仿“神经系统”水泥基二元耦合自感知体系的构建及其机理研究

Cement based self-sensing materials is an important way of online intelligent monitoring for large civil engineering structure. Carbon nanotube is one of the perfect conductive fillers because of its excellent mechanical and electrical properties. The individual carbon nanotube conductive network effected by the barrier of cement paste, has been very difficult to further improve the system electrical properties. And it is also very difficult to solve the dispersion problem of carbon nanotubes. In this project, the carbon nanotubes are modified by hydrophilic polypyrole conducting polymer with in-situ polymerization method, and then used in cement matrixas filler. The hydrophilic polypyrole can be used to solve the agglomeration problem of carbon nanotubes, and form a new polymer conductive network in the cement paste. The polymer conductive network and the carbon nanotube conductive network can work each other in coordination, reduce the barrier of cement paste, and then formthe simulate “nervous system” abinary-coupling self-sensing system. In this research, the influence of hydrophilic polypyrole to the cement hydration reaction process will be revealed by the factors of microtopography, hydration heat releasing and hydration degree, etc. The interaction mechanism of abinary-coupling self-sensing system will be analysed by the percolation theory, field emission theory and field emission theory, and then the theoretical model will be built to provide theoretical basis for the follow-up related research work.

水泥基自感知材料是对大型土木工程结构进行在线智能监测的重要手段，碳纳米管因其优异的力学与电学性能成为了其中最理想的导电填料之一。但是单一的碳纳米管导电网络受水泥浆体势垒的影响，难以进一步提高体系的电学性能，碳纳米管的团聚问题也无法根本解决。本项目拟通过原位聚合法在碳纳米管表面生长水性聚吡咯导电高分子，并作为填料添加在水泥基体中。亲水性的聚吡咯不但可以克服碳纳米管的团聚问题，还可以在水泥浆体中形成新的聚合物导电网络。聚合物导电网络与碳纳米管导电网络相互协同作用，降低水泥浆体的势垒，形成应力响应的仿“神经系统”二元耦合自感知体系。本项目还将通过微形貌、水化放热情况、水化程度等因素，研究水性聚吡咯对水泥水化反应进程的影响，并结合渗滤理论、隧穿效应、电场发射理论、ANSYS模拟等理论与手段，对二元耦合自感知体系的作用机理进行分析并建立理论模型，为后续的相关研究工作提供理论基础。

水泥基自感知材料是对大型土木工程结构进行在线智能监测的重要手段，碳纳米管因其优异的力学与电学性能成为了其中最理想的导电填料之一。但是碳纳米管导电网络在达到渗滤阈值以后无法进一步提高体系的电学性能，而且碳纳米管的团聚问题也无法根本解决。本项目通过原位聚合的方法在碳纳米管表面生长水性聚吡咯导电高分子，并将其作为填料添加在水泥基体中。亲水性的聚吡咯不但可以起到空间位阻的作用，克服碳纳米管的团聚问题，还可以在水泥浆体中形成新的聚合物导电网络，进一步提高水泥基复合材料的电学性能。聚合物导电网络与碳纳米管导电网络相互协同作用，降低水泥浆体的势垒，形成应力响应的二元耦合自感知体系。分别研究了木质素磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、苯磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠等亲水剂对聚吡咯亲水性与导电性的影响，结果表明当木质素磺酸钠含量为40wt%时，接触角最小为34.18°，相较本征态聚吡咯降低了74.7%。而此时其电导率也增加到147.39s/cm，相比于本征态聚吡咯的9.79s/cm提高了15.2倍。按照上述配比，将其与碳纳米管进行原位复合，当碳纳米管含量为35wt%时，水性聚吡咯对碳纳米管的包覆效果最好，而且电导率也提升到297.62s/cm。分别将水性聚吡咯及其碳纳米管复合材料作为导电填料，加入到水泥浆体当中，研究表明水性聚吡咯含量为1.25wt%时，电阻率最低，为402 KΩ.cm，相比于未掺杂水泥材料电阻率的107Ω.cm降低了95.6%，且在水泥基复合材料含水率≤8%时具有良好的湿敏特性，未来在大型基础设施在线监测领域可以用于对环境湿度的修正，提高在线监测的准确性。水性聚吡咯掺量为0.5wt%时，材料具有最佳的压敏特性，在受压为0-2000N区间，电阻率变化率可以持续发生显著变化。通过对微观形貌、水化反应情况、水化程度等因素的分析，研究水性聚吡咯及其碳纳米管复合材料对水泥水化反应进程的影响，并结合渗滤理论、隧穿效应、电场发射理论，对二元耦合自感知体系的作用机理进行分析，为后续的相关研究工作提供理论基础。