CN101915629A - 抗冻型水泥基应力传感器元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种检测技术领域的传感器元件，特别涉及一种抗冻型水泥基应力传感器元件，包括试块和一对电极，所述电极分别位于试块的上表面和下表面，所述的试块包括水泥基体和均匀地分布在水泥基体中的导电纤维；所述的水泥基体为硫铝酸钙水泥砂浆，所述导电纤维由短切聚丙烯烃碳纤维和碳纳米管组成。本发明的有益效果是：1.采用硫铝酸钙水泥作为水泥基体，其应用范围可拓展至冰点以下温度，抗冻性良好；2.除了掺加碳纤维作为功能体外，同时引入碳纳米管，传感器压容特性变化敏锐，数据稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测技术领域的传感器元件，特别涉及一种用于监测混凝土结构压应力变化并能与大体积混凝土融为一体，同时抗冻性良好的抗冻型水泥基应力传感器元件。
背景技术
土木工程领域中的众多大型建筑结构，规模庞大、结构复杂，其使用期都长达几十年、甚至上百年。在其服役过程中，由于环境载荷作用、疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等不利因素的影响；同时环境温度的反复变化，例如结冰和解冻、潮湿和干燥或者加热和冷却等，会引起温度梯度，对建筑结构产生破坏，结构将不可避免地产生损伤积累、抗力衰减，甚至导致突发事故，建筑结构一旦失效，后果将是灾难性的。因此，加强大型土木工程结构的健康检测已经成为土木结构的一个热点。土木结构健康监测的一个重要途径是在结构关键部位埋设应力传感器，在线监测结构的受力情况来推测结构的健康状况。常用的传感器有电阻应变片、压电陶瓷和光导纤维等。这些传感器的埋设，会不可避免地损坏建筑物的结构；传统传感器的价格高，且使用期限仅为几年到十几年，需要不断更换，大大增加了建筑物建设和维护成本；传统传感器仅能测试特定地方的受力状况，对于大面积的应力测量无能为力；传统传感器在变形特性等方面与混凝土有本质差别，存在明显地相容性问题。
近年来基于碳纤维水泥复合材料的机敏效应而制作的水泥基传感器为解决传统传感器所存在的问题带来了希望。由于其主要原材料为水泥和少量碳纤维，碳纤维水泥传感器与混凝土的相容性非常好、造价低，耐久性也与混凝土相当。目前人们已经发明出检测应力状况的水泥基传感器。例如，专利02132967.2“机敏混凝土传感元件”提到了一种碳纤维混凝土应力传感器，专利200610009828.9提到了适合压敏性能测量的电极材料的选择，安装方式和测量方法。但以上研究并没有提及适用于正负温反复作用环境工作的水泥基应力传感器。实际许多混凝土结构的周围环境温度可在正负温度范围内变化，尤其是最低温度，在寒冷的冬季或高原地区，环境的最低温度可达-15℃～-20℃之间。青藏高原年正负变温的天数高达180d，日温差可达30℃，在此服役的需要健康检测的混凝土建筑结构就需要考虑到应力传感器的使用环境。以往的碳纤维水泥基机敏传感器材料均采用普通硅酸盐水泥作为水泥基体，但普通硅酸盐水泥存在抗冻性差的缺点，在正负反复作用下容易遭到破坏，影响水泥基应力传感器的使用寿命和测量准确性。
发明内容
为了解决水泥基应力传感器存在抗冻性差，温度正负反复作用下容易遭到破坏，影响水泥基应力传感器的使用寿命和测量准确性，本发明提供了一种抗冻型水泥基应力传感器元件。
本发明通过以下措施实现：
本发明的抗冻型水泥基应力传感器元件，包括试块和一对电极，所述电极分别位于试块的上表面和下表面，其特别之处在于：所述的试块包括水泥基体和均匀地分布在水泥基体中的导电纤维；所述的水泥基体为硫铝酸钙水泥砂浆，所述导电纤维由短切聚丙烯烃碳纤维和碳纳米管组成。
上述的抗冻型水泥基应力传感器元件，所述的硫铝酸钙水泥熟料中各矿相体系的重量百分比为：
硫铝酸钙 55～75％
硅酸二钙 15～35％
铁铝酸四钙 3～10％。
上述的抗冻型水泥基应力传感器元件，所述试块的重量组成为：
水泥基体：98.5-99.5％
短切聚丙烯烃碳纤维：0.4％-1％
碳纳米管：0.1％-0.8％。
上述的抗冻型水泥基应力传感器元件，所述短切聚丙烯烃碳纤维为：长度10-15mm、直径7±0.2μm、线电阻85Ω/m、拉伸模量175-215/Gpa。
上述的抗冻型水泥基应力传感器元件，所述的碳纳米管为：外直径20-40nm、内径5-10nm、长度50μm、比表面积110m2/g、密度2.1g/cm3。
本发明采用硫铝酸钙水泥作为水泥基体，主要基于以下原因，与硅酸盐水泥相比较，硫铝酸钙水泥硬化浆体的孔隙率小，结构致密，孔直径小，该特性保证了应力传感器元件具有良好的抗冻性；同时硫铝酸钙水泥具有微膨胀特性，可以补偿应力传感器元件的体积干缩，减少收缩裂纹，提高传感器元件的耐久性。
本发明通过测量传感器元件的电容信号，而非电阻信号作为感知传感器元件所受的应力。这是因为，电容新号与电阻信号相比，具有变化灵敏、稳定性好的特点。也就是说，利用传感器材料的压力-电容特性来测量所受应力。材料中的导电纤维包括短切碳纤维和碳纳米管，这些导电材料在水泥基体中形成许多电容器，其中碳纤维之间形成相对较大的电容器，而碳纳米管之间形成更为微观的电容器，从而在微观区域进一步增强整个温度传感器元件的电容。随着外界作用到传感器元件上的应力的增大，传感器元件电极极板间距不断缩小，使得传感器元件内部的偶极子极化率提高，传感器元件的电容不断增大，这样，通过测量传感器的电容可以感知传感器器元件所受的应力。由于本发明的主要成份为硫铝酸钙水泥和砂子的混合物，耐久性良好，而且与大体积水泥混凝土具有良好的相容性。使用时可以直接将本发明的传感器元件安置在大体积混凝土中，安装工艺简单，同时可以根据检测的部位的要求，改变传感器的尺寸以方便检测所需检测大体积混凝土部位的应力。
本发明的有益效果是：1.采用硫铝酸钙水泥作为水泥基体，其应用范围可拓展至冰点以下温度，抗冻性良好；2.除了掺加碳纤维作为功能体外，同时引入碳纳米管，传感器压容特性变化敏锐，数据稳定。
附图说明
图1：不同碳纳米管和碳纤维含量的传感器元件的压容特性。
具体实施方式
表1 42.5快硬早强硫铝酸钙水泥性能
表2短切聚丙烯烃碳纤维性能参数
表3碳纳米管的性能参数
表4硫铝酸钙水泥熟料中各矿相体系的重量百分比
准备如表1、表2、表3和表4所述理化性能的硫铝酸钙水泥、短切聚丙烯烃碳纤维和碳纳米管，制成4组抗冻型水泥基应力传感器元件。
短切聚丙烯烃碳纤维进行清洗、干燥处理，将一定比例的短切聚丙烯烃碳纤维加入到甲基纤维素溶液中，用玻璃棒搅拌确保短切聚丙烯烃碳纤维分散完全；同时将碳纳米管加入到十二烷基苯磺酸钠溶液中分散，再将上述两种溶液倒入搅拌锅中进行搅拌，按水灰比0.35加入水、β-萘磺酸盐减水剂(水重量的3‰)、磷酸三丁脂消泡剂(水重量的2‰)，然后分批加入硫铝酸钙水泥(同时加入标准砂，砂灰比为3∶1)，搅拌4min后，在标准砂浆模具里注浆成型，埋入铜网电极，振实，将试样放入标准养护室(温度为20±1℃，相对湿度≥90％)养护，1d后放入水中继续养护28d，真空干燥，制成应力传感器元件。4组试样的原料配比见表5。
表5各试样原料配比(wt％)
图1为不同碳纳米管和短切聚丙烯烃碳纤维含量的应力传感器元件的压容特性曲线。由图1可以看出，1#试样电容率变化与应力的比值最大，表明传感器元件电容变化敏锐，数据变化呈线性；3#试样电容率与应力变化呈非线性，无明显压容特性；2#试样电容率变化与应力的比值小于1#试样；4#试样由于短切聚丙烯烃碳纤维和碳纳米管掺量过多变成电的良导体而失去显著的压容特性。由以上分析可知，短切聚丙烯烃碳纤维和碳纳米管赋予混凝土良好的压容特性。
4组抗冻型水泥基应力传感器元件，进行抗冻性试验，测量冻融循环60次、90次和150次循环时试样的抗压强度，计算其强度保有率，评定其抗冻融性的好坏。结果如下：
冻融循环后抗压强度保有率/％
Claims (5)
1.一种抗冻型水泥基应力传感器元件，包括试块和一对电极，所述电极分别位于试块的上表面和下表面，其特征在于：所述的试块包括水泥基体和均匀地分布在水泥基体中的导电纤维；所述的水泥基体为硫铝酸钙水泥砂浆，所述导电纤维由短切聚丙烯烃碳纤维和碳纳米管组成。
2.根据权利要求1所述的抗冻型水泥基应力传感器元件，其特征在于：所述的硫铝酸钙水泥熟料中各矿相体系的重量百分比为：
硫铝酸钙 55～75％
硅酸二钙 15～35％
铁铝酸四钙 3～10％。
3.根据权利要求1所述的抗冻型水泥基应力传感器元件，其特征在于：所述试块的重量组成为：
水泥基体：98.5-99.5％
短切聚丙烯烃碳纤维：0.4％-1％
碳纳米管：0.1％-0.8％。
4.根据权利要求1所述的抗冻型水泥基应力传感器元件，其特征在于：所述短切聚丙烯烃碳纤维为：长度10-15mm、直径7±0.2μm、线电阻85Ω/m、拉伸模量175-215/Gpa。
5.根据权利要求1所述的抗冻型水泥基应力传感器元件，其特征在于：所述的碳纳米管为：外直径20-40nm、内径5-10nm、长度50μm、比表面积110m2/g、密度2.1g/cm3。
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