Nouveaux matériaux cimentaires à mécanoluminescence pour l'application de la surveillance et de l'enregistrement des contraintes visibles

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8388 (2023) Citer cet article

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Le développement d'une détection visuelle précise et en temps réel des contraintes est crucial pour le domaine de l'ingénierie du bâtiment. Ici, une nouvelle stratégie est explorée pour le développement de nouveaux matériaux cimentaires par agrégation hiérarchique de matériaux luminescents intelligents et de matériaux à base de résine. Le matériau cimentaire avec une telle structure en couches est intrinsèquement capable de visualiser la surveillance et l'enregistrement des contraintes en convertissant la contrainte en lumière visible. Le spécimen fabriqué par le nouveau matériau cimentaire pourrait émettre de manière répétitive de la lumière visible verte sous excitation d'une impulsion mécanique pendant 10 cycles, suggérant que le matériau cimentaire présente des performances hautement reproductibles. De plus, les simulations numériques et l'analyse des modèles de contrainte indiquent que le temps de luminescence est synchrone avec la contrainte et l'intensité d'émission est proportionnelle à la valeur de contrainte. À notre connaissance, il s'agit de la première étude montrant que le matériau cimentaire réalise une surveillance et un enregistrement visibles des contraintes, ce qui fournit de nouvelles perspectives pour explorer les matériaux de construction multifonctionnels modernes.

Les matériaux cimentaires jouent un rôle très important dans le développement de la civilisation humaine, en particulier pour le domaine de la construction moderne1,2,3,4,5. Cependant, les structures du bâtiment deviennent de plus en plus complexes avec l'amélioration de la conception structurelle et de la capacité de traitement des matériaux, ce qui conduit à la difficulté de détection de la répartition des contraintes sur la structure. De plus, la répartition des contraintes sera modifiée en raison des environnements de service complexes tels que la charge alternée, la fatigue due à la corrosion ou les fissures, qui peuvent entraîner une rupture de la structure. Actuellement, les méthodes de détection de contrainte comprennent principalement la méthode de mesure électrique et la méthode de réseau, qui convertit le signal de contrainte en signal électrique ou en signal optique6,7,8,9,10,11,12. Cependant, les méthodes actuelles ne peuvent collecter qu'un seul point de données à la fois grâce à un instrument spécifique, il est difficile d'observer rapidement et avec précision la répartition des contraintes de l'ensemble de la structure par les yeux humains. Par conséquent, il est important d'explorer une nouvelle méthode pour réaliser une surveillance visuelle et un enregistrement du stress.

À l'heure actuelle, c'est une méthode courante pour explorer de nouveaux matériaux cimentaires intelligents en ajoutant des matériaux intelligents13,14,15,16,17. Dans ce cas, des matériaux cimentaires luminescents ont été obtenus en combinant du phosphore avec un matériau cimentaire18,19,20. Cependant, la recherche actuelle ne réalise que l'émission de lumière visible et il n'y a pas d'application approfondie de la lumière visible. Il est bien connu que la lumière visible est un signal très simple à observer par les yeux humains, donc si le matériau cimentaire peut convertir la contrainte en lumière visible, la détection visuelle de la contrainte peut être réalisée. Le matériau de mécanoluminescence (ML) est une sorte de matériau intelligent émergent, qui peut convertir l'énergie mécanique externe en émission de lumière sans l'assistance d'une excitation d'électrons ou de photons21,22,23,24,25,26. Ces dernières années, les chercheurs ont développé de nombreux nouveaux matériaux ML, tels que ZnS/CaZnOS:Mn21, CaLaAl3O7:Tb3+25 et SrMgAl10O17:Ce3+27, etc. Nos recherches précédentes ont montré que la couleur d'émission des composés en solution solide (Ca1−xSrx )8Mg3Al2Si7O28:Eu2+ a pu être réglé du vert au bleu sous la contrainte élastique, ce qui a réalisé la migration spectrale ML induite par la contrainte et a fourni de nouvelles informations sur la détection de la contrainte28. Ce type de mode luminescent permet d'appliquer le matériau ML dans le domaine de la répartition des contraintes. Cependant, la plupart des matériaux ML sont appliqués dans l'ingénierie par pulvérisation de film, la qualité du film de pulvérisation se détériore progressivement au fil du temps, ce qui réduit la précision des résultats de détection. De plus, l'environnement est complexe dans le matériau cimentaire, tel qu'une humidité interne élevée et une forte alcalinité, ce qui peut affecter de manière significative la propriété luminescente du luminophore lorsque le luminophore est dopé à l'intérieur du matériau cimentaire. Ainsi, il est très important d'explorer la méthode appropriée pour introduire un matériau ML approprié à l'intérieur du matériau cimentaire, de sorte que le matériau cimentaire puisse afficher multifonction et convertir naturellement la contrainte en lumière visible, ce qui est propice à une détection pratique, rapide et précise de stress dans la structure du bâtiment.

Dans cette étude, la résine est sélectionnée comme matériau cimentaire (matériau cimentaire à base de résine) pour agréger le matériau ML pour la préparation d'un nouveau matériau cimentaire à base de résine avec surveillance et enregistrement des contraintes visibles. Les propriétés mécaniques des matériaux cimentaires à base de résine ont été optimisées par le dopage des fibres en raison de sa fragilité. Les effets des différents types de fibres et quantités ont d'abord été discutés, puis le luminophore intelligent ML a été ajouté au matériau cimentaire optimisé. La relation entre la distribution du stress et la lumière visible a été étudiée en détail. De plus, le matériau cimentaire synthétisé présentait également des caractéristiques de rémanence, les mécanismes luminescents de rémanence et de mécanoluminescence ont été étudiés. Les nouveaux matériaux cimentaires synthétisés ont réalisé l'observation directe de la répartition des contraintes à travers la lumière visible après moulage, ce qui a présenté des valeurs d'application élevées dans le domaine de la construction.

La propriété mécanique de l'échantillon est optimisée par différents types de fibres. Les résistances mécaniques de l'échantillon de résine après PP, acier et fibres de basalte renforcées ont été examinées et sont présentées à la Fig. 1. Par rapport à l'échantillon vierge, la résistance à la flexion peut être améliorée de 1,17, 1,23 et 1,18 fois par le dopage de 0,5 vol‰ PP, 0,5 vol‰ acier ou 0,5 vol‰ fibres de basalte, respectivement (Fig. 1a). Semblable à la résistance à la flexion, la résistance à la compression est également augmentée après le renforcement des fibres. Comme le montre la figure 1b, la résistance à la compression est améliorée de 1,05, 1,06 et 1,04 fois pour 0,5 vol‰ PP, 0,5 vol‰ acier ou 0,5 vol‰ fibre de basalte, respectivement. Il a pu être constaté que la résistance mécanique de l'échantillon peut être améliorée après le renforcement des fibres, mais le degré de renforcement est différent pour différents types de fibres. De plus, les résistances à la flexion et à la compression de l'échantillon diminuent lorsque la teneur en PP et en fibre d'acier dépasse 0,5 vol‰, ce qui est différent de celui du basalte. Ce phénomène peut être dû au mécanisme d'amélioration variable pour différents types de fibres30,31,32. Normalement, le processus de rupture d'un spécimen sous compression concerne la génération de microfissures, l'expansion, la formation de macrofissures et la pénétration. Pour la génération de la microfissure initiale, les fibres de PP et de basalte jouent un rôle de pontage pour empêcher le développement de la microfissure. Lorsque la microfissure continue de se dilater et de former une macrofissure, la fibre d'acier commence à limiter le développement de la fissure pour éviter l'effondrement rapide et la rupture de l'échantillon33,34,35,36. Basé sur les différents mécanismes renforcés, le dopage de la fibre hybride est une méthode efficace pour améliorer la résistance mécanique de l'échantillon.

Les résistances à la flexion(a) et à la compression(b) d'échantillons dopés à une seule fibre.

La figure 2 présente les comportements mécaniques de l'éprouvette par dopage de fibre hybride PP+x acier et PP+y basalte. Comme le montre la Fig. 2a, les résistances à la flexion et à la compression de l'échantillon dopé avec 0,5 vol‰ PP + 0,5 vol‰ fibre hybride en acier pourraient être augmentées de 1,09 et 1,04 fois par rapport au PP dopé simple, indiquant que la fibre hybride est bénéfique pour l'amélioration des résistances à la flexion et à la compression, qui est affectée à la prévention des micro et macro fissures à l'aide de fibre hybride PP + acier. Cependant, il convient de noter que le taux de dopage doit être contrôlé dans une fourchette raisonnable. Comme présenté à la Fig. 2a, les résistances à la flexion et à la compression se réduisent à 0,70 fois et 0,88 fois la résistance initiale lorsque le x = 2,0 vol‰, ce qui peut être dû au fait que les teneurs excessives augmentent la viscosité du mélange, entraînant la composition inégale pendant le moulage et affecte ensuite la résistance. De même, la fibre hybride de basalte PP + y peut également améliorer la résistance à la flexion et à la compression de l'échantillon, comme le montre la figure 2b, qui pourrait augmenter jusqu'à 1,03 et 1,04 fois par rapport à l'échantillon initial.

Les résistances à la flexion (a) et à la compression (b) d'échantillons dopés de fibres hybrides PP + xsteel/ybasalt.

Sur la base des résultats ci-dessus, il a pu être confirmé que le dopage de la fibre hybride pourrait améliorer le comportement mécanique à travers différentes dimensions. Afin d'optimiser constamment la propriété mécanique, trois types de fibres sont mélangés et leurs effets sur la résistance sont présentés à la Fig. 3. Les résistances à la flexion et à la compression de l'échantillon pourraient être encore améliorées lorsque le basalte à 1,0 vol‰ est ajouté à le système 0,5 vol‰ PP + 1,0 vol‰ acier. Par rapport à l'échantillon initial, les résistances à la flexion et à la compression augmentent jusqu'à 1,10 et 1,02 fois, respectivement, et l'amélioration de la résistance à la flexion est meilleure que celle de la résistance à la compression. Les résultats suggèrent que la propriété mécanique de l'échantillon de résine modifiée au caoutchouc pourrait être considérablement améliorée par la fibre hybride 0,5 vol‰ PP + 1,0 vol‰ acier + 1,0 vol‰ fibre hybride de basalte. Sur la base du résultat remarquable, le matériau ML est ajouté à l'échantillon optimisé en fibre hybride pour réaliser une surveillance et un enregistrement des contraintes visibles. Les résistances à la flexion et à la compression de l'échantillon après dopage au phosphore sont respectivement de 15,98 MPa et 24,75 MPa, ce qui est proche de celui de l'échantillon initial, ce qui indique que le dopage au phosphore a peu d'impact sur la résistance.

Les résistances à la flexion et à la compression d'éprouvettes dopées en fibres hybrides PP + acier + zbasalte.

Ensuite, les performances de l'échantillon dans différents types de modes luminescents sont testées. Les spectres de photoluminescence (PL) et de luminescence persistante (PSL) de l'échantillon ont d'abord été examinés et sont présentés à la Fig. 4. La figure 4a montre le spectre PL, qui affiche un large pic d'émission verte, situé à 522 nm. L'émission verte répond à la transition de 5d-4f. pour Eu2 + 37,38, et la coordonnée CIE est (0,2876, 0,5690) (Fig. 4b). Après avoir analysé la propriété PL de base, les propriétés de longue rémanence de l'échantillon sont testées. Tous les textes sont examinés en chambre noire après irradiation par une source lumineuse à 365 nm pendant 10 min. La figure 4c présente le spectre PSL, qui comprend un large pic d'émission verte, centré à 513 nm. Ce phénomène indique que l'émission PSL provient également de l'émission Eu2+, et la coordonnée CIE se situe à (0,2207, 0,5463) (Fig. 4b). L'étude du temps de décroissance persistante révèle une longue durée de vie à l'état excité pour l'échantillon (Fig. 4d). La courbe de décroissance diminue rapidement dans la décroissance initiale (200 s) avant de se stabiliser à une décroissance lente même jusqu'à 1000 s, où l'intensité d'émission est encore beaucoup plus élevée que le signal de fond. La figure 4e montre la décroissance des couleurs d'émission pour le spécimen. Lorsque la lumière UV s'éteint, l'échantillon affiche toujours une émission verte, qui peut même être observée après 40 min. Les résultats ci-dessus indiquent que le spécimen synthétisé traite les propriétés PL et PSL.

( a ) Spectres PLE et PL de l'échantillon. (b) Les coordonnées CIE de PL et PSL. ( c ) Le spectre PSL du spécimen. (d) Les intensités de luminescence persistante en fonction du temps. (e) Photos de la luminescence persistante en modifiant le temps de retard.

Ensuite, la propriété ML de l'échantillon sous contrainte externe est examinée. Afin d'analyser de manière pratique et précise, un échantillon cylindrique a été fabriqué à partir du matériau cimentaire à base de résine et ses propriétés luminescentes ML ont été examinées et sont présentées à la Fig. 5. Comme le montre la Fig. 5a, le système pour le test ML est composé de trois parties : machine d'essai universelle fournissant le stress, fibre optique pour la collecte et la transmission du signal optique, ainsi qu'un ordinateur pour le contrôle de la machine d'essai et la présentation du signal optique. L'échantillon cylindrique affiche une émission verte sans contrainte externe due à la luminescence persistante. Cependant, l'intensité d'émission est significativement augmentée avec l'augmentation de la contrainte au niveau de la partie médiane, puis diminue avec la diminution de la contrainte. Le changement d'intensité d'émission indique que l'échantillon est équipé d'une réponse au stress.

(a) Photo du système fabriqué en laboratoire pour le test ML et l'échantillon luminescent en fonction du stress. (b) Spectre ML du spécimen. ( c ) Courbes ML lorsqu'une charge jusqu'à 1000 N a été appliquée au fil du temps. ( d ) Courbes ML sous la charge de compression de 1000 N pendant dix fois.

La figure 5b présente le spectre ML de l'échantillon à température ambiante. Le spectre d'émission ML observé présente une ressemblance avec les spectres PL et PRL, qui affiche une large bande asymétrique, indiquant que l'émission ML provient de l'émission de phosphore. La figure 5c montre l'intensité ML d'un spécimen cylindrique pendant la charge jusqu'à 1000 N. L'intensité ML augmente avec l'augmentation de la compression et atteint le maximum en même temps, ce phénomène suggère que la relation est linéaire entre l'intensité d'émission ML et la force appliquée , qui est la base de la détection sans contact du stress. De plus, l'excitation répétée ML d'une impulsion mécanique pendant 10 cycles sous 1000 N a été enregistrée et est présentée à la Fig. 5d. L'intensité ML diminue progressivement sous le processus de chargement cyclique, mais l'intensité ML peut toujours être détectée et le point le plus fort d'intensité ML est simultané avec la charge maximale de chaque cycle. La tendance de l'intensité ML est cohérente avec le changement de charge. Ces phénomènes suggèrent que le matériau cimentaire présente des performances ML hautement reproductibles après moulage et peut être appliqué à la surveillance et à l'enregistrement des contraintes visibles.

Les résultats ci-dessus prouvent que le matériau cimentaire synthétisé peut émettre automatiquement de la lumière visible sous contrainte externe après moulage, et l'intensité d'émission ML affiche une relation linéaire avec la contrainte appliquée. Afin de réaliser la détection précise du stress, la relation correspondante entre la distribution du stress sur l'échantillon et l'émission ML est analysée en détail. La répartition des contraintes sur l'éprouvette cylindrique est calculée par la méthode de simulation numérique par éléments finis. Comme le montre la Fig. 6a, la répartition des contraintes est le long de la direction de la charge appliquée (direction Y′OY), y est la distance du centre O le long de la direction Y′OY et R est le rayon de l'éprouvette, le résultat simulé indique que la contrainte diminue progressivement du bord vers le centre. En outre, l'intensité ML de l'échantillon cylindrique est collectée et présentée par le modèle 3D (Fig. 6b). On peut constater que l'intensité d'émission de la partie centrale est supérieure à celle des autres parties. De plus, l'intensité ML de la partie centrale affiche une tendance à diminuer d'abord puis à augmenter d'un côté du cylindre à l'autre côté, le point central montre l'intensité ML la plus faible, ce qui est cohérent avec la répartition des contraintes sur l'échantillon. L'intensité ML (points rouges) tracée en fonction de y / R affiche une cohérence exponentielle avec la contrainte simulée le long de la direction Y'OY (ligne noire), comme illustré à la Fig. 6c. De plus, la figure du profil de contour montre en outre le changement d'intensité dans différentes zones. Comme le montre la figure 6d, la ligne 1 correspond à la zone d'arrière-plan, où l'intensité d'émission ne peut pas être détectée. La ligne 2 est la zone gauche de l'échantillon cylindrique, où l'intensité d'émission est constante, qui provient de la longue émission de rémanence. La ligne 3 traverse la partie centrale, où l'intensité diminue d'abord puis augmente. La ligne 4 est la zone droite de l'échantillon cylindrique, qui montre un phénomène similaire à la ligne 2. Les résultats sont cohérents avec l'image de luminosité comme le montre la Fig. 5a, ce qui indique que l'émission ML ne peut être observée que dans la région sous stress externe, et l'intensité ML est proportionnelle à l'ampleur du stress. Ces résultats passionnants suggèrent que la valeur de la contrainte peut être estimée en mesurant l'intensité ML dans l'échantillon, tandis que l'émission ML peut être observée immédiatement lorsque la contrainte est appliquée, ce qui démontre que le matériau cimentaire réalise une surveillance et un enregistrement visibles de la contrainte.

(a) Les distributions de contraintes dans l'éprouvette cylindrique. (b) La distribution 3D ML. ( c ) Les comparaisons entre la distribution des contraintes expérimentales et stimulées le long de Y'OY dans la pastille sous une compression. (d) Le changement d'intensité de ML dans différentes zones.

Les résultats ci-dessus indiquent qu'il existe trois types de modèle luminescent dans l'échantillon : (I) PL ; (II) PSL et (III) ML, le mécanisme de chaque modèle est différent28,39,40. Comme le montre la figure 7, le processus PL est attribué à la transition des électrons entre l'excitation et l'orbite terrestre de Eu2+. Grâce à l'excitation UV, les électrons de l'état fondamental 4f7 de Eu2+ peuvent transmettre aux états excités 4f65d, puis revenir à l'état fondamental (processus ①), accompagnés d'une émission PL. Cependant, certains électrons peuvent transmettre à la bande de conduction sous l'excitation UV, qui seront capturés par les pièges lorsque les électrons retomberont de l'état de haute énergie (pointillés gris). Quant aux électrons capturés par le piège peu profond, ils peuvent revenir au centre luminescent à température ambiante sous l'effet d'une perturbation thermique, conduisant à l'émission de PSL (processus ②). On peut voir que les formes spectrales de PL et ML sont similaires, ce qui prouve que l'émission de ML provient également de l'ion Eu2+. La structure du luminophore ML est asymétrique, la déformation élastique générée de l'échantillon amènera le luminophore ML à produire un champ piézoélectrique lorsque la contrainte est appliquée, ce qui peut exciter les électrons du piège profond au piège peu profond et conduire à l'émission ML (processus ③)40 . On peut voir que chaque mode luminescent correspond à un mécanisme différent, de sorte que l'échantillon a plusieurs modes d'émission et réalise une émission persistante et une surveillance visuelle du stress.

Le mécanisme luminescent de PL, PRL et ML.

Sur la base des recherches ci-dessus, le phénomène ML de l'échantillon de 4 cm × 4 cm × 16 cm fabriqué par le matériau cimentaire a été examiné lors de l'essai de flexion. Les images luminescentes du spécimen ont été collectées et sont présentées à la Fig. 8. L'ensemble du test a été effectué en présence d'une lumière d'interférence rouge. L'échantillon affiche une émission de rémanence verte comme le montre la figure 8b, qui peut être observée en cas d'interférence externe. Avec l'augmentation de la pression, un point émet d'abord une émission verte visible, comme illustré sur la Fig. 8d – f, indiquant que la pression au point a est supérieure à celle des points b et c. Lorsque la pression continue d'augmenter, l'émission verte se retrouve aux points b et c (Fig. 8g). Ce phénomène indique que la pression est différente sur les trois points soumis à l'essai de flexion. De plus, la position de fractionnement de l'échantillon correspond à un point. Il convient de noter que le phénomène ML ne peut être clairement observé que dans les trois parties de contact pendant tout le processus de test, et le résultat ML ne peut pas être affecté par la lumière d'interférence. De plus, le changement d'intensité luminescente est cohérent avec la pression, ce qui prouve que la contrainte externe peut être observée par la lumière visible. De plus, les résistances à la flexion et à la compression de l'échantillon après dopage au phosphore sont respectivement de 15,98 MPa et 24,75 MPa, ce qui est proche de celui de l'échantillon initial, ce qui indique que le dopage au phosphore a peu d'impact sur la résistance.

Les photos PSL(a, b) et ML(c–h) d'un spécimen de 4 cm × 4 cm × 16 cm en essai de flexion.

En résumé, un nouveau matériau cimentaire multifonctionnel a été synthétisé via une agrégation hiérarchique intelligente de phosphore ML et de résine. La résistance à la flexion et à la compression du matériau cimentaire pourrait être améliorée par le dopage de 0,5 vol‰ PP + 1,0 vol‰ acier + 1,0 vol‰ fibres hybrides de basalte en supprimant la génération et le développement de micro et macro fissures. De plus, le matériau cimentaire à base de résine optimisé présentait trois types de modes luminescents via l'ajout de phosphore ML intelligent. Le spectre PL a indiqué que l'échantillon présentait une émission verte et la courbe de décroissance a montré que l'émission verte pouvait durer plus de 40 min. En outre, le spécimen possédait des performances ML, qui pouvaient émettre des émissions évidemment visibles sous contrainte. La simulation numérique par éléments finis et l'analyse du profil de la carte de contour ont suggéré que l'émission visible ne pouvait être observée que dans la région affectée par la contrainte externe. De plus, la génération de lumière visible était synchrone avec l'action du stress externe, et le changement d'intensité d'émission était proportionnel à l'ampleur du stress. Ces résultats ont démontré que le matériau cimentaire synthétisé pouvait être appliqué dans les domaines de l'ingénierie tels que les ponts et les tunnels, qui pouvaient simultanément réaliser une détection visuelle de la répartition des contraintes dans les zones de concentration de contraintes et l'éclairage de secours. Ce type de fonction a été réalisé pour la première fois dans un matériau cimentaire à base de résine, ce qui a été utile pour l'innovation de la technologie d'examen des contraintes et des matériaux de construction modernes.

Les matières premières pour les échantillons de ciment à base de résine étaient les suivantes : résine, agent de durcissement, antimousse, particules de caoutchouc (0,2 à 0,4 mm) et fibre. La résine et l'agent de durcissement ont été produits en Chine Corée (Wuhan) Petrochemical Co., Ltd. Les fibres ont été achetées à Beijing futen Technology Co., Ltd. La résine était une résine époxy 128 avec un liquide transparent, densité : 1,16 (g/cm3, 25 °C), équivalent époxy : 184–190 (g/EQ), viscosité : 12 000–15 000 (CPS, à 25 °C). L'agent de durcissement était une amine modifiée TX–B2 avec un liquide transparent jaune clair à jaune brunâtre, densité : 0,97 ~ 1,03 (g/cm3, 25 °C), viscosité : < 300 (mPa.s, 25 °C), hydrogène actif théorique équivalent : 65–70 g/actif H. Les propriétés des fibres sont indiquées dans le tableau 1. La proportion de mélange des échantillons est indiquée dans le tableau 2.

La résine, l'agent de durcissement et l'agent anti-mousse ont d'abord été mélangés, puis des particules de caoutchouc et des fibres ont été ajoutées successivement. Les matériaux mélangés ont été versés dans le moule standard (40 mm × 40 mm × 160 mm) pour durcir 7 jours à température ambiante, puis examiner les résistances à la compression et à la flexion.

Pour évaluer la propriété de mécanoluminescence de l'échantillon, le matériau ML commercial de type aluminate de strontium (Youyan rare earth new materials Co., Ltd) a été ajouté aux matériaux cimentaires à base de résine, le rapport de masse entre le matériau ML et le matériau cimentaire à base de résine est 0,2:1. L'échantillon de ciment a été préparé en utilisant le moule standard (40 mm × 40 mm × 160 mm) en résistance mécanique et le moule en plastique auto-fabriqué (diamètre, 25 mm; épaisseur, 15 mm) en test de luminescence. La résine, l'agent de durcissement et le phosphore ont d'abord été mélangés dans des proportions appropriées, puis le mélange a été versé dans le fond du moule. Après cela, le matériau cimentaire à base de résine (synthétisé dans la section 2.1) a rempli l'espace restant du moule. L'échantillon de ciment a été durci à température ambiante pendant 7 jours.

Les résistances mécaniques des spécimens ont été examinées par la machine d'essai de pression TYE-300 achetée auprès de Wuxi Jianyi Instrument Machinery Co., Ltd. Le processus d'essai a suivi la norme PRC ''GB/T 17,671–199929. Les spectres d'excitation de photoluminescence (PLE), de photoluminescence (PL) et de luminescence persistante (PSL) ont été détectés par un spectromètre à fluorescence (FP-8600, JASCO Co., Japon), équipé d'une lampe Xe de 150 W. L'intensité de la mécanoluminescence (ML) de l'échantillon sous contrainte supplémentaire a été mesurée avec un système fabriqué en laboratoire comprenant une machine de test universelle (AGS-X10kN, Shimadzu Corp., Japon) et un tube photomultiplicateur (C13796, Hamamatsu Photonics, Japon). Le spectre ML de l'échantillon a été examiné par un spectromètre à fibre (QE Pro, Ocean Optics) colocalisé avec la machine de test universelle.

Les données expérimentales de cette étude peuvent être obtenues auprès du Shiqi Liu sur demande raisonnable.

Liu, YL, Mo, ZY, Su, YP & Chen, YH Matériaux de pointe à faible résistance contrôlée utilisant des sous-produits industriels d'incinération comme matériaux cimentaires. Constr. Construire. Mater. 345, 128391 (2022).

Article CAS Google Scholar

Liu, Z., Du, J. & Meng, WN Réalisation de matériaux cimentaires à faible teneur en carbone avec des propriétés mécaniques élevées en utilisant une suspension de CaCO3 produite par séquestration du CO2. J. Propre. Prod. 10, 133546 (2022).

Article Google Scholar

Czarnecki, S., Hadzima-Nyarko, M., Chajec, A. & Sadowski, L. Conception d'un modèle d'apprentissage automatique pour la fabrication précise de composites cimentaires verts modifiés avec des déchets de poudre de granit. Sci. Rep. 12, 13242 (2022).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Shang, XY, Zhan, BJ, Li, JS et Zhong, R. Nouvelles microcapsules pour le durcissement interne d'un système cimentaire haute performance. Sci. Rep. 10, 8318 (2020).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Pham, ST & Prince, W. Effets de la carbonatation sur la microstructure des matériaux cimentaires : Influence des méthodes de mesure et des types de ciment. Int. J. Concr. Structure. Mater. 8, 327–333 (2014).

Article CAS Google Scholar

Nobile, R. & Saponaro, A. Mesures in situ de l'évolution des dommages de fatigue par la méthode de résistance électrique. Structure de procédure. Intégrité. 28, 1321-1328 (2020).

Article Google Scholar

Moodyab, LC et al. Mesure de la surface de la section transversale par des méthodes de résistance optique et électrique pour les essais mécaniques à petite échelle de composants en titane de forme quasi nette. Int. J. Réfracter. Rencontré. H.92, 105265 (2020).

Article Google Scholar

Roh, HD, Lee, H. & Park, YB Surveillance de la santé structurelle des polymères renforcés de carbone à l'aide de la mesure de la résistance électrique. Int. J. Pr. Ing. Homme-Gt. 3, 311–321 (2016).

Google Scholar

Lin, SQ, Tan, DY, Yin, JH & Li, H. Une nouvelle approche de la mesure de la déformation de surface pour les échantillons de roche cylindriques sous compression uniaxiale à l'aide de la technologie de capteur à fibre optique distribuée. Roche Mech. Rock Ing. 54, 6605–6619 (2021).

Article Google Scholar

Lin, SQ, Tan, DY, Yin, JH & Li, H. Étude comparative sur la méthode de suivi "optique-électrique" de la déformation et de la rupture de la roche encaissante dans les chantiers. Nat. Dangers 110, 407–427 (2022).

Article Google Scholar

Robins, P., Austin, S., Chandler, J. & Jones, P. Mesure de la déformation en flexion et de la largeur des fissures du béton renforcé de fibres d'acier par des méthodes de grille optique et de jauge électrique. Ciment Béton Rés. 31, 719–729 (2001).

Article CAS Google Scholar

Gebremedhn, Z., Qiao, GF, Sun, L., Li, H. & Bai, S. Ponceau préfabriqué à auto-détection de déformation/contrainte : conception d'éléments intelligents et vérification expérimentale. Int. J.Civil Eng. 19, 851–859 (2021).

Article Google Scholar

Mir BA, Les matériaux intelligents et leurs applications en génie civil : un aperçu. Int. J. Civil. Ing. et Constr. Sci. 4 : 11–20 (2017).

Li, VC & Herbert, E. Béton autocicatrisant robuste pour une infrastructure durable. J. Adv. concr. Technol. 10, 207-218 (2012).

Article CAS Google Scholar

Koh, E., Kim, NK, Shin, J. & Kim, YW Microcapsules de polyuréthane pour revêtements de peinture auto-cicatrisants. RSC Adv. 4, 16214–16223 (2014).

Article ADS CAS Google Scholar

Dolce, M., Cardone, D. & Marnetto, R. Implémentation et test de dispositifs de contrôle passif basés sur des alliages à mémoire de forme. Tremblement de terre Eng. Structure. Dyn. 29, 945–968 (2000).

3.0.CO;2-#" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1002%2F1096-9845%28200007%2929%3A7%3C945%3A%3AAID-EQE958%3E3.0.CO%3B2-%23" aria-label="Article reference 16" data-doi="10.1002/1096-9845(200007)29:73.0.CO;2-#">Article Google Scholar

Lee, SY, Le, HV & Kim, DJ Béton intelligent à auto-détection de contrainte contenant de fins agrégats de laitier d'acier et des fibres d'acier soumis à une contrainte de compression élevée. Constr. Construire. Mater. 220, 149–160 (2019).

Article Google Scholar

Wang, WT et al. Résistance à l'eau et stabilité thermique luminescente du phosphore revêtu de SiO2 et des matériaux à base de ciment autolumineux : vue du point de vue de l'équilibre d'hydratation. Constr. Construire. Mater. 319, 126086 (2022).

Article CAS Google Scholar

Wang, WT et al. Matériaux composites à base de ciment autoluminescents : propriétés et mécanismes. Constr. Construire. Mater. 269, 121267 (2021).

Article CAS Google Scholar

Lui, B. et al. Analyse des caractéristiques des matériaux composites cimentaires autoluminescents à effet autonettoyant. J. Propre. Prod. 225, 1169-1183 (2019).

Article CAS Google Scholar

Peng, DF et al. Une hétérojonction ZnS/CaZnOS pour une conversion d'énergie mécanique-optique efficace par décalage de bande de conduction. Adv. Mater. 32, 1907747 (2020).

Article CAS Google Scholar

Wang, CF & Peng, DF Pan CF, Matériaux mécanoluminescents pour peau artificielle avancée. Sci. Taureau. 65, 1147-1149 (2020).

Article CAS Google Scholar

Kim, Y., Roy, S., Jung, GY, SikOh, J. & Kim, GW Double principe de détection de pression intraoculaire basé sur un signal optique utilisant un composite souple ZnS: Cu / PDMS mécanoluminescent sensible à la pression. Sci. Rep. 9, 15215 (2019).

Article ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Peng, DF et al. Matériaux mécanoluminescents pour l'analyse sportive en sciences du sport. Sci. Taureau. 66, 206-209 (2021).

Article Google Scholar

Qin, SY et al. Mécanoluminescence verte intense et efficace dans CaLaAl3O7 par dopage Tb3+. Mater. Rés. Taureau. 145, 111535 (2022).

Article CAS Google Scholar

Zhang, P. et al. Défauts liés à l'autoréduction, longue rémanence et mécanoluminescence dans Li2ZnGeO4:Mn2+ centrosymétrique. Inorg. Chim. 60, 18432–21844 (2021).

Article PubMed Google Scholar

Tigga, S., Brahme, N. & Bisen, DP Enquête sur la photoluminescence et la mécanoluminescence de la rémanence bleu-vert SrMgAl10O17: phosphore Ce3+. J. Mater. Sci-Mater. EL. 28, 4750–4757 (2017).

Article CAS Google Scholar

Liu, SQ et al. Nouveau mode de détection de contrainte dans des composés en solution solide multicolores (Ca1-xSrx)8Mg3Al2Si7O28:Eu2+. Nano énergie 93, 106799 (2022).

Article CAS Google Scholar

Method of Testing Cements-Determination of Strength GB/T 17671–1999, China Communications Press, Pékin, 1999 (en chinois).

Vardai, R. et al. Étude comparative des composites PP renforcés de fibres : effet du type de fibre, des mécanismes de couplage et de rupture. Compos. Partie A : Appl. Sci. Fab. 133, 105895 (2020).

Article Google Scholar

Kumar, CP & Hameed, MS Étude expérimentale sur le comportement de la fibre d'acier lorsqu'elle est utilisée comme armature secondaire dans une poutre en béton armé. Mater. Aujourd'hui : continuez. 52, 1189–1196 (2022).

Google Scholar

Ding, YN, Wang, QX, Torgal, FP & Zhang, YL Effet hybride du textile en fibre de basalte et de la fibre de macro polypropylène sur la capacité de charge en flexion et la ténacité des dalles de béton bidirectionnelles. Const. Construire. Mater. 261, 119881 (2020).

Article CAS Google Scholar

Shen, YJ, Dai, MT, Pu, WL & Xiang, ZL Effets du contenu et du rapport longueur/diamètre de la fibre PP sur la résistance à l'éclatement explosif du béton ultra-haute performance renforcé de fibres hybrides. J. Construire. Ing. 58, 105071 (2022).

Article Google Scholar

Cao, K., Liu, GG, Li, H. & Huang, ZY Propriétés mécaniques et microstructures de composites à base de ciment renforcés de fibres hybrides acier-basalte exposés à des températures élevées. Const. Construire. Mater. 341, 127730 (2022).

Article Google Scholar

Taghipoor, H. & Sadeghian, A. Enquête expérimentale sur le béton armé à fibres simples et hybrides lors d'un test de chute de poids. Ouvrages. 43, 1073-1083 (2022).

Article Google Scholar

Yao, XH et al. Développement d'une méthode de conception pour la performance à la rupture du béton renforcé de fibres d'acier en tenant compte des caractéristiques des fibres d'acier et de la granulométrie des granulats. Théor. Appl. Fracturé. Méc. 121, 103486 (2022).

Article Google Scholar

Guo, QF et al. Nouveaux luminophores d'apatite KLaSr3(PO4)3F:Eu2+ : synthèse, structure et propriétés de luminescence. J. Mater. Rés. 31, 3489–3497 (2016).

Article ADS CAS Google Scholar

Wang, Y. et al. Rôles concurrents des défauts dans les luminophores SrAl2O4:Eu2+, Dy3+ détectés par des techniques de luminescence. J. Mater. Rés. 31, 1403-1412 (2016).

Article ADS CAS Google Scholar

Huang, YP & Lin, JW Le concept de sac piège de la luminescence rémanente. Sci. Rep. 7, 8475 (2017).

Article ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Tu, D. et al. LiNbO3:Pr3+ un matériau multipiezo avec piézoélectricité simultanée et piézoluminescence sensible. Adv. Mater. 29, 1606941 (2017).

Article Google Scholar

Yamada, H., Kusaba, H. & Xu, CN Comportement de réseau anisotrope dans un matériau élastoluminescent SrAl2O4:Eu2+. Appl. Phys. Lett. 92, 101909 (2008).

Annonces d'article Google Scholar

Xu, CN, Yamada, H., Wang, XS & Guang Zheng, XG Strong elasticoluminescence de la structure monoclinique SrAl2O4. Appl. Phys. Lett. 84, 3040 (2004).

Article ADS CAS Google Scholar

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Ce travail a été soutenu par la National Nature Science Foundation of China (Grant No. 12074298). Programme scientifique et technologique de Shenzhen (subvention n° JCYJ20220530140614032), fonds de recherche scientifique "CUG Scholar" à l'Université chinoise des géosciences (Wuhan) (projet n° 2022175).

Institut de recherche sur la construction métallurgique de Wuhan, MCC, Wuhan, 430081, Chine

Bing Zhang, Shiqi Liu, Zichen Zhou, Ming Zeng et Jianfeng Zhang

Faculté des sciences des matériaux et de chimie, Université chinoise des géosciences, 388 Lumo Road, Wuhan, 430074, Chine

dong tu

Institut de recherche de l'Université de Wuhan à Shenzhen, Shenzhen, 518057, Chine

dong tu

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Tous les auteurs ont contribué à la conception et à la conception de l'étude. La préparation du matériel, la collecte des données et l'analyse ont été réalisées par BZ, SL et JZ. La première ébauche du manuscrit a été rédigée par BZ et SL, ZZ, MZ et DT ont révisé l'étude et supervisé le projet. Tous les auteurs ont commenté les versions précédentes du manuscrit. Tous les auteurs ont lu et approuvé le manuscrit final.

Correspondance à Shiqi Liu ou Dong Tu.

Les auteurs n'ont aucun intérêt financier ou non financier pertinent à divulguer.

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Zhang, B., Liu, S., Zhou, Z. et al. Nouveaux matériaux cimentaires à mécanoluminescence pour l'application de la surveillance et de l'enregistrement des contraintes visibles. Sci Rep 13, 8388 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34500-5

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Reçu : 14 décembre 2022

Accepté : 03 mai 2023

Publié: 24 mai 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-34500-5

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