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鋼筋混凝土（RC）結(jié)構(gòu)支撐橋梁、高層建筑和水壩等關(guān)鍵設(shè)施，對現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要。盡管它們具有高強(qiáng)度和耐用性，但這些結(jié)構(gòu)容易因環(huán)境因素，負(fù)載變化和材料老化而開裂。所以這些裂縫的早期檢測和監(jiān)測對于保持結(jié)構(gòu)完整性和確保安全至關(guān)重要。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）方法，如目視檢查和標(biāo)準(zhǔn)傳感技術(shù)，已被證明是不夠的。這些方法很難檢測可能導(dǎo)致重大后果的小裂縫，且不能進(jìn)行持續(xù)的實時監(jiān)測。因此，迫切需要先進(jìn)的實時監(jiān)控RC結(jié)構(gòu)的SHM技術(shù)，來確?；A(chǔ)設(shè)施的安全。

近年來，隨著碳基納米復(fù)合材料的智能傳感技術(shù)的發(fā)展，SHM技術(shù)取得了顯著進(jìn)展。碳納米材料，如碳納米管（CNTs）、石墨烯、石墨碳和混合納米結(jié)構(gòu)，因其熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性以及電氣和電子性能而得到廣泛使用。其中，碳納米管以其獨特的細(xì)長束形狀的結(jié)構(gòu)特征，可提供更高的機(jī)械強(qiáng)度和彈性。此外，與其他材料相比，它的成本效益可使其作為關(guān)鍵納米材料應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)，如民用、航空和空間基礎(chǔ)設(shè)施中的SHM應(yīng)用。其中，一種由CNT/PU復(fù)合材料組成的智能皮膚，可用于檢測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫。但是CNT在PU材料中的分散性是一大難題。與其他混合技術(shù)相比，三輥機(jī)具有明顯的優(yōu)勢。在分散過程中使用三輥機(jī)能確保產(chǎn)品通過兩個剪切區(qū)。要制作CNT/PU復(fù)合材料，沒有比三輥機(jī)更有效的工具了。所以我們采用TRILOS TR50M三輥機(jī)來分散CNT/PU復(fù)合材料。  

TRILOS TR50M三輥機(jī)為基本型三輥機(jī)。特別針對處理量相對較少，精度要求相對較低的客戶而進(jìn)行開發(fā)的超小型研磨設(shè)備。結(jié)構(gòu)設(shè)計簡潔，尺寸較小，體積輕便，采用無極調(diào)速控制流量，機(jī)械方式調(diào)節(jié)間距。

圖1 TRILOS TR50M 三輥機(jī)

實驗步驟：

智能皮膚是通過將CNT均勻分散在PU基質(zhì)中制成的，如圖2所示。首先，用50ml丙酮作為分散劑溶解高粘度PU樹脂，使用超聲波破碎儀，以脈沖模式（打開15s，關(guān)閉15s）運行80min，將CNT分散在PU基質(zhì)中。為了盡量減少超聲波破碎儀的過熱影響，將含混合物的燒杯放置在裝滿冰的大燒杯中。然后，將分散后的混合物放置在60℃的加熱板上24h，以蒸發(fā)丙酮。將PU硬化劑加入到混合物中，并使用TRILOS TR50M三輥機(jī)將其充分分散。將混合物涂覆至0.7 mm的厚度，并將其真空干燥24h。最后，將硬化后的樣品切成70mmⅹ10mm的樣品。我們制備了CNT濃度在0-7 wt%范圍內(nèi)變化的樣品，并對智能皮膚進(jìn)行電導(dǎo)率等性能的測量。

圖2 智能皮膚的制備過程

結(jié)果與討論：

1. 智能皮膚的電導(dǎo)率

圖3a為智能皮膚的電導(dǎo)率與CNT濃度的關(guān)系。純PU材料的電導(dǎo)率約為1ⅹ10^-10 S/m，表明其絕緣特性。將CNT導(dǎo)電納米材料加入到PU基質(zhì)中，隨著CNT的濃度從1wt%增至5wt%，PU基質(zhì)內(nèi)形成了導(dǎo)電通路，電導(dǎo)率也隨之增加。當(dāng)CNT的濃度超過5wt%時，導(dǎo)電路徑變得飽和，電導(dǎo)率沒有顯著變化。圖3b為智能皮膚的掃描電鏡（SEM）圖像，展示了嵌入PU基質(zhì)中的CNT之間完善的導(dǎo)電通路。

圖3 智能皮膚的電性能：（a）導(dǎo)電性；（b）SEM（5wt%）

2. 智能皮膚的機(jī)電特性

與純PU相比，添加5 wt%的CNT顯著提高了性能，將最大拉伸應(yīng)力從2.1MPa提高到4.5MPa。圖4b表明，添加CNT導(dǎo)致楊氏模量增加，極限拉伸應(yīng)變降低。最大拉伸應(yīng)變從309%下降到101%，下降了約67%。這種趨勢主要歸因于高強(qiáng)度和剛度的CNT的良好分散。使用TRILOS三輥機(jī)制造的智能皮膚確保了CNT在PU基質(zhì)中的均勻分散，從而增強(qiáng)了PU和CNT之間的界面粘附等相互作用。

圖4c、d分別顯示了智能皮膚在全范圍應(yīng)變和斷裂應(yīng)變下的電性?？梢郧宄乜吹?，所有樣品的電阻都隨著拉伸應(yīng)變的增加而增加。在全范圍應(yīng)變下，隨著CNT濃度的增加，電阻的電性迅速增加。智能皮膚的拉伸應(yīng)變靈敏度是通過將電阻的分?jǐn)?shù)變化除以拉伸應(yīng)變來計算的，如圖4c、d的小圖所示。較低濃度的CNT對應(yīng)于較高的拉伸應(yīng)變靈敏度。在斷裂應(yīng)變下，所有樣品的拉伸應(yīng)變靈敏度始終保持在10左右。如表1所示，智能皮膚的所有樣品的應(yīng)變靈敏度都比傳統(tǒng)金屬型應(yīng)變計高3.1倍以上。

表1 拉伸應(yīng)變靈敏度 vs CNT濃度

圖4（a）應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）最大拉伸應(yīng)變和楊氏模量；（c）全范圍應(yīng)變下的電阻的分?jǐn)?shù)變化；

（d）在斷裂應(yīng)變下電阻的分?jǐn)?shù)變化

3. 智能皮膚在鋼筋混凝土（RC）結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

圖5為用于RC結(jié)構(gòu)的智能皮膚的測試裝置。為了驗證智能皮膚作為裂縫監(jiān)測傳感器的功能，對一個長700mm、寬150mm、高150mm的矩形RC結(jié)構(gòu)進(jìn)行了四點彎曲測試。測試以1.2 kN/min的恒定位移速率進(jìn)行，直到RC結(jié)構(gòu)的斷裂點。為了檢查有裂縫的部分，在RC結(jié)構(gòu)的底面上的五個部位涂覆了智能皮膚，每個部位的尺寸是：長70mm，寬10mm，厚0.7mm。智能皮膚的CNT濃度選為5wt%，在機(jī)械變形和環(huán)境變化下表現(xiàn)出穩(wěn)定的電性。使用銅帶、銅線和銀墨在每個部位的兩端形成電極，并將其連接到數(shù)據(jù)采集器，以每秒的間隔記錄智能皮膚的電阻。同時，在智能皮膚附近連接應(yīng)變計，以測量RC結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的裂縫寬度。

圖5應(yīng)用于RC結(jié)構(gòu)的智能皮膚測試裝置

圖6為測試后出現(xiàn)裂縫的RC結(jié)構(gòu)的圖像。在B、C和D部位觀察到裂縫，其中，B部位發(fā)現(xiàn)的裂縫寬度最大。裂縫生長后，所有部位的智能皮膚都保持完整。特別是在B部位，應(yīng)變計無法承受裂縫生長并脫落，這與智能皮膚的性能形成鮮明對比。另外，智能皮膚僅在裂縫形成階段出現(xiàn)電變化，而在裂縫未生長時沒有觀察到電變化。在裂縫寬度變化的循環(huán)過程中表現(xiàn)出優(yōu)異的重現(xiàn)性和可靠性。表明采用TRILOS三輥機(jī)制備的智能皮膚，適用于RC結(jié)構(gòu)的裂縫監(jiān)測傳感器。做為SHM傳感器，可與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成并在智慧城市中實施。

圖6試驗后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)剖面圖裂縫狀況圖

(左圖為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)側(cè)面圖，右圖為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)底部圖，箭頭表示受力方向)

TRILOS公司介紹

TRILOS（泰洛思）是精密設(shè)備制造商，視客戶滿意為終極目標(biāo)，力求將出色的工藝技術(shù)結(jié)合客戶的實際需求，設(shè)計出貼近客戶所需的產(chǎn)品。

泰洛思正在積極開拓全球市場，目前產(chǎn)品已經(jīng)在美國、中國、歐洲、韓國、日本和臺灣等地區(qū)獲得了廣泛應(yīng)用。

TRILOS三輥機(jī)優(yōu)點：

① TRILOS三輥機(jī)采用一次循環(huán)，有可能完全實現(xiàn)物質(zhì)的均質(zhì)化與分散，減少顆粒尺寸，打破團(tuán)聚粒子。其結(jié)果是均質(zhì)化的漿料，可為物料的進(jìn)一步加工打下良好的基礎(chǔ)。

② 可用觸摸屏實現(xiàn)每個輥間距離調(diào)節(jié)，確保輥子平行度。彈性張緊的刮刀插口確保刮刀恒壓，在操作過程中不需要重新調(diào)節(jié)。

③ 不同材質(zhì)的輥子都可以使用，輥子及刮刀材質(zhì)的選擇-從不銹鋼到氧化鋁，碳化硅及氧化鋯-滿足各種不同需要。

④ 三輥機(jī)上的安全裝置確保操作人員的安全，機(jī)器可簡易而及其快速的清洗。

⑤ TRILOS的物聯(lián)網(wǎng)、智能化三輥機(jī)解決方案，解決了客戶在使用中遇到的數(shù)據(jù)無法量化分析，數(shù)據(jù)丟失，設(shè)備互相獨立，無法聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行管理和控制等等方面的問題。讓客戶可以對設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對員工進(jìn)行權(quán)限分配和管理，設(shè)備運行過程保持全程記錄和備份，利于加工過程參數(shù)的研究和設(shè)計開發(fā)。此外，智能物聯(lián)平臺還可以接入混料機(jī)、三輥機(jī)、上料機(jī)、均質(zhì)機(jī)等設(shè)備平臺，同時可以接入在線粘度計、在線粒度儀、在線近紅外分析儀等儀器進(jìn)行實時監(jiān)控。

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