自感知碳纳米管水泥基复合材料及其在交通参数和结构参数同步探测中的应用

碳纳米管是一种极具潜力的水泥基材料改性填料。本课题将从表面修饰和水泥化学角度协同分散碳纳米管，获得具有低纳米管掺量、优异感知性能和力学性能的碳纳米管水泥基复合材料（含骨料）的大规模制备方法；结合碳纳米管的电子输运特性、复合材料在纳米层次上的结构特性和宏观电导特性，提出自感知碳纳米管水泥基复合材料的电极设计、信号采集和感知特征信号提取方法；研究碳纳米管水泥基复合材料在不同时空条件下的感知"指纹"特征；在上述三方面的基础上，结合微观结构观察、化学分析和数值模拟，明确碳纳米管水泥基复合材料感知性能的产生机理，并提出感知性能的优化方法；最终应用所制备的自感知碳纳米管水泥基材料构建桥面或路面监测系统，对目标桥面或路面的交通参数和结构参数进行同步探测，并建立基于探测数据的交通状况与交通基础设施状态评定方法，进而为交通管理与控制以及交通基础设施的设计与维护提供指导。

碳纳米管是一种优异的纳米增强材料，其长径比高、尺寸小、密度低并具有奇异的物理和化学特性，应用其可发展多功能和智能水泥基复合材料。本项目包括应用碳纳米管研制自感知水泥基复合材料，自感知碳纳米管水泥基复合材料的性能和碳纳米管对水泥基材料的改性机制，以及应用自感知碳纳米管发展交通参数和结构参数同步探测系统三个方面的研究内容，主要从表面修饰和水泥化学角度协同分散碳纳米管，获得了具有低纳米管掺量、优异感知性能和力学性能的碳纳米管水泥基复合材料的大规模制备方法；结合碳纳米管的电子输运特性、复合材料在纳米层次上的结构特性和宏观电导特性，提出了自感知碳纳米管水泥基复合材料的信号采集和感知特征信号提取方法；研究了掺加不同种类和不同掺量碳纳米管的水泥基复合材料的感知性能；在上述三方面的基础上，结合微观结构观察和数值模拟，解释了碳纳米管水泥基复合材料感知性能的产生机理，并提出感知性能的优化方法；最终应用所制备的自感知碳纳米管水泥基材料构建了路面监测系统，所建立的系统可以精确地探测不同车型和车速以及环境下的车载通过，从而可实现交通参数探测。该项目研究成果可为高性能、多功能水泥基复合材料的制备、表征、性能、机理和应用，以及交通管理与控制和交通基础设施的设计与维护提供指导。