CN104864995A - 一种可感知冲击载荷的碳纤维混凝土敏感元件 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种能感知冲击荷载的碳纤维混凝土敏感元件，包括试样，1对电极。试样的基本材料为砂浆，砂浆中水泥和砂子的配合比是1:1.5，短切PAN基碳纤维相对水泥和砂子总质量的百分比为0.2％。本发明具有和被监测混凝土结构兼容性好、价格低廉、操作简单等优点，能实现对冲击荷载的感知，适用于混凝土结构的动态测量。

Description

一种可感知冲击载荷的碳纤维混凝土敏感元件

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及到一种可感知冲击荷载的碳纤维混凝土敏感元件，可用于混凝土建筑结构在冲击载荷作用下的动态响应的测量。

背景技术

混凝土结构在社会上应用广泛，在其长期的使用过程中，会由于疲劳效应、材料老化等原因发生损伤累积，也有可能因为地震、军事打击等因素承受冲击荷载作用，最终导致结构的失效，从而危及到人员财产安全，所以需要对结构的状态进行及时监测。使用传统的机械式传感器内嵌于混凝土结构内部进行监测，具有“异物插入”的缺点，传统传感器的金属材质和被监测结构兼容性差，会对结构的状态变化产生额外的影响，并且价格昂贵，操作比较复杂，并不适用于混凝土结构的健康监测。碳纤维混凝土具有较好的压敏性，能制成碳纤维混凝土本征传感器，用于混凝土结构的准静态监测，但目前研究仅限于准静态加载，冲击载荷作用下碳纤维混凝土的压敏性研究及应用仍比较缺乏。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种能感知冲击荷载的碳纤维混凝土敏感元件，这种元件能实现和被监测的混凝土结构良好的兼容，并且具有成本较低、操作简单等优点。

为了实现以上目的，本发明提出如下的技术解决方案：

直径为38mm、长度为60mm的圆柱形碳纤维混凝土试样，其基料为砂浆，添加增强导电性的短切PAN基的碳纤维，其他外加剂包括增强碳纤维在混凝土中分散性的甲基纤维素和硅灰，以及减水剂和消泡剂。碳纤维掺量为水泥和砂子总质量的0.2％，砂浆中水泥、砂子、水的配合比为1:1.5:0.6，硅灰、甲基纤维素、减水剂、消泡剂等外加剂相对于水泥和砂子的总质量百分比为6％、0.2％、0.4％、0.052％。1对电极，采用铜丝制成，位于试块侧面，通过铜粉导电胶进行粘贴，如图1所示，其中(1)为试块，(2)为电极。

该技术解决方案相比以往的混凝土压敏元件，同样具有成本较低、操作简单等混凝土结构本身兼有的优点，也能很好的和被监测混凝土结构实现兼容。与以往技术方案不同的地方在于，本发明能感知冲击荷载的变化，可以应用于混凝土结构的动态响应测量。如附图所示，图3是使用气炮加载实现的类似半正弦冲击脉冲加载响应波形，图4是冲击加载过程中试样两极间电阻变化的响应信号。对比图3、图4的变化，随着图3中冲击荷载的增大，图4中的电阻出现小幅度的减小、再快速增大的过程，最后稳定在最大值。试样电阻减小对应混凝土的弹性阶段，这是刚开始阶段冲击荷载较小，混凝土被压密实使得电阻减小，发生负压力电阻效应。电阻迅速增大对应混凝土的塑性变形和破坏阶段，此时冲击荷载很大，直接造成了混凝土试样的破坏，说明塑性破坏阶段冲击荷载和电阻有着正压力电阻效应。冲击荷载上升过程中有回落，对应到图4的电阻剧增阶段的变化，当冲击荷载回落时，电阻也有减小，荷载继续增大，电阻也增大，也验证了塑性破坏阶段的正压力电阻效应。图3、图4的对应关系，说明了试样的电阻变化反映了冲击荷载的变化，即试样能感知冲击荷载的变化。

本发明的有益效果体现在以下几个方面：

(1)结构简单，便于安装。该敏感元件体积较小，使用时仅需考虑电极线在混凝土结构内部的绝缘问题；

(2)成本较低。试样的原材料同于普通混凝土，相比压电、压变等的机械式传感器，制作成本低廉；

(3)兼容性好。敏感元件本身即是混凝土，能很好的实现与被监测混凝土结构的兼容，不改变结构原始状态；

(4)能感知混凝土结构所受冲击载荷，在测量时间内可保证传感器的正常输出，获取的测量曲线正常。

附图说明

图1是本发明示意图；

图2是本发明实施例的测试系统；

图3是本发明实施例中试样承受的冲击荷载响应曲线；

图4是本发明实施例中试样在图3所示的冲击作用下的电阻变化的响应曲线；

具体实施方案

实施例1

本发明提供一种圆柱形碳纤维混凝土敏感元件，由砂浆、碳纤维等组成，砂浆中水泥和砂子配合比是1:1.5，试块中添加的其他成分相对于水泥和砂子总质量的百分比为：碳纤维0.2％，硅灰6％，分散剂0.2％，减水剂0.4％，消泡剂0.052％。圆柱形试样的尺寸为：直径38mm、长度60mm。1对电极，采用铜丝制成，位于试块侧面，通过铜粉导电胶进行粘贴。

上述碳纤维为短切PAN基碳纤维，长度为6mm，直径为7μm，拉伸模量为228GPa，抗拉强度为3500MPa，碳含量为95％。分散剂为甲基纤维素，减水剂为聚羧酸减水剂。铜粉导电胶为市售DB2011-双组份铜粉导电胶。

上述试样采用湿拌法制作。按照配比，先将碳纤维和甲基纤维素等溶解在水中，配成分散剂溶液，放置一段时间，待碳纤维和甲基纤维素溶解充分后，再将水泥、砂子、硅灰和分散剂溶液充分搅拌，浇注到模具中成型并进行脱模、养护，制得试样。

实施例中，使用气炮加载装置，通过压缩气体推动弹丸撞击安装在固定底座上的试样，在试样端面粘贴一片压电薄膜以测量冲击荷载，通过试样两电极将试样连入动态应变仪，测量试样两极间电阻变化的响应信号。试验中压缩气体压力为0.11MPa，弹丸撞击速度为26m/s，撞击冲量为13.47kg·m/s。试验使用的数据采集仪为美国HBM公司的GENSIS，应变仪为日本DC-97A超动态应变仪，测试系统如图2。

实施例采集到的压电薄膜和混凝土电阻变化的响应信号如图3、图4。对比图3、图4可知，随着压力的增加，混凝土电阻先出现电阻减小的负压力电阻效应，然后开始增大，即正压力电阻效应，最后维持在一最大值不变，表示试块已经发生破坏，分别对应了混凝土结构的弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。图3、图4曲线的对应关系说明了实施例中的试块能感知冲击荷载的变化。

Claims (1)

1.一种可感知冲击载荷的碳纤维混凝土敏感元件，其特征在于，

包括试块，1对电极；试块为圆柱形，尺寸为直径38mm、长度60mm，所述的1对电极为铜丝制作，位于试块侧面，通过铜粉导电胶粘贴；

试块的基本材料为砂浆，砂浆中水泥和砂子配合比是1:1.5，试块中添加的其他成分相对于水泥和砂子总质量的百分比为：碳纤维0.2％，硅灰6％，分散剂0.2％，减水剂0.4％，消泡剂0.052％；所述的碳纤维采用短切PAN基碳纤维，分散剂采用甲基纤维素，减水剂采用聚羧酸减水剂，消泡剂采用磷酸三丁酯。