本發明屬于建筑材料領域，具體涉及一種自感知內養護輕質磷石膏骨料及其制備方法。

背景技術：

1、隨著計算機技術的飛速發展和普及，信息技術的發展為建筑智能化提供了基礎，建筑領域開始逐漸應用計算機技術進行建筑設計、施工管理和運行維護等方面。同時通過大數據分析和云計算技術，可以實現對建筑運行狀態的實時監測和優化管理，對自感知混凝土起著重要作用。自感知混凝土應用于各種建筑結構，如橋梁、樓房、隧道等，以及重要的基礎設施項目。它可以幫助工程師和建筑師更好地監測結構的健康狀況，及時發現潛在的問題，提高結構的安全性和可靠性。它依賴于傳感器技術、物聯網技術、大數據與云計算技術等的發展，以及對建筑結構安全性和可持續性需求的增加。利用內置的傳感器網絡，這些傳感器可以監測混凝土結構的應力、應變、溫度、濕度等物理參數。傳感器的信號可以通過無線或有線方式傳輸到數據采集系統，進行實時監測和分析。

2、盡管自感知混凝土具有巨大的潛力，但仍然面臨一些挑戰。其一，傳統粗骨料通常是不導電的，這在自感知混凝土中構成了導電通路的障礙。為了克服這一障礙，研究者嘗試使用導電骨料，如鐵礦石，作為骨料。然而，這些導電骨料的電信號粗糙，可能會影響感知精度，因為它們引入的導電性可能不夠均勻或者穩定。其二，目前自感知混凝土主要用于感知裂縫的開裂規律，這是其在結構健康監測中的一個重要應用。然而，這種感知能力相對有限，因為它主要集中在裂縫的形成和擴展上，對于其他類型的損傷，如腐蝕或疲勞等，感知能力可能不足。其三，目前自感知混凝土的成本相對較高，這主要是由于其特殊的材料和制造工藝。此外，自感知混凝土在生產過程中往往難以消耗固廢，這限制了其在可持續建筑材料領域的應用。

3、隨著現代化進程的加快和工業的不斷發展，工業固廢的數量逐年增加。工業固廢由于管理不善或缺乏有效的處理設施，往往被直接填埋或焚燒，這不僅浪費資源，還對環境造成了污染。磷石膏是一種常見的工業固廢，其可能含有放射性元素和重金屬等有害物質，若處理不當可能對環境造成污染。磷石膏的合理處理需要先進的技術和設備，難以進行處理，應用普遍低值化。因此，本專利利用磷石膏能與水泥發生反應，生成高硫型水化硫鋁酸鈣，并摻雜一定量的導電纖維、外加劑、高聚物等等，制備具有內養護效應和自感知效應的輕質骨料，解決磷石膏難以利用以及自感知骨料感知精度差，成本較高等問題。

技術實現思路

1、本發明專利要解決的技術問題是針對以上不足，提供一種新型功能型自感知輕質骨料及其制備方法，本發明的自感知輕質骨料既能為混凝土提供基本強度，又具有輕質、內養護、自感知的多種功能特性，能夠感知裂縫的形成和擴展，對于其他類型的損傷也均具有自感知的性能。

2、為實現上述目的，本發明的具體技術方案如下：

3、本發明的一方面，提供一種自感知輕質磷石膏骨料，包括磷石膏內核和包裹在磷石膏內核表面的導電柔性涂層；所述磷石膏內核的原料包括磷石膏和質量百分含量1％～5％的導電纖維，所述導電柔性涂層的原料包括聚氨酯彈性體、質量百分含量1～10％的導電填料和質量百分含量2～5%的導電纖維。

4、本發明通過在自感知輕質磷石膏骨料的內核以及導電柔性涂層均添加特定比例的導電纖維，并搭配導電柔性涂層中特定含量的導電填料，形成特殊的網狀導電通路結構-導電網絡，不僅能在內核與導電柔性涂層之間起到有效連接作用，增強界面連接強度，保證混凝土基本強度，還能使得混凝土的導電通路進一步增強，電信號傳導的靈敏度更佳，能夠更容易識別和感知混凝土裂縫的形成和擴展情況，而且還能夠感知到不同外力水平、變形水平、干燥水平以及外界混凝土是否開裂，實現混凝土在不同載荷下對應力、應變、疲勞損傷均具有自感知的性能。

5、在上述技術方案的基礎上，所述磷石膏內核中的導電纖維與導電柔性涂層中的導電纖維種類以及作用相同。

6、在上述技術方案的基礎上，所述導電纖維為不銹鋼纖維、導電芳綸纖維、半碳化聚丙烯腈纖維中的一種或幾種的組合，比電阻為10-2～10-4ω·cm，纖維直徑0.2～0.6mm，纖維長度2～5mm。

7、在上述技術方案的基礎上，所述自感知輕質骨料粒徑為10～20mm，其中，自感知輕質骨料內核的粒徑為8～18mm，自感知輕質骨料導電柔性涂層厚度為2～3mm。所述自感知輕質骨料整體的堆積密度為800kg/m3～1200kg/m3。

8、在上述技術方案的基礎上，所述自感知輕質骨料的磷石膏內核的原料包括磷石膏、赤泥、粉煤灰、水泥、發泡劑a以及導電纖維；所述導電柔性涂層的原料包括聚氨酯彈性體、導電填料、發泡劑b和導電纖維。

9、在上述技術方案的基礎上，所述磷石膏是由磷石膏粉料經生石灰改性后在40℃烘干至恒重得到，所述磷石膏、赤泥、粉煤灰過0.15mm方孔篩。

10、在上述技術方案的基礎上，所述磷石膏內核的原料按重量百分比計包括：磷石膏的摻量為50％～55%，赤泥的摻量為5～10%，粉煤灰的摻量為5％～10％，水泥的摻量為10％～15％，發泡劑a的摻量為0.2％～2％，導電纖維的摻量為1％～5％，水的摻量為20%～25％；所述導電柔性涂層的原料按照質量百分比計算包括聚氨酯彈性體86％～93％，導電填料1%～10%，發泡劑b?0.2％～1％，導電纖維2％～5％。

11、聚氨酯彈性體作為一種新型無溶劑、無污染的綠色材料，其具有良好的彈性、耐磨性、韌性和耐腐蝕性。相比于聚脲、環氧樹脂等彈性體，聚氨酯彈性體雖然硬度稍差，但其彈性和韌性則更為優異。除此之外，在聚氨酯彈性體中加入導電填料，使其本身具有了一定的導電性能，再加上導電纖維使其更有利于電信號的傳導。

12、在上述技術方案的基礎上，所述發泡劑a可以選用鈣酸鹽發泡劑，能夠改善其物理特性和降低密度。鈣酸鹽發泡劑的主要成分是碳酸鈣（caco3）和一些活性劑，如脂肪酸鹽。在混凝土和水泥制品中，鈣酸鹽發泡劑通過在物質中釋放氣體來形成微小氣泡，從而降低材料的密度，并在制品中產生閉孔結構；還能夠降低密度，改善隔熱性能，改善吸水性能，改善施工性能，同時具有一定的環保性。

13、在上述技術方案的基礎上，所述發泡劑b可以選用二甲醚，二甲醚發泡劑是一種表面活性劑型泡沫劑，二甲醚發泡劑可以通過與聚氨酯預聚體反應，產生大量的氣體并快速固化。

14、在上述技術方案的基礎上，所述聚氨酯彈性體是由異氰酸酯組份溶液（a組份）和羥基化合物組份溶液（b組份）通過便攜式噴槍進行噴涂而成。

15、在上述技術方案的基礎上，所述聚氨酯彈性體包括重量比為1：(2.5～4)的異氰酸酯組份和羥基化合物組份，異氰酸酯組份以重量百分含量計包括：異氰酸酯65%～85%，聚合物二元醇15%～35%；所述羥基化合物組份以重量百分含量計包括：擴鏈劑65%～75%，催化劑0～5%，增塑劑20%～30%。

16、在上述技術方案的基礎上，所述異氰酸酯為二苯基甲烷二異氰酸酯（mdi）、液化mdi、甲苯二異氰酸酯（tdi）等的一種或多種組合；所述聚合物二元醇為聚酯二元醇、聚己內酯二醇等的一種或多種組合；所述擴鏈劑為乙二醇、1，4-丁二醇、聯苯胺等的一種或多種組合；所述催化劑為三乙胺、三乙醇胺、丙二胺等的一種或多種組合；所述增塑劑為鄰苯二甲酸二辛酯、三醇磷酸三丁酯、環氧化聚丙烯酯等的一種或多種組合。

17、優選地，所述導電填料為炭黑、石墨烯、微米級氧化銦錫中一種或多種組合。

18、本發明的第二方面，提供一種自感知輕質磷石膏骨料的制備方法，包括步驟：

19、1）按照配比將水泥，赤泥，磷石膏，粉煤灰，發泡劑a，導電纖維進行混合；

20、2）將混合的粉體投入至成球機噴水造粒后，養護、烘干至恒重制成磷石膏內核；

21、3）將聚氨酯彈性體的原料異氰酸酯組份置于噴涂機噴槍的一個膠筒內，將導電填料、發泡劑b、導電纖維以及聚氨酯彈性體的原料羥基化合物組份置于噴槍另一個膠筒內，之后由空壓機為噴槍提供動力推動活塞前進，將兩個膠筒內的組份推進混合管進行混合，并進行霧化后經噴嘴噴出噴到磷石膏內核上，當達到導電柔性涂層粒徑時結束；浸水養護，得到自感知輕質磷石膏骨料。

22、在上述技術方案的基礎上，步驟2）中，所述成球機選用圓盤式成球機，圓盤式成球機進行噴水造粒，轉速為30～45r/min，傾角為45～60°，3～4min后成球得到骨料，接著骨料繼續在成球盤中滾動5～10min制成內核，將制成的骨料內核置于實驗室水箱中養護，實驗室內溫度20±2℃，養護24h后40℃烘干至恒重。

23、本發明的第三方面，提供一種自感知混凝土，原料包括上述任一項所述的一種自感知輕質磷石膏骨料或者采用上述方法制備的自感知輕質磷石膏骨料。

24、與現有技術相比，本發明的有益之處在于：

25、?（1）本發明的功能型自感知輕質骨料，具有輕質、內養護、自感知的特性，因為在骨料的內核和導電柔性涂層中加入了不同的發泡劑，使其質量減輕，但仍具有一定的強度，達到了輕質的效果。同時該骨料具有內養護和自感知的特性，能夠感知到外力水平，變形水平，干燥水平以及外界混凝土是否開裂，提高體積穩定性。使用該骨料不僅在開裂破壞時具備自感知能力，并且由于導電柔性涂層高彈性的作用，實現混凝土在壓(單向、準雙向和三向以及沖擊，單調和循環加載)、拉(單向，劈拉，單調和循環加載)、彎(單向和沖擊，三點彎曲和四點彎曲，單調和循環加載)荷載下對應力、應變、疲勞損傷均具有自感知的性能。

26、（2）在輕質骨料中摻入的導電纖維可以改善混凝土的抗拉強度，抑制裂縫發展，進而提高承載能力與延性，在骨料中加入導電纖維能在改善電阻率的同時，在內部有橋接裂縫的作用，可改善混凝土的脆性。采用本發明方法得到的自感知輕質骨料具有優良的導電性，耐熱性，柔軟性，能夠傳導電信號，使其具有輕質、自感知的特性。

27、（3）在內核中，磷石膏會與水泥水化組分發生水化反應，生成高硫型水化硫鋁酸鈣即鈣礬石，能夠給骨料提供一定的強度；其內部存在的孔隙中會儲存一定量的水，有利于為骨料內養護提供水分；內核中摻雜的網狀纖維，相互搭接，有利于信號的傳遞并起到一定分散應力的作用，減少體積變形，進而提高骨料強度和體積穩定性；內核與導電柔性涂層之間的纖維能夠起到有效連接作用，增強界面連接強度。

28、（4）本發明自感知輕質磷石膏骨料內部含有特殊的導電網絡，相比于一般導電骨料，電信號傳導的靈敏度更佳，由其作為骨料制備的混凝土，在受到外界刺激（荷載及環境因素）時，其內部的電信號會呈現一定的規律性；導電柔性涂層因形變產生的特征性電信號相比于一般材料的電信號更容易識別和感知。當混凝土受到荷載作用時時，會使骨料的導電柔性涂層發生較大的形變，這種形變使得導電柔性涂層中的導電填料和導電纖維的接觸范圍和接觸面積發生變化，在外呈現的電信號也會出相應的變化，比如在受到持續的壓力時（混凝土未出現裂縫），表現出的電信號（fcr）呈緩慢上升趨勢，當混凝土出現裂縫后，fcr上升幅度突然變大，并隨著裂紋條數及寬度的增加表現出不同程度的上升幅度，直至混凝土破壞，由此自感知輕質磷石膏骨料的加入使混凝土具備了自感知能力。

29、（5）對于含有本發明導電柔性涂層磷石膏輕質骨料的混凝土而言，更容易檢測混凝土的結構變化，也使混凝土能夠進行更智能化的檢測和管理。