敏加固体7进行检测，将检测结果进行分析，进而得到整个加压敏加固体7的状态信息。

所述压敏混凝土结构上设有用于固定所述监控装置的安装部71；

其中，所述安装部71设置于所述压敏混凝土结构的内部或所述压敏混凝土结构的外表面，所述监控装置通过所述安装部71固定于所述压敏混凝土结构的内部或外表面。

其中，需要说明的是，所述安装部71至少包括：信号采集单元安装部；也即，压敏混凝土结构上可以仅设有所述监控装置的信号采集单元1，监控装置的其他单元(信号转换单元2、信号处理单元3、通讯单元4)可以通过外接的方式与信号采集单元1连接，从而处理信号采集单元1采集的信号(比如电阻信号)；信号采集单元1可以内设(内埋)于压敏混凝土结构的内部；也可以贴附于压敏混凝土结构的外表面；

需要说明的是，监控装置的其他单元(信号转换单元2、信号处理单元3、通讯单元4)也可以内设(内埋)于压敏混凝土结构的内部。

能源供应单元5，可以是单独的为监控系统配置的电源，也可以是通过导线外接的电源，其中，当能源供应单元5是单独的为监控系统配置的电源时，能源供应单元5可以设置于压敏混凝土结构的内部，也可以设置在压敏混凝土结构外部。

图4是本发明制备的导电聚氨酯水泥复合材料用于加固梁6的结构示意图；

如图4所示，加固梁6，包括以上所述的压敏加固体7，其中，所述加固梁6还包括：梁体61和支座62，其中，所述梁体61为一体浇筑结构；

所述支座62与所述梁体61固定连接以支撑所述梁体61，所述压敏加固体7固定设置于所述梁体61的下缘。由于，压敏加固体7固定设置于所述梁体61的下缘，所以梁体61受力时，会将所受的力很好地过度给压敏加固体7，由于压敏加固体7设有监控系统，因此，可以通过监控系统监测压敏加固体7的状态信息，进而监测加固梁6的状态信息。

所述加固梁6，所述支座62包括两个；

所述梁体61两端分别设置一个固定部611；

所述梁体61通过所述固定部611固定连接至所述支座62以形成凹形结构。

所述压敏加固体7与所述梁体61为一体浇筑结构；

所述压敏加固体7两端分别设置第一安装部72；

所述支座62两端分别设置与所述第一安装对应设置的第二安装部621；

所述第一安装部72与所述第二安装部621固定连接以使所述压敏加固体7与所述梁体61的下缘的表面贴合。

图7是本发明导电聚氨酯水泥复合材料制备的加固梁6设置在建筑体下端时的状态结构图；

如图7所示，为了更好地实现上述技术方案，本发明的实施例还提供了一种建筑结构，包括以上所述的加固梁6，还包括，设置在加固梁6上的建筑体。

本发明的实施例提供了一种建筑体状态监控装置、压敏加固体、加固梁及建筑结构，其中，所述加固梁通过设置的压敏加固体和监控装置能够实现对自身的状态信息进行检测监控，进而也可以对建筑结构的状态信息进行监控；而且，加固梁采用一体浇筑结构能够有效增强加固梁的强度；而且，由于压敏加固体的存在，也可进一步加强加固梁的强度。