CN115259774B - 一种矿化基自感知建筑皮肤及其制备方法和应用 - Google Patents

一种矿化基自感知建筑皮肤及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种矿化基自感知建筑皮肤及其制备方法和应用，属于智能建筑材料技术领域。本发明的碳矿化胶凝材料具有CO2反应活性，能够与CO2发生碳矿化反应生成以碳酸钙或碳酸镁为主的矿化产物，产物组分较为简单，可明显降低建筑皮肤信号衰减程度；而且，相比于以水化硅酸钙为主要产物的水泥基涂料，其对信号衰减程度更低，更有利于建筑皮肤信号无线传输。本发明通过高碳化活性的碳矿化胶凝材料与CO2反应及微传感材料构成感知网络，从而在结构表面形成信号衰减程度低的建筑皮肤，将传统监测技术只能对建筑进行点或线监测转变成面监测。

Description

一种矿化基自感知建筑皮肤及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及智能建筑材料技术领域，尤其涉及一种矿化基自感知建筑皮肤及其制备方法和应用。
背景技术
传感技术是推进物联网和智能建筑建设的关键。物联网与智能建筑的发展，要求各类传感器都与互联网进行信息交互，形成人-物-环互连的传感网络。因此，建筑周围环境的监测技术是智能建筑建设的重要组成部分。建筑周围环境信息，包括温湿度、压力、磁场等均会随着测量位置变化而呈现空间分布特性。而常用的传感技术，监测区域有限，难以准确代表建筑所处环境；并且这些传感器体积大，裸露在建筑表面，影响了建筑美观。有研究利用光纤传感器来监测其周围材料的应变和温度信息，但同样仅限于对结构有限区域的监测。
通过微传感材料与涂层材料构建建筑皮肤，能够实现对结构的全表面监测。然而，有机涂料具有耐老化性和耐高温性不足的问题，水泥基涂层材料一般含有C3S、C2S、C3A、C4AF等矿相，水化产物组成复杂，电磁波在不同水化产物间发生反射，增加了其传播路径。此外，水泥基材料内Fe2+、Fe3+等的相应矿物介电损耗大，从而对电磁波的吸收更强。因此，水泥基涂层材料具有明显的吸波特性。例如，对于8～18GHz的电磁波，水泥基涂层材料对电磁波的衰减率达到65％。
发明内容
本发明的目的在于提供一种矿化基自感知建筑皮肤及其制备方法和应用，可以明显降低建筑皮肤信号衰减程度。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种矿化基自感知建筑皮肤，以重量份数计，包括以下制备原料：碳矿化胶凝材料115～380份，水62～210份，微传感材料20～260份，填料5.5～76份，无机絮凝剂5.6～19份，增强剂3.6～11.2份，改性剂56～218份；所述碳矿化胶凝材料为硅酸三钙、γ型硅酸二钙、β型硅酸二钙、硅酸一钙、二硅酸三钙、氢氧化钙、氢氧化镁、氧化钙、氧化镁、水化硅酸钙和硅铝酸钙中的一种或多种。
优选的，所述填料包括珍珠岩微粉、石灰石粉和玻璃微粉中的一种或多种；所述填料的粒径在20μm以下；
所述无机絮凝剂包括聚合氯化铝、聚合硅酸铝和聚合硫酸铝中的一种或多种。
优选的，所述增强剂包括壳聚糖、无定型硅质材料、聚乙二醇和聚乙烯醇中的一种或多种。
优选的，所述改性剂为纯丙乳液、硅丙乳液和丙烯酸乳液中的一种或多种；所述改性剂的固含量为30％～60％。
优选的，所述微传感材料为MEMS传感器、NEMS传感器中的一种或多种，所述微传感材料的尺寸在2mm以下。
本发明提供了上述方案所述矿化基自感知建筑皮肤的制备方法，包括以下步骤：将碳矿化胶凝材料、水、微传感材料、填料、无机絮凝剂和增强剂混合，得到混合料；将所述混合料涂覆到基体表面，将形成的涂层在含二氧化碳气氛下进行养护，形成矿化基自感知建筑皮肤。
本发明提供了上述方案所述矿化基自感知建筑皮肤的又一制备方法，包括以下步骤：将碳矿化胶凝材料、水、填料、无机絮凝剂和增强剂混合，得到混合料；将微传感材料铺设到基体表面，然后在微传感材料表面涂覆所述混合料，将形成的涂层在含二氧化碳气氛下进行养护，形成矿化基自感知建筑皮肤。
优选的，所述养护之前，还包括对涂层进行干燥，干燥后涂层的含水率为10～20％。
优选的，所述含二氧化碳气氛的压力为0.1～0.3MPa，温度为5～90℃，相对湿度为30～100％，CO2体积浓度为20％以上。
本发明提供了上述方案所述矿化基自感知建筑皮肤或上述方案所述制备方法制备得到的矿化基自感知建筑皮肤在建筑内外墙体、道路交通、轨道交通、桥梁、堤坝或海洋平台中的应用。
本发明提供了一种矿化基自感知建筑皮肤，以重量份数计，包括以下制备原料：碳矿化胶凝材料115～380份，水62～210份，微传感材料20～260份，填料5.5～76份，无机絮凝剂5.6～19份，增强剂3.6～11.2份，改性剂56～218份；所述碳矿化胶凝材料为硅酸三钙、γ型硅酸二钙、β型硅酸二钙、硅酸一钙、二硅酸三钙、氢氧化钙、氢氧化镁、氧化钙、氧化镁、水化硅酸钙和硅铝酸钙中的一种或多种。本发明的碳矿化胶凝材料具有CO2反应活性，能够与CO2发生碳矿化反应生成以碳酸钙或碳酸镁为主的矿化产物，产物组分较为简单，可明显降低建筑皮肤信号衰减程度；而且，相比于以水化硅酸钙为主要产物的水泥基涂料，其对信号衰减程度更低，更有利于建筑皮肤信号无线传输。
此外，碳矿化反应可吸收大量温室气体或者工业尾气，具有显著的环境效益。碳矿化产物主要为碳酸钙或碳酸镁，具有耐老化和耐高温性能优异的特点。
本发明通过高碳化活性的碳矿化胶凝材料与CO2反应及微传感材料构成感知网络，从而在结构表面形成信号衰减程度低的建筑皮肤，将传统监测技术只能对建筑进行点或线监测转变成面监测。本发明可广泛应用于建筑内外墙体，使建筑可以感知环境温湿度、压力、光照辐射变化，辅助构建智慧人居；也可用于道路交通领域，实时监测车流车速，提高道路运行效率，辅助构建车路协同。本发明还可应用于轨道交通、大跨桥梁、大坝工程、海洋平台等大型结构在服役期内的性能与安全监测。
本发明可以通过喷涂、刷涂、滚涂等方式使传感材料均匀分布于建筑表面，具有工艺简单的优点。
具体实施方式
本发明提供了一种矿化基自感知建筑皮肤，以重量份数计，包括以下制备原料：碳矿化胶凝材料115～380份，水62～210份，微传感材料20～260份，填料5.5～76份，无机絮凝剂5.6～19份，增强剂3.6～11.2份，改性剂56～218份；所述碳矿化胶凝材料为硅酸三钙、γ型硅酸二钙、β型硅酸二钙、硅酸一钙、二硅酸三钙、氢氧化钙、氢氧化镁、氧化钙、氧化镁、水化硅酸钙和硅铝酸钙中的一种或多种。
在本发明中，未经特殊说明，所用原料均为本领域熟知的市售商品。
以重量份数计，本发明提供的矿化基自感知建筑皮肤的制备原料包括碳矿化胶凝材料115～380份，优选为150～350份，更优选为200～300份，进一步优选为220～270份。在本发明中，所述碳矿化胶凝材料为硅酸三钙(C3S)、γ型硅酸二钙(γ-C2S)、β型硅酸二钙(β-C2S)、硅酸一钙(CS)、二硅酸三钙(C3S2)、氢氧化钙、氢氧化镁、氧化钙、氧化镁、水化硅酸钙和硅铝酸钙中的一种或多种；当所述碳矿化胶凝材料为上述物质中的多种时，本发明对各碳矿化胶凝材料的配比没有特殊要求，任意配比均可。在本发明中，所述碳矿化胶凝材料的粒度在150μm以下。本发明的碳矿化胶凝材料具有CO2反应活性，能够与CO2发生碳矿化反应生成以碳酸钙或碳酸镁为主的矿化产物，产物组分较为简单，可明显降低建筑皮肤信号衰减程度；而且，相比于以水化硅酸钙为主要产物的水泥基涂料，其对信号衰减程度更低，更有利于建筑皮肤信号无线传输。
以所述碳矿化胶凝材料的重量份数为基准，本发明提供的矿化基自感知建筑皮肤的制备原料包括水62～210份，优选为100～200份，更优选为120～180份。
以所述碳矿化胶凝材料的重量份数为基准，本发明提供的矿化基自感知建筑皮肤的制备原料包括微传感材料20～260份，优选为50～220份，更优选为80～200份，进一步优选为100～160份。在本发明中，所述微传感材料优选为MEMS传感器和NEMS传感器中的一种或多种，所述微传感材料的最大边长优选在2mm以下。在本发明中，所述MEMS传感器或NEMS传感器优选包括温湿度传感器、压力传感器、振动传感器、速度传感器和磁场传感器中的一种或多种。在本发明中，所述MEMS传感器或NEMS传感器内集成感知芯片和射频芯片，其感知芯片所监测信号可通过射频芯片蓝牙无线传输至移动终端。在本发明中，所述MEMS传感器或NEMS传感器供电方式优选包括微电源供电、振动能转换为电能供电和太阳能转化为电能供电中的一种或多种，本发明对此不做特殊限定。在本发明中，所述微传感材料具有优异的防水性能。
以所述碳矿化胶凝材料的重量份数为基准，本发明提供的矿化基自感知建筑皮肤的制备原料包括填料5.5～76份，优选为10～70份，更优选为20～60份，进一步优选为30～50份。在本发明中，所述填料优选包括珍珠岩微粉、石灰石粉和玻璃微粉中的一种或多种。当所述填料包括上述物质中的多种时，本发明对各填料的配比没有特殊要求，任意配比均可。在本发明中，所述填料的粒径优选在20μm以下。在本发明中，所述填料的作用是填充碳矿化涂料孔隙，降低孔隙率。
以所述碳矿化胶凝材料的重量份数为基准，本发明提供的矿化基自感知建筑皮肤的制备原料包括无机絮凝剂5.6～19份，优选为7～15份，更优选为10～13份。在本发明中，所述无机絮凝剂优选包括聚合氯化铝、聚合硅酸铝和聚合硫酸铝中的一种或多种；当所述无机絮凝剂包括上述物质中的多种时，本发明对各物质的配比没有特殊要求，任意配比均可。在本发明中，所述无机絮凝剂的作用是提高涂层与基体的粘结能力。
以所述碳矿化胶凝材料的重量份数为基准，本发明提供的矿化基自感知建筑皮肤的制备原料包括增强剂3.6～11.2份，优选为5～10份，更优选为7～8份。在本发明中，所述增强剂优选包括壳聚糖、无定型硅质材料、聚乙二醇和聚乙烯醇中的一种或多种；当所述增强剂包括上述物质中的多种时，本发明对各增强剂的配比没有特殊要求，任意配比均可。在本发明中，所述增强剂可以在碳矿化反应中促进钙离子溶出，从而诱导生成更多碳酸钙。
以所述碳矿化胶凝材料的重量份数为基准，本发明提供的矿化基自感知建筑皮肤的制备原料包括改性剂56～218份，优选为70～200份，更优选为90～180份，进一步优选为110～160份。在本发明中，所述改性剂优选为纯丙乳液、硅丙乳液和丙烯酸乳液中的一种或多种；所述改性剂的固含量优选为30％～60％，更优选为35％～55％，进一步优选为40％～50％。在本发明中，所述改性剂可以在混合料制备过程中改善混合料均质性，避免混合料分层。
本发明提供了上述方案所述矿化基自感知建筑皮肤的制备方法，可以采用两种方法制备。
方法一：所述矿化基自感知建筑皮肤的制备方法包括以下步骤：将碳矿化胶凝材料、水、微传感材料、填料、无机絮凝剂和增强剂混合，得到混合料；将所述混合料涂覆到基体表面，将形成的涂层在含二氧化碳气氛下进行养护，形成矿化基自感知建筑皮肤。
方法二：所述矿化基自感知建筑皮肤的制备方法包括以下步骤：将碳矿化胶凝材料、水、填料、无机絮凝剂和增强剂混合，得到混合料；将微传感材料铺设到基体表面，然后在微传感材料表面涂覆所述混合料，将形成的涂层在含二氧化碳气氛下进行养护，形成矿化基自感知建筑皮肤。
下面先对方法一进行说明。
本发明将碳矿化胶凝材料、水、微传感材料、填料、无机絮凝剂和增强剂混合，得到混合料。
在本发明中，所述混合优选包括：将无机絮凝剂、增强剂、改性剂与水混合，得到液体混合物；将碳矿化胶凝材料、填料与所述液体混合物混合，得到中间混合料，将所述中间混合料与微传感材料混合，得到混合料。
得到混合料后，本发明将所述混合料涂覆到基体表面，将形成的涂层在含二氧化碳气氛下进行养护，形成矿化基自感知建筑皮肤。
本发明对所述基体的材质没有特殊要求，具体的可以为石材、钢材、木材。本发明对所述涂覆的方式没有特殊要求，采用本领域熟知的涂覆方式即可，具体的如喷涂、刷涂、滚涂、压制。本发明优选采用喷涂。当采用喷涂时，所述喷涂所用喷枪的喷涂口径优选为0.5～3mm，喷涂距离优选为15～30cm，喷涂厚度优选为0.1～3mm。完成所述涂覆后，本发明优选将形成的涂层进行干燥，然后再在含二氧化碳气氛下进行养护。在本发明中，所述干燥的温度优选为40℃，所述干燥后涂层的含水率优选为10～20％，更优选为12～18％。本发明通过控制涂层的含水率为10～20％，保证CO2的溶解和扩散；含水率较高会抑制CO2溶解和扩散。
在本发明中，所述含二氧化碳气氛的压力优选为0.1～0.3MPa，更优选为0.15～0.25MPa；温度优选为5～90℃，更优选为15～60℃，进一步优选为20～40℃；相对湿度优选为30～100％，更优选为40～80％，进一步优选为50～70％；CO2体积浓度优选为20％以上，更优选为20～99.9％，进一步优选为30～99.9％。在本发明中，所述CO2优选来源于热电厂、钢铁厂等工业窑炉尾气，既可通过富集技术将CO2气体浓度提升后使用，也可以直接将尾气引入碳化釜内使用。在本发明中，所述养护的时间优选为2～24h，更优选为5～20h，进一步优选为10～15h。
本发明在所述养护过程中，碳矿化胶凝材料与CO2发生碳矿化反应生成以碳酸钙或碳酸镁为主的矿化产物，产物组分较为简单，可明显降低建筑皮肤信号衰减程度；而且，相比于以水化硅酸钙为主要产物的水泥基涂料，其对信号衰减程度更低，更有利于建筑皮肤信号无线传输。
下面对方法二进行说明。
本发明将碳矿化胶凝材料、水、填料、无机絮凝剂和增强剂混合，得到混合料。在本发明中，所述混合优选包括：将无机絮凝剂、增强剂、改性剂与水混合，得到液体混合物；将碳矿化胶凝材料、填料与所述液体混合物混合，得到混合料。
本发明将微传感材料铺设到基体表面，然后在微传感材料表面涂覆所述混合料，将形成的涂层在含二氧化碳气氛下进行养护，形成矿化基自感知建筑皮肤。
本发明对所述铺设的阵列没有特殊要求，可以为线型、圆形、方形、圆柱面或球面，优选为方形。在本发明中，所述铺设阵列内相邻微传感材料的间距优选为0.05～2cm，更优选为0.5cm。铺设完后，后续的步骤参照方法一，这里不再赘述。
本发明提供了上述方案所述矿化基自感知建筑皮肤或上述方案所述制备方法制备得到的矿化基自感知建筑皮肤在建筑内外墙体、道路交通、轨道交通、桥梁、堤坝或海洋平台中的应用。
本发明通过高碳化活性的碳矿化胶凝材料与CO2反应及微传感材料构成感知网络，从而在结构表面形成信号衰减程度低的建筑皮肤，将传统监测技术只能对建筑进行点或线监测转变成面监测。本发明可广泛应用于建筑内外墙体，使建筑可以感知环境温湿度、压力、光照辐射变化，辅助构建智慧人居；也可用于道路交通领域，实时监测车流车速，提高道路运行效率，辅助构建车路协同。本发明还可应用于轨道交通、大跨桥梁、大坝工程、海洋平台等大型结构在服役期内的性能与安全监测。
下面结合实施例对本发明提供的矿化基自感知建筑皮肤及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
胶凝材料为γ～C2S，粒度为150μm以下，微传感材料为MEMS振动传感器，最大边长为1.5mm，填料为石灰石粉，无机絮凝剂为聚合氯化铝絮凝剂，增强剂为壳聚糖，改性剂为纯丙乳液，固含量为40％。
以重量份数计，取γ～C2S材料320份，MEMS振动传感器160份，水176份，石灰石粉16份，聚合氯化铝絮凝剂12.8份，壳聚糖8.5份，纯丙乳液158份。将聚合氯化铝絮凝剂、壳聚糖、纯丙乳液与水混合，得到液体混合物；将γ～C2S、石灰石粉与所述液体混合物混合，得到中间混合料，将所述中间混合料与MEMS振动传感器混合，得到混合料，喷涂在石材表面，喷涂口径为2mm，喷涂距离为25cm，厚度为1.8mm，置于40℃烘箱中控制含水率为15％。将控水后涂层置于CO2氛围中养护得到矿化基建筑皮肤，养护温度25℃，相对湿度50％，气压为0.2MPa，时间为12h；CO2气体来源为从工业废气中富集得到的高浓度CO2气体，体积浓度为99％。通过手机蓝牙与建筑皮肤连接，对信号强度进行检测。
实施例2
与实施例1的区别仅在于，微传感材料为180份MEMS振动传感器，其他同实施例1。
实施例3
与实施例1的区别仅在于，微传感材料为200份MEMS振动传感器，其他同实施例1。
实施例4
与实施例1的区别仅在于，胶凝材料为320份CS，其他同实施例1。
实施例5
与实施例1的区别仅在于，先将MEMS振动传感器预先按方形阵列铺设在石材表面，阵列内相邻MEMS振动传感器间距为0.5cm，再进行混合料涂覆，其他同实施例1。
对比例1
胶凝材料为白水泥(不含C4AF)，粒径为50μm以下，微传感材料为MEMS振动传感器，填料为石灰石粉，无机絮凝剂为聚合氯化铝絮凝剂，改性剂为纯丙乳液，固含量为40％。取白水泥320份，MEMS振动传感器160份，水176份，石灰石粉16份，聚合氯化铝絮凝剂12.8份，纯丙乳液158份。将水、纯丙乳液混合，并与白水泥、MEMS振动传感器、石灰石粉混合均匀制得混合料，将混合料喷涂在石材表面，喷涂口径为2mm，喷涂距离为25cm，厚度为1.8mm，置于温度20±2℃、相对湿度95％的标准养护室内养护28天，得到白水泥基建筑皮肤。通过手机蓝牙与建筑皮肤连接，对信号强度进行检测。
对比例2
与对比例1的区别仅在于，胶凝材料为P·Ⅰ42.5普通硅酸盐水泥320份，其他同对比例1。
对各实施例和对比例的信号强度RSSI进行检测，结果如表1所示。表中，RSSI的数值越接近于0，则代表接收到的信号越强。
表1实施例1～5与对比例1～2制备的建筑皮肤信号强度RSSI
Figure BDA0003771291560000091
由表1可知，与对比例1～2相比，本发明所制的矿化基建筑皮肤RSSI值更接近于0，说明其信号强度更强，因此与通过水化反应生成以水化硅酸钙为主的水化产物相比，通过碳矿化反应生成以碳酸钙为主的矿化产物更有利于建筑皮肤信号传输。另一方面，分析实施例1～3可知，微传感材料使用量增加，也可提高建筑皮肤信号强度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种矿化基自感知建筑皮肤，其特征在于，以重量份数计，包括以下制备原料：碳矿化胶凝材料115~380份，水62~210份，微传感材料20~260份，填料5.5~76份，无机絮凝剂5.6~19份，增强剂3.6~11.2份，改性剂56~218份；所述碳矿化胶凝材料为硅酸三钙、γ型硅酸二钙、β型硅酸二钙、硅酸一钙、二硅酸三钙、氢氧化钙、氢氧化镁、氧化钙、氧化镁、水化硅酸钙和硅铝酸钙中的一种或多种；所述微传感材料的供电方式包括微电源供电、振动能转换为电能供电和太阳能转化为电能供电中的一种或多种；所述矿化基自感知建筑皮肤经碳化养护形成。
2.根据权利要求1所述的矿化基自感知建筑皮肤，其特征在于，所述填料包括珍珠岩微粉、石灰石粉和玻璃微粉中的一种或多种；所述填料的粒径在20μm以下；
所述无机絮凝剂包括聚合氯化铝、聚合硅酸铝和聚合硫酸铝中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的矿化基自感知建筑皮肤，其特征在于，所述增强剂包括壳聚糖、无定型硅质材料、聚乙二醇和聚乙烯醇中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的矿化基自感知建筑皮肤，其特征在于，所述改性剂为纯丙乳液、硅丙乳液和丙烯酸乳液中的一种或多种；所述改性剂的固含量为30%~60%。
5.根据权利要求1所述的矿化基自感知建筑皮肤，其特征在于，所述微传感材料为MEMS传感器和NEMS传感器中的一种或多种，所述微传感材料的尺寸在2mm以下。
6.权利要求1~5任一项所述矿化基自感知建筑皮肤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将碳矿化胶凝材料、水、微传感材料、填料、无机絮凝剂和增强剂混合，得到混合料；将所述混合料涂覆到基体表面，将形成的涂层在含二氧化碳气氛下进行养护，形成矿化基自感知建筑皮肤。
7.权利要求1~5任一项所述矿化基自感知建筑皮肤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将碳矿化胶凝材料、水、填料、无机絮凝剂和增强剂混合，得到混合料；将微传感材料铺设到基体表面，然后在微传感材料表面涂覆所述混合料，将形成的涂层在含二氧化碳气氛下进行养护，形成矿化基自感知建筑皮肤。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述养护之前，还包括对涂层进行干燥，干燥后涂层的含水率为10~20%。
9.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述含二氧化碳气氛的压力为0.1~0.3MPa，温度为5~90℃，相对湿度为30~100%，CO2体积浓度为20%以上。
10.权利要求1~5任一项所述矿化基自感知建筑皮肤或权利要求6~9任一项所述制备方法制备得到的矿化基自感知建筑皮肤在建筑内外墙体、道路交通、轨道交通、桥梁、堤坝或海洋平台中的应用。
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