CN107702828A - 混凝土用高敏性自感知智能传感器及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种混凝土用高敏性自感知智能传感器及其制备方法和应用，传感器包括两片水泥基体、石墨烯纸和其他辅助元件，所述两片水泥基体中间叠装所述石墨烯纸形成所述传感器主体；所述其他辅助元件包括导电胶和加装于所述导电胶上的电极片，所述导电胶贴覆于所述传感器主体形成的叠装连接处。制备方法包括：将石墨烯粉制成片材，干燥后压制成石墨烯纸；将两片水泥基体中间叠装石墨烯纸形成传感器主体；将传感器主体形成的叠装连接处贴覆导电胶；导电胶外层加装电极片。应用方法包括：将所述智能传感器预埋在混凝土结构中，所述智能传感器连接导线作为信号输出源，导线另一端与压电信号采集器连接，监测施工时混凝土受力及损伤情况。

Description

混凝土用高敏性自感知智能传感器及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于混凝土结构安全监测技术领域，具体涉及一种混凝土用高敏性自感知智能传感器及其制备方法和应用。
背景技术
混凝土是土木工程中应用最广泛的结构材料，近些年来经历了漫长的发展过程，从普通的结构材料到复合材料，最后再到功能材料。但传统的水泥混凝土材料，功能性单一、脆性较大，很难想象其能与机敏特性联系在一起。而重大的结构工程，诸如超大跨海大桥梁，城市象征的超高层建筑以及大型体育赛事的超大跨空间结构等，使用期长达几百年。自然侵蚀、材料老化和长期的荷载效应等灾害因素导致这些结构和系统的损伤积累和抗力衰减，极端情况下极易引发灾难性的突发事故。
为了保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，许多重大工程结构急需有效的手段监测和评定其安全状况。一些导电物质被应用于混凝土结构当中，其中最常用的是碳类和金属类，尤其是石墨烯、和石墨、碳纤维等复合材料应时而出，被小范围的应用在混凝土结构的性能监测领域，但由于这些材料与混凝土结构在粘附力、膨胀系数和弹性模量等性能的差异较大，并且目前应用大都是将这些材料与水泥、砂等材料进行简单的混合搅拌而得到的，导致均匀性很难控制，从而大大降低了其敏感性和可靠性，在一定程度上限制了其适用范围。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种混凝土用高敏性自感知智能传感器及其制备方法和应用，该智能传感器具有高的压敏型和性能可控性。本发明的技术方案为：
第一个方面，本发明提供一种混凝土用高敏性自感知智能传感器，包括两片水泥基体、石墨烯纸和其他辅助元件，所述两片水泥基体中间叠装所述石墨烯纸形成所述传感器主体；所述其他辅助元件包括导电胶和加装于所述导电胶上的电极片，所述导电胶贴覆于所述传感器主体形成的叠装连接处。
进一步地，所述传感器主体外壁设置有环氧树脂封装面。
进一步地，所述水泥基体按照重量份的化学组成为：水泥10～35份，粉煤灰0～5份，石英砂50～90份，水10～19份。
进一步地，所述石墨烯纸的厚度为60～180μm。
进一步地，所述电极片为铜电极、铂电极、银电极中的一种。
第二个方面，本发明提供一种混凝土用高敏性自感知智能传感器的制备方法，包括以下步骤：将石墨烯粉制成片材，干燥后压制成石墨烯纸；将两片水泥基体中间叠装石墨烯纸形成传感器主体；将传感器主体形成的叠装连接处贴覆导电胶；导电胶外层加装电极片。
进一步地，所述水泥基体的制备方法为：按照水泥10～35份，粉煤灰0～5份，石英砂50～90份，水10～19份的重量份配料，混合均匀后装入模具中振捣密实成型，经脱模、养护、干燥后既得。
进一步地，所述制备方法还包括在传感器主体形成的叠装连接处涂覆环氧树脂形成封装面。
第三个方面，本发明提供一种混凝土用高敏性自感知智能传感器的应用方法，包括：将所述智能传感器预埋在混凝土结构中，所述智能传感器连接导线作为信号输出源，导线另一端与压电信号采集器连接，监测施工时混凝土受力及损伤情况。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：一、本发明的传感器具有高压敏性，与传统方法制备的传感器相比，其电阻变化率提高10倍之多；二、本方法制备的传感器具有压敏性能稳定的优点，传统方法制备传感器往往由于石墨烯粉分散不均而导致传感器压敏性能不稳，本发明方法很好的解决了此问题；三、本发明传感器主体均为水泥基材料，与混凝土结构同源同寿命；四、本发明传感器的水泥基材料可根据所服役的混凝土结构的强度要求设计其强度，这使其应用范围得到了很大的提升。
附图说明
图1为本发明的混凝土用高敏性自感知智能传感器的组装过程示意图，其中：1-水泥基体，2-石墨烯纸，3-导电胶，4-电极片，5-环氧树脂封装面。
图2为本发明实施例1中传感器电阻变化率随应力变化曲线图。
图3为本发明实施例2中传感器电阻变化率随应力变化曲线图。
图4为本发明实施例3中传感器电阻变化率随应力变化曲线图。
图5为传统制备方法的传感器电阻变化率随应力变化曲线图。
具体实施方式
本发明实施例对传感器进行压敏性测试所采用的测试仪器为Keithley 2400Source Meter。
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
第一个方面，本发明具体实施例提供了一种混凝土用高敏性自感知智能传感器，包括两片水泥基体1、石墨烯纸2和其他辅助元件，其中两片水泥基体1中间叠装石墨烯纸2形成传感器主体；其他辅助元件包括导电胶3、加装于导电胶3上的电极片4和环氧树脂封装面5，导电胶3贴覆于传感器主体形成的叠装连接处，环氧树脂封装面5设置于传感器主体外壁上，并且覆盖其形成的叠装连接处。该智能传感器的组装过程如图1所示。为了使本发明的智能传感器与混凝土结构同源同寿命，并且可以根据混凝土结构的强度要求进行设计，本发明的水泥基体按照重量份的化学组成为：水泥10～35份，粉煤灰0～5份，石英砂50～90份，水10～19份。并且，本发明的石墨烯纸的厚度为60～180μm，可以很好地解决传统石墨烯粉分散不均而导致传感器压敏性能不稳的问题。电极片在铜电极、铂电极、银电极中选择一种即可。
第二个方面，本发明具体实施例提供一种混凝土用高敏性自感知智能传感器的制备方法，包括以下步骤：将石墨烯粉制成片材，干燥后压制成石墨烯纸；将两片水泥基体中间叠装石墨烯纸形成传感器主体；将传感器主体形成的叠装连接处贴覆导电胶；导电胶外层加装电极片；在传感器主体形成的叠装连接处涂覆环氧树脂形成封装面。其中水泥基体的制备方法为：按照水泥10～35份，粉煤灰0～5份，石英砂50～90份，水10～19份的重量份配料，混合均匀后装入模具中振捣密实成型，经脱模、养护、干燥后既得。
第三个方面，本发明具体实施例提供一种混凝土用高敏性自感知智能传感器的应用方法，包括：将该智能传感器预埋在混凝土结构中，所述智能传感器连接导线作为信号输出源，导线另一端与压电信号采集器连接，监测施工时混凝土受力及损伤情况。
实施例1
一种混凝土用高敏性自感知智能传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纳米石墨烯粉、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、羟甲基纤维素钠(CMC)按照质量比为12∶3∶8配料，加入去离子水中超声分散均匀后抽滤，得到石墨烯片材；将石墨烯片材干燥后转移至两层具有良好吸水性能的表面敷纸的软木柔性垫层之间，并置于电子万能试验机上进行20KN恒应力加荷300s，制得尺寸为25mm×25mm×60μm的石墨烯纸；
(2)将水泥(P.O42.5)、粒径为0.15mm～0.60mm的石英砂、水按照重量份数为20份、60份、10份配料，先将水泥和水拌合均匀，然后将粒径为0.15mm～0.60mm的石英砂混入水泥浆体中，充分拌匀后装入尺寸为25mm×25mm×10mm模具中，振捣密实成型并抹平表面，24h后脱模，并装进标准养护箱内标准养护28d，养护结束后取出烘干至恒重，制备出两个相同尺寸的水泥基体，并将两个水泥基体与石墨烯纸接触的平面进行打磨抛光处理；
(3)将两片水泥基体中间叠装石墨烯纸形成传感器主体，再将传感器主体外壁相对的两个叠装面上贴覆导电胶，导电胶外层加装电极片；
(4)最后在传感器主体外壁另两个相对的叠装面上涂覆环氧树脂形成封装面。
对本实施例制得的混凝土用高敏性自感知智能传感器进行压敏性测试，测试结果如图2所示。为了对比本实施例与现有传感器的压敏性能，对比例1公开了传统制备方法制备出的传感器试样其压敏性能测试结果如图5所示。对比图2和图5可以明显看出，在本实施例的传感器压应力仅为传统传感器的一半时，本实施例的传感器压敏性能就远超于传统传感器，电阻变化率超过传统传感器10倍之多。
实施例2
一种混凝土用高敏性自感知智能传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纳米石墨烯粉、PVP、CMC按照质量比为8∶2.6∶6配料，加入去离子水中超声分散均匀后抽滤，得到石墨烯片材；将石墨烯片材干燥后转移至两层具有良好吸水性能的表面敷纸的软木柔性垫层之间，并置于电子万能试验机上进行20KN恒应力加荷300s，制得尺寸为25mm×25mm×90μm的石墨烯纸；
(2)将水泥(P.O42.5)、粉煤灰(I级)、粒径为0.15mm～0.60mm的石英砂、水按照重量份数为35份、5份、60份、19份配料，先将水泥、粉煤灰和水拌合均匀，然后将粒径为0.15mm～0.60mm的石英砂混入水泥粉煤灰浆体中，充分拌匀后装入尺寸为25mm×25mm×10mm模具中，振捣密实成型并抹平表面，24h后脱模，并装进标准养护箱内标准养护28d，养护结束后取出烘干至恒重，制备出两个相同尺寸的水泥基体，并将两个水泥基体要与石墨烯纸接触的平面进行打磨抛光处理；
(3)将两片水泥基体中间叠装石墨烯纸形成传感器主体，再将传感器主体外壁相对的两个叠装面上贴覆导电胶，导电胶外层加装电极片；
(4)最后在传感器主体外壁另两个相对的叠装面上涂覆环氧树脂形成封装面。
对本实施例制得的混凝土用高敏性自感知智能传感器进行压敏性测试，测试结果如图3所示。为了对比本实施例与现有传感器的压敏性能，对比例1公开了传统制备方法制备出的传感器试样其压敏性能测试结果如图5所示。对比图3和图5可以明显看出，本实施例的传感器电阻变化率超过传统传感器5倍左右。
实施例3
一种混凝土用高敏性自感知智能传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纳米石墨烯粉、PVP、CMC按照质量比为12∶5∶8配料，加入去离子水中超声分散均匀后抽滤，得到石墨烯片材；将石墨烯片材干燥后转移至两层具有良好吸水性能的表面敷纸的软木柔性垫层之间，并置于电子万能试验机上进行20KN恒应力加荷300s，制得尺寸为25mm×25mm×115μm的石墨烯纸；
(2)将水泥(P.O42.5)、粉煤灰(I级)、粒径为0.15mm～0.60mm的石英砂、水按照重量份数为24份、4份、68份、17份配料，先将水泥、粉煤灰和水拌合均匀，然后将粒径为0.15mm～0.60mm的石英砂混入水泥粉煤灰浆体中，充分拌匀后装入尺寸为25mm×25mm×10mm模具中，振捣密实成型并抹平表面，24h后脱模，并装进标准养护箱内标准养护28d，养护结束后取出烘干至恒重，制备出两个相同尺寸的水泥基体，并将两个水泥基体要与石墨烯纸接触的平面进行打磨抛光处理；
(3)将两片水泥基体中间叠装石墨烯纸形成传感器主体，再将传感器主体外壁相对的两个叠装面上贴覆导电胶，导电胶外层加装电极片；
(4)最后在传感器主体外壁另两个相对的叠装面上涂覆环氧树脂形成封装面。
对本实施例制得的混凝土用高敏性自感知智能传感器进行压敏性测试，测试结果如图4所示。为了对比本实施例与现有传感器的压敏性能，对比例1公开了传统制备方法制备出的传感器试样其压敏性能测试结果如图5所示。对比图4和图5可以明显看出，本实施例的传感器电阻变化率超过传统传感器6倍左右。
对比例1
对比例1采用传统的传感器制备方法，具体过程包括：将石墨烯粉、聚羧酸类表面活性剂按照质量比为15∶4配料，加入去离子水中超声分散均匀；将水泥、石英砂按照重量份数为20份和60份配料，搅拌均匀后将石墨烯水溶液加入继续搅拌均匀；将水泥砂浆浆体注入尺寸为25mm×25mm×10mm的模具中，模具内事先放置两片铜网电极，24h后脱模，然后放置于标准养护箱中养护28d，达到养护龄期后烘干至恒重，在铜网电极上连接导线即制得。该传感器试样的压敏性能测试结果如图5所示。
由上述实施例可知，应用本发明的高敏性混凝土用自感知智能传感器与方法，将石墨烯粉制备成所需的石墨烯纸，与水泥基试块基体进行叠装耦合，并采用科学的封装与电极片连接所制得的高敏性混凝土用自感知智能传感器具有比传统方法应用石墨烯制备的传感器更高的压敏性能和信号传输可靠性。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种混凝土用高敏性自感知智能传感器，其特征在于，包括两片水泥基体、石墨烯纸和其他辅助元件，所述两片水泥基体中间叠装所述石墨烯纸形成所述传感器主体；所述其他辅助元件包括导电胶和加装于所述导电胶上的电极片，所述导电胶贴覆于所述传感器主体形成的叠装连接处。
2.根据权利要求1所述的一种混凝土用高敏性自感知智能传感器，其特征在于，所述传感器主体外壁设置有环氧树脂封装面。
3.根据权利要求1所述的一种混凝土用高敏性自感知智能传感器，其特征在于，所述水泥基体按照重量份的化学组成为：水泥10～35份，粉煤灰0～5份，石英砂50～90份，水10～19份。
4.根据权利要求1所述的一种混凝土用高敏性自感知智能传感器，其特征在于，所述石墨烯纸的厚度为60～180μm。
5.根据权利要求1～4任意一项权利要求所述的一种混凝土用高敏性自感知智能传感器，其特征在于，所述电极片为铜电极、铂电极、银电极中的一种。
6.权利要求1所述的一种混凝土用高敏性自感知智能传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将石墨烯粉制成片材，干燥后压制成石墨烯纸；将两片水泥基体中间叠装石墨烯纸形成传感器主体；将传感器主体形成的叠装连接处贴覆导电胶；导电胶外层加装电极片。
7.根据权利要求6所述的一种混凝土用高敏性自感知智能传感器的制备方法，其特征在于，所述水泥基体的制备方法为：按照水泥10～35份，粉煤灰0～5份，石英砂50～90份，水10～19份的重量份配料，混合均匀后装入模具中振捣密实成型，经脱模、养护、干燥后既得。
8.根据权利要求6或7所述的一种混凝土用高敏性自感知智能传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在传感器主体形成的叠装连接处涂覆环氧树脂形成封装面。
9.权利要求1所述的一种混凝土用高敏性自感知智能传感器的应用方法，其特征在于，包括：将所述智能传感器预埋在混凝土结构中，所述智能传感器连接导线作为信号输出源，导线另一端与压电信号采集器连接，监测施工时混凝土受力及损伤情况。
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