面向智能结构的低碳地聚合物自感知复合材料制备与性能研究

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Manufacturing a low-carbon geopolymer self-sensing composite for intelligent structure

随着智能建筑与基础设施对高灵敏度结构健康监测(SHM)功能的需求日益增长，开发兼具高强度、高灵敏度及低碳特性的智能材料成为研究热点。本研究通过优化前驱体组成（GGBFS/MK/SF）与导电填料（纳米碳黑NCB、镀铜钢纤维CSF）的协同作用，成功制备出地聚合物自感知复合材料(GSCs)。该材料在交联SiO4/AlO4四面体框架内形成三维导电网络，实现规整纳米孔结构、增强导电通路连通性及高应变下结构稳定性。最优配比GSC（60% GGBFS、25% MK、15% SF）的灵敏度系数（GF）高达3853.4，较硅酸盐水泥基材料提升一个数量级，为新一代智能结构提供了创新材料策略。

　　

在智慧城市与数据驱动技术飞速发展的背景下，建筑与基础设施的智能化转型已成为解决高能耗、高碳排放等挑战的关键路径。结构健康监测(SHM)技术通过实时感知建筑结构的变形与损伤，为保障其全生命周期安全提供核心支持。然而，传统传感器（如应变片、压电传感器等）存在成本高、耐久性不足及与水泥基结构兼容性差等问题。自感知水泥基复合材料(SSCCs)虽能同时承担结构承载与传感功能，但其主要胶凝材料——普通硅酸盐水泥(OPC)的生产过程伴随高能耗与碳排放。因此，开发低碳、高性能的替代材料迫在眉睫。

地聚合物(Geopolymer)作为一种通过碱激发铝硅酸盐前驱体（如矿渣、偏高岭土等）形成的胶凝材料，其生产过程可减少50%-70%的碳排放，且因其富含碱金属离子和凝胶孔，即使不添加导电填料也具备优异的导电性。地聚合物自感知复合材料(GSCs)由此成为SSCCs的理想替代者。然而，前驱体组成（如钙、硅、铝氧化物比例）和导电填料（纳米碳黑NCB、镀铜钢纤维CSF等）的复杂性显著影响GSCs的微观结构、力学性能与传感稳定性。现有研究多聚焦于单一性能优化，而对多尺度填料（纳米级NCB与微米级CSF）的协同增强机制尚不明确。

为解决上述问题，同济大学张祖华团队在《Advanced Composites and Hybrid Materials》发表研究，通过系统调控前驱体配比与导电填料组合，制备出兼具高强度、高导电性及卓越自感知性能的GSCs。研究首次揭示了NCB与CSF在三维SiO₄/AlO₄四面体网络中的协同作用机制，并提出低碳、低成本的材料制备策略。

关键技术方法

研究通过多尺度微观结构分析手段探究GSCs的性能调控机制：采用氮气吸附脱附(NAD)和压汞法(MIP)表征孔结构，X射线计算机断层扫描(X-CT)三维重构孔隙与CSF分布；利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)及能谱分析(EDS)揭示界面微观结构；通过电化学阻抗谱(EIS)和等效电路模型解析导电机制；结合三点弯曲试验与电阻实时监测评估自感知性能。所有试样均经过28天标准养护，并在测试前真空干燥以消除湿度影响。

研究结果

1. 1.
   前驱体组成优化提升基础性能
   当GGBFS、MK、SF的比例为60:25:15时（试样S03），GSCs的抗压强度达80.1 MPa，电阻率低至5.74×10⁴kΩ·m。该配比下CaO/SiO₂、CaO/Al₂O₃、SiO₂/Al₂O₃比值分别为0.50、0.75、1.78，富钙环境促进C-(A)-S-H凝胶生成，赋予材料致密微观结构。
2. 2.
   NCB与CSF协同增强力学与电学性能
   单独添加5 wt.% NCB（试样CB3）虽使电阻率降低76.2%，但抗压强度下降21.0%；而掺入2 vol.% CSF（试样SL3/SH3）可提升抗压强度27.7%。混合添加NCB与CSF（试样SC3）的抗压强度恢复至S03水平，电阻率进一步降至150.6 Ω·m。EIS分析表明，混合填料显著降低电荷转移电阻（R_ct从55.81 kΩ·cm²降至9.67 kΩ·cm²），并增强双电层电容效应。
3. 3.
   多尺度孔结构与界面优化
   NAD与MIP结果显示，NCB的纳米填充效应使SC3的平均孔径较S03降低11.4%，而CSF引入的宏观孔隙被NCB细化。X-CT三维分析表明，SC3中小于100 nm的孔隙占比达74.5%，且CSF分散系数（0.954）较SL3（0.368）提升159%，形成更均匀的导电网络。TEM-EDS证实NCB嵌入C-(K)-A-S-H纳米凝胶中，增强界面致密性。
4. 4.
   自感知灵敏度突破性提升
   在弯曲载荷下，SC3的电阻变化率(FCR)与应变呈三阶段响应（弹性、微裂纹扩展、宏观裂纹阶段），其灵敏度系数(GF)达3853.4，较无填料试样（S03）提升一个数量级。该性能源于NCB的隧道效应与CSF的长程导电通路协同，以及离子迁移与电容效应的共同贡献。
5. 5.
   环境与经济性评估
   尽管添加NCB与CSF使GSCs的碳排放增至1138.5 kg CO₂e/m³（较无填料试样增长97.0%），但其成本较传统传感器仍具竞争力。以60% GGBFS为基的GSCs利用工业副产物，显著降低原料碳排放。

结论与展望

本研究通过构建NCB-CSF混合导电系统，实现了GSCs力学强度、导电性及自感知灵敏度的协同优化。最优配比材料在裂纹萌生阶段即具备超高灵敏度（GF=3853.4），为智能基础设施的实时损伤监测提供创新解决方案。未来研究需聚焦于填料空间分布调控、低碳替代原料开发及标准化应用规程建立，以推动GSCs的规模化应用。该工作不仅深化了对地聚合物多尺度增强机制的理解，也为低碳智能材料的设计提供了新范式。