CN105371744A - 一种高延性水泥基应变传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高延性水泥基应变传感器，该高延性水泥基应变传感器由敏感材料和埋入其内的电极及多股铜导线构成，所述电极有4片，分别是2片供电电极和位于其间的2片测量电极；多股铜导线的一端从同一位置引出，另一端削皮露出铜线，该铜线分别缠绕在4片电极上。本发明具有高的拉伸延性，检测拉应变的量程大，外接设备简单，应用面广，能检测拉、压应变等优点。

Description

一种高延性水泥基应变传感器

技术领域

本发明涉及智能混凝土领域，尤其涉及一种含纳米石墨烯片(GnPs)与聚乙烯醇(PVA)纤维混掺增强的高延性水泥基应变传感器。

背景技术

混凝土原材料来源丰富，造价低廉，施工方便，强度和耐久性优异，在建筑工程中得到了广泛应用。随着当今混凝土结构向大型化、智能化发展，水泥混凝土材料本身有向结构与智能一体化方向发展的趋势。水泥基智能复合材料是实现土木工程结构智能化的关键支撑材料。水泥基智能复合材料不仅在使用性能上不低于普通混凝土，而且具备对应变的自感知能力。水泥混凝土本身导电性较差，通过掺入导电材料可提高其导电性。在此基础上，水泥基智能复合材料对应变的自感知能力通过材料本身的电阻率随应变而有规律变化来体现。与光纤传感器、压电陶瓷传感器等相比，水泥基应变传感器自身是结构材料，埋入混凝土中时不会削弱混凝土结构的力学性能，而且具有造价低、耐久性好、与混凝土结构协同工作性好等优点。

各种碳材料和钢纤维是制造水泥基应变传感器的主要导电掺合料，碳纤维、石墨粉和导电炭黑等在导电混凝土和水泥基应变传感器中的应用方面的专利比较多，但掺石墨烯的水泥基复合材料方面的专利相对较少。石墨烯是sp2杂化的碳原子紧密堆积成的单层二维蜂窝状晶格结构，是目前世界上最薄的单原子厚度的材料(厚度仅有0.335nm)，是构成石墨(3维)、碳纳米管(1维)和富勒烯(0维)等材料的基本单元。2004年英国曼彻斯特大学的Geim和Novoselov用机械剥离法从石墨中得到的仅由单层碳原子构成的石墨烯，两人在2010年因该成果获得诺贝尔物理学奖。单层石墨烯(仅含单层碳原子)价格昂贵，将单层石墨烯用于量大面广的水泥混凝土中显然不现实。中国专利文献201310233476.5公开了一种氧化石墨烯(GO)水泥基复合材料应力传感器，传感材料为GO改性水泥，GO占水泥和GO总质量的0.02％。GO粒径为1～5μm，厚度为0.8～1.2nm；从其厚度来看，该专利提到的GO属含多个碳原子层的多层石墨烯。GO一般采用Hummers方法制得：采用浓硫酸、高锰酸钾、双氧水等强氧化剂渗透进石墨层间，使之发生氧化作用形成含氧基团，减弱层间的相互作用，增加石墨层间距离，部分层间分离形成GO。由于GO中存在大量含氧基团且层间距离增大，故其导电性比石墨、单层石墨烯要差。目前GO价格也较高。中国专利文献201310369551.0公开了一种石墨烯水泥增强剂，由三乙醇胺15～40份、乙二醇5～20份、乙酸钠5～20份、石墨烯10～40份、水泥抗渗防水剂2～10份、水50～100份等配成。水泥熟料与石墨烯水泥增强剂比例为4000～6000:1，用于提高水泥硬化后的强度。该专利还不涉及到石墨烯水泥基应变传感器，而且也未说明所采用的石墨烯是单层还是多层？粒径大小如何？本发明申请中采用的是纳米石墨烯片(用代号GnPs表示)，为多层石墨烯；目前已工业化生产，价格为2000元/公斤左右，远低于单层石墨烯和GO；尽管GnPs的电、磁、热性能要低于单层石墨烯，其硬度和电导率却要远高于石墨，是一种低成本的导电纳米材料；GnPs厚度在几纳米到100纳米之间，拥有超大的比表面积和宽厚比，使得其在改善水泥基复合材料的力学性能、以及在基体内形成导电网络方面有很大优势。

现有水泥基应变传感器拉伸延性差。延性以材料拉伸时达到极限应力时所对应的极限拉伸应变来衡量，则现有水泥基应变传感器在拉伸应变达到0.02％时就会发生脆性断裂，断裂后难以继续感知应变。因此，现有水泥基应变传感器对拉伸应变的检测量程为0.02％左右。但是，在混凝土结构中，检测拉伸应变却非常重要。这是因为，当受拉区应变达到或超过钢筋屈服应变(0.2％左右)时，结构将接近其承载限度。因此，必须提高水泥基应变传感器对拉伸应变的检测能力。普通纤维增强水泥基复合材料主要体现在韧性的提高上，对拉伸延性的改善作用并不明显。以聚乙烯醇纤维配制的水泥基复合材料是一种高延性的水泥基复合材料，又称为ECC(可设计水泥基复合材料)、SHCC(应变硬化水泥基复合材料)或UHTCC(超高韧性水泥基复合材料)等。但是，这种复合材料本身导电性差，主要靠水泥基体导电。再者，在ECC等在受拉时水泥基体内产生多条细密裂纹(平均宽度45微米左右)阻断导电通路，导致电阻变化不连续，故难以作为水泥基应变传感器使用。针对这一问题，本发明将聚乙烯醇纤维和GnPs混掺于水泥基复合材料中，使得部分GnPs覆盖在聚乙烯醇纤维表面，以提高聚乙烯醇纤维的导电性。聚乙烯醇纤维在发挥桥联作用阻止水泥基体裂纹局部化的同时，也将起导线的作用连通细密裂纹，保持导电通路不被细密裂纹阻断。因此，发明的水泥基应变传感器的电阻随拉应变变化连续，并具有大的拉应变检测量程。另外，GnPs与水泥水化产物间的界面接触电阻会随拉或压应变的变化而变化，这也是所发明的水泥基应变传感器的工作原理之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有水泥基应变传感器检测拉应变的量程偏小，难以满足工程需要等问题，提供一种高延性水泥基应变传感器(以下称之为HDCSS)，该传感器能用于混凝土结构中检测压应变和拉应变。

本发明解决这些技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的HDCSS，其由敏感材料和埋入其内的电极及多股铜导线构成，所述电极有4片，分别是2片供电电极和位于其间的2片测量电极；多股铜导线的一端从同一位置引出，另一端削皮露出铜线，该铜线分别缠绕在4片电极上。

所述的4片电极，平行排布，相邻电极间的距离相等，并且均为不锈钢丝网或镀锡钢丝网，正方形网孔边长为4-8mm。

所述的缠绕在4片电极上的铜线，其上滚涂有熔化的焊锡，以防止铜线氧化。

所述的敏感材料，是以普通硅酸盐水泥、I级粉煤灰和粒径小于0.60mm的砂为基体材料，掺入水、聚乙烯醇纤维、GnPs、聚羧酸减水剂和粘度调节剂拌制而成。

所述的敏感材料的各原料的质量配比为：

水泥：粉煤灰：砂：水：聚乙烯醇纤维：GnPs:聚羧酸减水剂：粘度调节剂＝1：1.2～2.4：1～1.52：0.68～1.04：0.049～0.076:0.009～0.079:0.009～0.072:0.00056～0.0009。

所述的GnPs，呈片状，粒径(D50)为5～25μm，片层厚度为6～8nm，比表面积120～150m²/g。

所述的拌制方法是：按质量配比计，先将50％的聚羧酸减水剂、80％的水和全部GnPs混合，再通过超声波分散纳米石墨烯片。

所述的HDCSS，其供电电路主要由供电电极、参考电阻、直流恒压源串联而成。

本发明通过检测两测量电极间的电压和参考电阻两端的电压，根据串联分压的原理，测得传感器的电阻；由测得的电阻，计算其相对传感器初始电阻的电阻变化率，再根据标定的应变与电阻变化率间的分段函数关系得出实测的应变值。

所述实测的应变值，其应变检测量程从-0.0023到0.03，即-0.23％～3.0％。

本发明与现有技术相比具有如下主要的突出效果：

第一，HDCSS具有高的拉伸延性。

HDCSS极限拉伸应变在3％以上，是现有水泥基传感器的100倍以上。

第二，检测拉应变的量程大。

HDCSS中聚乙烯醇纤维和GnPs起到了应力桥联和导电通路的作用，应变-电阻效应能够在较大的拉应变范围内存在。

第三，外接设备简单。

本发明采用普通直流电压源作为HDCSS的电源，现有技术往往需要高精度的电流源，导致外接设备成本较高。

第四，应用面广。具有拉、压应变检测能力，土木工程中对拉应变的检测更加重要。

附图说明

图1为HDCSS传感器的结构示意图；

图2为HDCSS传感器的剖面图

图3为HDCSS传感器与外接设备接线示意图；

图4为HDCSS在单轴拉伸时的应力-应变关系；

图5为HDCSS拉应变与电阻变化率之间的关系；

图6为HDCSS压应变与电阻变化率之间的关系；

图7为埋有HDCSS的钢筋混凝土梁。

图中：1.敏感材料；2.供电电极；3.测量电极；4.多股铜导线；5.环氧树脂层；6.粘砂层。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应理解为对本发明的限制。

本发明提供的HDCSS，其制备工艺简单。例如：HDCSS的敏感材料参考配合比(质量比)为水泥：粉煤灰：砂：水：聚乙烯醇纤维：GnPs:聚羧酸减水剂：粘度调节剂＝1：1.2～2.4：1～1.52：0.68～1.04：0.049～0.076:0.009～0.079:0.009～0.072:0.00056～0.0009。水泥为普通硅酸盐水泥，粉煤灰为I级粉煤灰，砂为砂粒小于0.60mm的砂。先将总用水量的80％和聚羧酸减水剂总用量的50％混合，再加入全部GnPs。然后，在常温下超声分散2小时。将水泥、粉煤灰、砂干拌1分钟后，再将GnPs悬浮液加入并搅拌1分钟，再加入剩余的水和聚羧酸减水剂搅拌2分钟。再边搅拌边撒入聚乙烯醇纤维，历时3分钟。最后加入粘度调节剂，以调节混合料的粘稠度，搅拌1分钟。搅拌完毕，将混合料填充入金属模具中，振实2分钟。24小时后脱模，标准养护箱内养护28天后取出。填料前先在模具中插入4片不锈钢丝网或镀锡钢丝网作为电极，用于测试电阻。

本发明提供的HDCSS，其结构是：由敏感材料、2片供电电极、2片测量电极、多股铜导线、环氧树脂层、粘砂层组成，其中供电电极和测量电极埋入敏感材料内部，多股铜导线与上述4片电极连接后埋入敏感材料中并从同一位置引出。环氧树脂层包裹敏感材料，粘砂层位于环氧树脂层上面。4片电极分开平行排布，相邻电极间的距离相等。这4片电极中，2片供电电极处于外侧，而2片测量电极处于中间位置。供电电极用于连接传感器外部供电电路，给传感器输入电流。测量电极用于与电压检测仪器连接，以测得两测量电极间的电压。由测得的电压得到传感器的电阻。环氧树脂层起防水、绝缘、粘砂的作用。粘砂层用于提高HDCSS埋入时与被埋入的普通混凝土的粘结强度。

所述的HDCSS的基本结构如图1和图2所示。在敏感材料1内埋入4片电极，图1中4片电极按从左至右的顺序分别为：供电电极2、测量电极3、测量电极3、供电电极2。将带绝缘皮的多股铜导线4的一端削皮露出铜线，再将铜线分别缠绕在4片电极上，最后在铜线上滚涂熔化的焊锡，以防止铜线氧化。多股铜导线4埋于敏感材料1中并从同一位置引出。敏感材料1(包括内埋的电极和多股铜导线)在标准养护箱内养护28天后取出，再在空气中干燥3天后，在其表面涂一层厚度为0.5mm左右的环氧树脂层5，待环氧树脂层5半干时撒一层颗粒粒径为0.6～1.25mm的砂，形成粘砂层6。环氧树脂层5起防水、绝缘、粘砂等作用。粘砂层6有利于HDCSS埋入混凝土结构时能与被埋入的普通混凝土结合良好。

所述的纳米石墨烯片(GnPs)，碳含量大于99.5％，呈片状，粒径(D50)为5～25μm，厚度为6～8nm,比表面积120～150m²/g，其电导率为10⁷S/m(平行片层方向)和10²S/m(厚度方向)。GnPs为片状，与水泥基体有更大的接触面，在改善水泥基复合材料的导电性和应变敏感性方面发挥作用。

所述的GnPs分散方法为，先将50％的聚羧酸减水剂、80％的水和全部GnPs混合，再通过超声波分散GnPs。超声波产生的流体剪力破坏GnPs片层间的作用力，使得GnPs片层散开。同时，聚羧酸减水剂分子通过静电作用吸附于GnPs表面，使得GnPs片层间产生静电斥力。而且，聚羧酸减水剂分子中的PEO(即聚环氧乙烷)侧链产生空间位阻斥力。静电斥力和空间位阻斥力均有利于GnPs在水中的分散与悬浮。

所述的聚乙烯醇纤维与经聚羧酸减水剂和超声波分散的GnPs悬浮液共混时，GnPs表面的羧基(-COOH)、羟基(-OH)(均来自于GnPs所吸附的聚羧酸减水剂)与聚乙烯醇纤维表面的羟基(-OH)形成氢键。这将使聚乙烯醇纤维表面被部分GnPs所覆盖，导致聚乙烯醇纤维具有导电性，聚乙烯醇纤维将作为导线连通水泥基体内的细微裂纹，使得导电通路不被细微裂纹所隔断，增加敏感材料对拉应变的感知范围。

所述的供电电极和测量电极，材料为不锈钢丝网或镀锡钢丝网，正方形网孔边长为4-8mm。4片电极平行排布，相邻电极间的距离相等。

所述的HDCSS的接线和外接设备见图3，图3中的数字对应图1中各部件的编号。传感器的供电电路由直流稳压电源、参考电阻R_r、多股铜导线4、供电电极2和两供电电极间的敏感材料1串联在一起构成。再利用电压检测仪器测得两测量电极3间的电压，称为U_HDCSS。同时测得参考电阻R_r两端的电压，称为Ur。则根据串联分压的原理，得出两测量电极间所包含敏感材料的电阻R_x，公式如下：

$R_x=\frac{U_{HDCSS}}{U_r}\·R_r---\left(1\right)$

上式中，U_HDCSS为两测量电极间的电压；Ur为参考电阻R_r两端的电压；R_r为参考电阻的电阻值；R_x两测量电极间所包含敏感材料的电阻。

HDCSS发生变形时，其电阻相应发生变化，电阻变化程度用电阻变化率表示，其定义为：

$\frac{\mathrm{\Δ}R}{R_0}=\frac{R_x-R_0}{R_0}---\left(2\right)$

式中，ΔR/R₀为电阻变化率；R₀为HDCSS未变形时的电阻(即初始电阻)。

将得到的ΔR/R₀代入到预先标定的应变与ΔR/R₀关系式中，即得应变。应变与ΔR/R₀关系式的一般表示形式为：

$\mathrm{\ϵ}=a_1{(\mathrm{\Δ}R/R_0)}^{n_1}+a_2{(\mathrm{\Δ}R/R_0)}^{n_2}+...---\left(3\right)$

式中，ε为测得的应变；a₁,a₂,n₁,n₂...为常数。

本发明提供的上述HDCSS，其工作过程是：将HDCSS埋入混凝土结构中后，再将其两供电电极接入供电电路，两测量电极接入电压检测仪器。当混凝土结构变形时，HDCSS发生拉伸或压缩变形。由检测得到的两测量电极间的电压和参考电阻两端的电压，根据串联分压的原理，得出传感器的电阻。由测得的电阻，计算其相对传感器初始电阻的电阻变化率，再根据标定的应变与电阻变化率间的分段函数关系得出实测的应变值。上述过程可以通过专门设计的软件实现自动测量，能实时、快速、直接给出测得的应变值，以数据文件或图线形式给出应变值。

下面将结合具体实施例说明。

具体实施例1：

选取原材料质量配比为：水泥：粉煤灰：砂：水:聚乙烯醇纤维：GnPs：聚羧酸减水剂：粘度调节剂＝1：2.0：1.35：0.93：0.067:0.034：0.033:0.00076。选取的GnPs(美国XGSciences公司生产)呈片状，粒径(D50)为5μm，片层厚度为6-8nm，比表面积120-150m²/g。GnPs的电导率为10⁷S/m(平行片层方向)和10²S/m(厚度方向)。聚乙烯醇纤维由安徽皖维高新材料股份有限公司生产，纤维直径为35μm，长度为12mm,弹性模量为39.4GPa，抗拉强度为1092MPa。采用湖北华新水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥(牌号P.O42.5)、武汉阳逻电厂的I级粉煤灰。聚羧酸减水剂为ADVA152，由美国格雷斯中国有限公司生产。粘度调节剂为Rheoplus420(巴斯夫公司生产)。本地产砂过筛，选用的砂中各种砂粒的质量比为：粒径为0.30～0.60mm的砂：粒径为0.15～0.30mm的砂：粒径为0.106～0.15mm的砂：粒径为0.075～0.106mm的砂＝20：65:13:2。先将总用水量的80％和ADVA152总用量的50％混合，再加入全部GnPs。然后，将GnPs、水和ADVA152的混合液装入烧杯中，再放入超声波清洗机的水槽内，在常温下超声分散2小时。选用的超声波清洗机为深圳市洁盟清洗设备有限公司生产，型号为JP-020B，超声波功率为120W，频率为40kHz。之后，采用JJ-5型水泥胶砂搅拌机将水泥、粉煤灰、砂干拌1分钟后，再将GnPs悬浮液加入并搅拌1分钟，再加入剩余的水和ADVA152搅拌2分钟。再边搅拌边撒入聚乙烯醇纤维，历时3分钟。最后加入粘度调节剂，以调整混合料的粘稠度，搅拌1分钟。采用NLD-3型水泥胶砂流动度测试仪测试，流动度在190～200mm。制成了截面尺寸为40mm×40mm，高为160mm的HDCSS。填料前先在模具内沿试样高度方向均布置4片不锈钢丝网(正方形网孔边长为8mm)，相邻电极距离为45mm,最外2片不锈钢丝网离模具两端底板12.5mm。将混合料填入金属模具中，在GZ-85型水泥胶砂振动台上振实2分钟。24小时后脱模，标准养护箱内养护28天后取出。把HDCSS沿高度方向放置，将其上下两端用环氧树脂粘结在拉伸夹具上，将精密LVDT位移计固定在两测量电极所在的区域以测量拉应变。测得拉伸时的应力-应变曲线如图4所示。可见，敏感材料在水泥基体发生初裂后，并未丧失承载能力，而是随应变的增加应力有所增加，具有类似金属材料的应变硬化特性，最大拉应力接近4MPa，最大拉应力对应的拉伸应变(称为极限拉伸应变)达到0.033(即3.3％)。

在拉伸试验时，同时测量HDCSS的电阻。供电电路采用0-12V直流稳压电源(台湾固纬电子有限公司生产)、参考电阻R_r＝1kΩ。采用美国Keithley公司的2700型数字万用表作为电压检测仪器同时测得U_HDCSS和Ur。HDCSS的初始电阻R₀为24.86kΩ。得出的拉应变ε与ΔR/R₀关系曲线如图5所示，由此可得公式(3)用分段函数的具体表达式为：

检测拉应变时，R_x随应变增加而增加，ΔR/R₀为正数，即拉应变与ΔR/R₀同为正数。HDCSS测量拉应变的量程为0～0.033(即0～3.3％)。

具体实施例2:

材料配比和材料参数与实施例1相同，制成了截面尺寸为40mm×40mm，高为160mm的HDCSS，测试压应变与ΔR/R₀的关系。压缩时，把HDCSS沿高度方向放置，用超硬快干石膏调平HDCSS的上下表面，将精密LVDT位移计固定在两测量电极所在的区域以测量压应变。所得压应变与ΔR/R₀关系曲线如图6所示，此时公式(3)用分段函数的具体表达式为：

检测压应变时，R_x随应变的绝对值增加而减小，ΔR/R₀为负数，即压应变与ΔR/R₀同为负数。HDCSS测量压应变的量程为-0.0023～0(即-0.23％～0)。

合并公式(5)和(6)即为标定的应变与ΔR/R₀关系式。可见，应变测量范围从-0.0023(即-0.23％)到0.033(即3.3％)，拉应变量程大于压应变量程。

在图5和图6，以及公式(5)和(6)中，第一个区间内应变与ΔR/R₀为线性关系。而第二个区间内(即图5和图6中的AB段)应变与ΔR/R₀为非线性关系。将单位应变对应的电阻变化率称为应变传感器的灵敏度。将第一个区间内HDCSS的灵敏度定义为线性段灵敏度，而将第二个区间内HDCSS的灵敏度定义为非线性段灵敏度。线性段灵敏度计算式为：

$K_1=\frac{\mathrm{\Δ}R/R_0}{\mathrm{\ϵ}}---\left(7\right)$

而对非线性段灵敏度，为简化计算，取非线性段内平均灵敏度计算，即ΔR/R₀总的变化量与对应的应变变化量之比来表示。即：

$K_2=\frac{{(\mathrm{\Δ}R/R_0)}_B-{(\mathrm{\Δ}R/R_0)}_A}{{\mathrm{\ϵ}}_B-{\mathrm{\ϵ}}_A}---\left(8\right)$

上式中，(ΔR/R₀)_A、(ΔR/R₀)_B分别指图5和图6中A点和B点所对应的ΔR/R₀；ε_A、ε_B分别指A点和B点所对应的应变。

根据上述定义可得：HDCSS的线性段灵敏度为：22.88(拉伸变形时)、133.3(压缩变形时)；非线性段灵敏度为：3.46(拉伸变形时)、24.65(压缩变形时)。

具体实施例3：

改变GnPs掺量，材料配比如表1所示。材料参数、制备方法与测试方法同实施例1。表1中A1-A6对应的GnPs体积掺量分别为0.2％、0.4％、0.6％、0.8％、1.0％、1.2％等6种配比。其中，A3为实施例1所采用的配比。当GnPs体积掺量大于1.2％后，GnPs较难均匀分散。表2为测得以不同掺量GnPs制备的HDCSS的灵敏度，也可得出与公式(5)和公式(6)类似的分段函数。各种HDCSS对拉伸应变的感知量程均在3.0％以上。

具体实施例4：

除改变GnPs片层大小外，材料配比、材料参数、制备方法和测试方法同实施例1。选取的GnPs(美国XGSciences公司生产)呈片状，粒径(D50)分别为15μm和25μm，片层厚度为6～8nm，比表面积120～150m²/g。HDCSS对拉伸应变的感知量程保持在3.0％以上。但发现随GnPs粒径的增加，测得线性段灵敏度和非线性段灵敏度呈减少的趋势。

具体实施例5：

材料配比和材料参数同实施例1,但所采用的GnPs分散方法不同。共有3种。方法S1：将GnPs加入100％的水中，手工搅拌5分钟。方法S2：先将50％的ADVA152、80％的水和GnPs共混，手工搅拌5分钟。方法S3：为实施例1中所采用的GnPs分散方法(即将50％的ADVA152、80％的水和GnPs共混，再超声分散2小时)。按上述3种方法分散GnPs后，后续制备过程同实施例1。分别制得边长为70mm的立方体试样，测试28天抗压强度。这3种分散方法制得的HDCSS的抗压强度分别为33.2MPa(S1)、37.5MPa(S2)和42.6MPa(S3)。可见，按S1、S2、S3的顺序，HDCSS抗压强度依次增加，表明同时采用ADVA152和超声波分散GnPs，分散效果较好。如GnPs分散不好，将会在HDCSS内形成一些缺陷，引起应力集中，降低其抗压强度。

具体实施例6：

将HDCSS埋入钢筋混凝土梁中，梁截面为150mm(厚)×300mm(高)，长为3000mm，如图7所示。混凝土标号为C40。混凝土配比为普通硅酸盐水泥(牌号P.O42.5，湖北华新水泥有限公司生产)490kg/m³，本地产中砂670kg/m³，本地产卵石1080kg/m³，水143kg/m³，聚羧酸减水剂ADVA152(美国格雷斯中国有限公司生产)17kg/m³。纵筋为Φ18螺纹钢筋，箍筋为Φ6螺纹钢，钢材牌号为HRB335。钢筋外混凝土保护层厚度为20mm。在梁的上、下部各埋入一尺寸为20mm×40mm×160mm的HDCSS。混凝土浇注前，先把HDCSS用细钢丝固定于纵筋和箍筋上，HDCSS的轴线(160mm方向)与纵筋轴线平行等高，并在HDCSS埋设处的纵筋上粘贴应变片。配筋、HDCSS埋设位置和四点弯曲时4个支撑点的位置如图7所示。图中的4个短圆柱为四点弯曲时4个支撑点的位置，梁上表面2个支撑点距离为900mm，梁下表面2个支撑点距离为2700mm。通过四点弯曲试验表明，HDCSS可检测钢筋混凝土梁发生弯曲时混凝土的拉应变和压应变，与应变片测试结果一致。

表1HDCSS原材料的质量配合比

表2含不同掺量GnPs的HDCSS的灵敏度

Claims (10)

1.一种高延性水泥基应变传感器，其特征是由敏感材料和埋入其内的电极及多股铜导线构成，所述电极有4片，分别是2片供电电极和位于其间的2片测量电极；多股铜导线的一端从同一位置引出，另一端削皮露出铜线，该铜线分别缠绕在4片电极上。

2.根据权利要求1所述的高延性水泥基应变传感器，其特征在于所述的4片电极，平行排布，相邻电极间的距离相等，并且均为不锈钢丝网或镀锡钢丝网，正方形网孔边长为4-8毫米。

3.根据权利要求1所述的高延性水泥基应变传感器，其特征在于所述的缠绕在4片电极上的铜线，其上滚涂有熔化的焊锡，以防止铜线氧化。

4.根据权利要求1所述的高延性水泥基应变传感器，其特征在于所述的敏感材料，是以普通硅酸盐水泥、I级粉煤灰和粒径小于0.60mm的砂为基体材料，掺入水、聚乙烯醇纤维、纳米石墨烯片、聚羧酸减水剂和粘度调节剂拌制而成。

5.根据权利要求4所述的高延性水泥基应变传感器，其特征在于所述的敏感材料的各原料的质量配比为：

水泥：粉煤灰：砂：水：聚乙烯醇纤维：纳米石墨烯片:聚羧酸减水剂：粘度调节剂＝1：1.2～2.4：1～1.52：0.68～1.04：0.049～0.076:0.009～0.079:0.009～0.072:0.00056～0.0009。

6.根据权利要求4所述的高延性水泥基应变传感器，其特征在于所述的纳米石墨烯片，呈片状，粒径为5～25μm，片层厚度为6～8nm，比表面积120～150m²/g。

7.根据权利要求4所述的高延性水泥基应变传感器，其特征在于所述的拌制方法是：按质量配比计，先将50％的聚羧酸减水剂、80％的水和纳米石墨烯片混合，再通过超声波分散纳米石墨烯片。

8.根据权利要求1所述的高延性水泥基应变传感器，其特征在于该传感器的供电电路主要由供电电极、参考电阻、直流恒压源串联而成。

9.根据权利要求8所述的高延性水泥基应变传感器，其特征在于：通过检测两测量电极间的电压和参考电阻两端的电压，根据串联分压的原理，测得传感器的电阻；由测得的电阻，计算其相对传感器初始电阻的电阻变化率，再根据标定的应变与电阻变化率间的分段函数关系得出实测的应变值。

10.根据权利要求9所述的高延性水泥基应变传感器，其特征在于所述实测的应变值，其应变检测量程从-0.0023到0.03，即-0.23％～3.0％。