專利名稱：抗凍型水泥基應力傳感器元件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種檢測技術領域的傳感器元件，特別涉及一種用于監(jiān)測混凝土結(jié)構壓 應力變化并能與大體積混凝土融為一體，同時抗凍性良好的抗凍型水泥基應力傳感器元件。
背景技術：
土木工程領域中的眾多大型建筑結(jié)構，規(guī)模龐大、結(jié)構復雜，其使用期都長達幾十 年、甚至上百年。在其服役過程中，由于環(huán)境載荷作用、疲勞效應、腐蝕效應和材料老化等 不利因素的影響；同時環(huán)境溫度的反復變化，例如結(jié)冰和解凍、潮濕和干燥或者加熱和冷卻 等，會引起溫度梯度，對建筑結(jié)構產(chǎn)生破壞，結(jié)構將不可避免地產(chǎn)生損傷積累、抗力衰減，甚 至導致突發(fā)事故，建筑結(jié)構一旦失效，后果將是災難性的。因此，加強大型土木工程結(jié)構的 健康檢測已經(jīng)成為土木結(jié)構的一個熱點。土木結(jié)構健康監(jiān)測的一個重要途徑是在結(jié)構關鍵 部位埋設應力傳感器，在線監(jiān)測結(jié)構的受力情況來推測結(jié)構的健康狀況。常用的傳感器有 電阻應變片、壓電陶瓷和光導纖維等。這些傳感器的埋設，會不可避免地損壞建筑物的結(jié) 構；傳統(tǒng)傳感器的價格高，且使用期限僅為幾年到十幾年，需要不斷更換，大大增加了建筑 物建設和維護成本；傳統(tǒng)傳感器僅能測試特定地方的受力狀況，對于大面積的應力測量無 能為力；傳統(tǒng)傳感器在變形特性等方面與混凝土有本質(zhì)差別，存在明顯地相容性問題。近年來基于碳纖維水泥復合材料的機敏效應而制作的水泥基傳感器為解決傳統(tǒng) 傳感器所存在的問題帶來了希望。由于其主要原材料為水泥和少量碳纖維，碳纖維水泥傳 感器與混凝土的相容性非常好、造價低，耐久性也與混凝土相當。目前人們已經(jīng)發(fā)明出檢測 應力狀況的水泥基傳感器。例如，專利02132967. 2“機敏混凝土傳感元件”提到了一種碳纖 維混凝土應力傳感器，專利200610009828. 9提到了適合壓敏性能測量的電極材料的選擇， 安裝方式和測量方法。但以上研究并沒有提及適用于正負溫反復作用環(huán)境工作的水泥基應 力傳感器。實際許多混凝土結(jié)構的周圍環(huán)境溫度可在正負溫度范圍內(nèi)變化，尤其是最低溫 度，在寒冷的冬季或高原地區(qū)，環(huán)境的最低溫度可達-15°C -20°C之間。青藏高原年正負 變溫的天數(shù)高達180d，日溫差可達30°C，在此服役的需要健康檢測的混凝土建筑結(jié)構就需 要考慮到應力傳感器的使用環(huán)境。以往的碳纖維水泥基機敏傳感器材料均采用普通硅酸鹽 水泥作為水泥基體，但普通硅酸鹽水泥存在抗凍性差的缺點，在正負反復作用下容易遭到 破壞，影響水泥基應力傳感器的使用壽命和測量準確性。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決水泥基應力傳感器存在抗凍性差，溫度正負反復作用下容易遭到破壞， 影響水泥基應力傳感器的使用壽命和測量準確性，本發(fā)明提供了一種抗凍型水泥基應力傳 感器元件。本發(fā)明通過以下措施實現(xiàn)本發(fā)明的抗凍型水泥基應力傳感器元件，包括試塊和一對電極，所述電極分別位 于試塊的上表面和下表面，其特別之處在于所述的試塊包括水泥基體和均勻地分布在水
3泥基體中的導電纖維；所述的水泥基體為硫鋁酸鈣水泥砂漿，所述導電纖維由短切聚丙烯 烴碳纖維和碳納米管組成。上述的抗凍型水泥基應力傳感器元件，所述的硫鋁酸鈣水泥熟料中各礦相體系的 重量百分比為硫鋁酸鈣55 75%硅酸二鈣15 35%鐵鋁酸四鈣 3 10%。上述的抗凍型水泥基應力傳感器元件，所述試塊的重量組成為水泥基體98.5-99. 5%短切聚丙烯烴碳纖維0. 4% -1%碳納米管0·-0.8%。上述的抗凍型水泥基應力傳感器元件，所述短切聚丙烯烴碳纖維為長度 10-15_、直徑 7士0. 2 μ m、線電阻 85 Ω/m、拉伸模量 175-215/Gpa。上述的抗凍型水泥基應力傳感器元件，所述的碳納米管為外直徑20-40nm、內(nèi)徑 5-10nm、長度 50 μ m、比表面積 110m2/g、密度 2. lg/cm3。本發(fā)明采用硫鋁酸鈣水泥作為水泥基體，主要基于以下原因，與硅酸鹽水泥相比 較，硫鋁酸鈣水泥硬化漿體的孔隙率小，結(jié)構致密，孔直徑小，該特性保證了應力傳感器元 件具有良好的抗凍性；同時硫鋁酸鈣水泥具有微膨脹特性，可以補償應力傳感器元件的體 積干縮，減少收縮裂紋，提高傳感器元件的耐久性。本發(fā)明通過測量傳感器元件的電容信號，而非電阻信號作為感知傳感器元件所受 的應力。這是因為，電容新號與電阻信號相比，具有變化靈敏、穩(wěn)定性好的特點。也就是說， 利用傳感器材料的壓力_電容特性來測量所受應力。材料中的導電纖維包括短切碳纖維和 碳納米管，這些導電材料在水泥基體中形成許多電容器，其中碳纖維之間形成相對較大的 電容器，而碳納米管之間形成更為微觀的電容器，從而在微觀區(qū)域進一步增強整個溫度傳 感器元件的電容。隨著外界作用到傳感器元件上的應力的增大，傳感器元件電極極板間距 不斷縮小，使得傳感器元件內(nèi)部的偶極子極化率提高，傳感器元件的電容不斷增大，這樣， 通過測量傳感器的電容可以感知傳感器器元件所受的應力。由于本發(fā)明的主要成份為硫鋁 酸鈣水泥和砂子的混合物，耐久性良好，而且與大體積水泥混凝土具有良好的相容性。使用 時可以直接將本發(fā)明的傳感器元件安置在大體積混凝土中，安裝工藝簡單，同時可以根據(jù) 檢測的部位的要求，改變傳感器的尺寸以方便檢測所需檢測大體積混凝土部位的應力。本發(fā)明的有益效果是1.采用硫鋁酸鈣水泥作為水泥基體，其應用范圍可拓展至 冰點以下溫度，抗凍性良好；2.除了摻加碳纖維作為功能體外，同時引入碳納米管，傳感器 壓容特性變化敏銳，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。
圖1 不同碳納米管和碳纖維含量的傳感器元件的壓容特性。
具體實施例方式表1 42. 5快硬早強硫鋁酸鈣水泥性能
表2短切聚丙烯烴碳纖維性能參數(shù)
表3碳納米管的性能參數(shù) 表4硫鋁酸鈣水泥熟料中各礦相體系的重量百分比 準備如表1、表2、表3和表4所述理化性能的硫鋁酸鈣水泥、短切聚丙烯烴碳纖維 和碳納米管，制成4組抗凍型水泥基應力傳感器元件。短切聚丙烯烴碳纖維進行清洗、干燥處理，將一定比例的短切聚丙烯烴碳纖維加 入到甲基纖維素溶液中，用玻璃棒攪拌確保短切聚丙烯烴碳纖維分散完全；同時將碳納米 管加入到十二烷基苯磺酸鈉溶液中分散，再將上述兩種溶液倒入攪拌鍋中進行攪拌，按水 灰比0. 35加入水、β -萘磺酸鹽減水劑(水重量的3%。)、磷酸三丁脂消泡劑(水重量的 2%。)，然后分批加入硫鋁酸鈣水泥(同時加入標準砂，砂灰比為3 1)，攪拌4min后，在標 準砂漿模具里注漿成型，埋入銅網(wǎng)電極，振實，將試樣放入標準養(yǎng)護室(溫度為20士 1°C，相 對濕度彡90%)養(yǎng)護，Id后放入水中繼續(xù)養(yǎng)護28d，真空干燥，制成應力傳感器元件。4組 試樣的原料配比見表5。 表5各試樣原料配比(wt % )
圖1為不同碳納米管和短切聚丙烯烴碳纖維含量的應力傳感器元件的壓容特性 曲線。由圖1可以看出，1#試樣電容率變化與應力的比值最大，表明傳感器元件電容變化敏 銳，數(shù)據(jù)變化呈線性；3#試樣電容率與應力變化呈非線性，無明顯壓容特性；2#試樣電容率 變化與應力的比值小于1#試樣；4#試樣由于短切聚丙烯烴碳纖維和碳納米管摻量過多變 成電的良導體而失去顯著的壓容特性。由以上分析可知，短切聚丙烯烴碳纖維和碳納米管 賦予混凝土良好的壓容特性。4組抗凍型水泥基應力傳感器元件，進行抗凍性試驗，測量凍融循環(huán)60次、90次和 150次循環(huán)時試樣的抗壓強度，計算其強度保有率，評定其抗凍融性的好壞。結(jié)果如下凍融循環(huán)后抗壓強度保有率丨％
權利要求
一種抗凍型水泥基應力傳感器元件，包括試塊和一對電極，所述電極分別位于試塊的上表面和下表面，其特征在于所述的試塊包括水泥基體和均勻地分布在水泥基體中的導電纖維；所述的水泥基體為硫鋁酸鈣水泥砂漿，所述導電纖維由短切聚丙烯烴碳纖維和碳納米管組成。
2.根據(jù)權利要求1所述的抗凍型水泥基應力傳感器元件，其特征在于所述的硫鋁酸 鈣水泥熟料中各礦相體系的重量百分比為硫鋁酸鈣 55 75%硅酸二鈣 15 35%鐵鋁酸四鈣 3 10%。
3.根據(jù)權利要求1所述的抗凍型水泥基應力傳感器元件，其特征在于所述試塊的重 量組成為水泥基體98. 5-99. 5%短切聚丙烯烴碳纖維0. 4% -1%碳納米管0. 1% -0.8%o
4.根據(jù)權利要求1所述的抗凍型水泥基應力傳感器元件，其特征在于所述短切聚丙 烯烴碳纖維為長度10-15mm、直徑7士0. 2 μ m、線電阻85 Ω/m、拉伸模量175-215/Gpa。
5.根據(jù)權利要求1所述的抗凍型水泥基應力傳感器元件，其特征在于所述的碳納米 管為外直徑20-40nm、內(nèi)徑5_10nm、長度50 μ m、比表面積110m2/g、密度2. lg/cm3。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種檢測技術領域的傳感器元件，特別涉及一種抗凍型水泥基應力傳感器元件，包括試塊和一對電極，所述電極分別位于試塊的上表面和下表面，所述的試塊包括水泥基體和均勻地分布在水泥基體中的導電纖維；所述的水泥基體為硫鋁酸鈣水泥砂漿，所述導電纖維由短切聚丙烯烴碳纖維和碳納米管組成。本發(fā)明的有益效果是1.采用硫鋁酸鈣水泥作為水泥基體，其應用范圍可拓展至冰點以下溫度，抗凍性良好；2.除了摻加碳纖維作為功能體外，同時引入碳納米管，傳感器壓容特性變化敏銳，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。
文檔編號G01L1/14GK101915629SQ20101022220
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月9日 優(yōu)先權日2010年7月9日
發(fā)明者葉正茂, 周宗輝, 常鈞, 王守德, 程新, 蘆令超, 黃世峰 申請人:濟南大學