CN112521059A - 地聚物复合材料、使用其的混凝土表面应变计及制备方法 - Google Patents

地聚物复合材料、使用其的混凝土表面应变计及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了地聚物复合材料、使用其的混凝土表面应变计及制备方法，地聚物复合材料，包括粉料和钠基碱激发剂，且按照质量比，所述粉料和所述钠基碱激发剂的混合比例为(4～5)：(2～3)；按照质量份数，所述粉料包括粒化高炉矿渣40～50份、粉煤灰30～40份和玻璃纤维3～5份。本技术方案提出的一种地聚物复合材料，利用地聚物作为应变计的基底、覆盖层、粘结剂和电阻，测量过程中不易失效，有利于对混凝土结构进行长期的观测。进而提出的一种使用上述地聚物复合材料的混凝土表面应变计，结构简单，性能可靠，其精度可达到亚微米级。另外还提出了一种上述混凝土表面应变计的制备方法，步骤简单，操作性强。

Description

地聚物复合材料、使用其的混凝土表面应变计及制备方法
技术领域
本发明涉及半导体应变计技术领域，尤其涉及一种地聚物复合材料、使用其的混凝土表面应变计及制备方法。
背景技术
混凝土表面的应变测量是工程或者试验中测量作业中的重要部分。
但现有的混凝土表面应变计存在以下几个问题：
1、传统应变计采用高分子材料作为覆盖层和基底，该高分子材料一般与混凝土结构物相容性不高，因而会影响混凝土结构物自身的性能；高分子材料的耐候性较差，在户外条件下容易失效，不能对混凝土结构做长期的观测；
2、传统应变计通过有机粘结剂粘贴到混凝土表面，容易产生滑移而使测量结果不精确，而且有机粘结剂在户外条件下同样容易失效，应变计与混凝土的变形不同步，大大影响测量结果，降低了混凝土表面应用计的测量精度。
发明内容
本发明的目的在于提出一种地聚物复合材料，利用地聚物作为应变计的基底、覆盖层、粘结剂和电阻，测量过程中不易失效，有利于对混凝土结构进行长期的观测，以克服现有技术的不足之处。
本发明的另一个目的在于提出一种使用上述地聚物复合材料的混凝土表面应变计，结构简单，性能可靠，其精度可达到亚微米级。
本发明的另一个目的在于提出一种上述混凝土表面应变计的制备方法，步骤简单，操作性强。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
地聚物复合材料，包括粉料和钠基碱激发剂，且按照质量比，所述粉料和所述钠基碱激发剂的混合比例为(4～5)：(2～3)；
按照质量份数，所述粉料包括粒化高炉矿渣40～50份、粉煤灰30～40份和玻璃纤维3～5份。
优选的，所述钠基碱激发剂为硅酸钠水溶液，且所述硅酸钠水溶液的模数为3.3～3.4。
优选的，按照质量百分比，所述硅酸钠水溶液的浓度为48～52％。
优选的，所述粒化高炉矿渣为S105级粒化高炉矿渣，所述粉煤灰为一级粉煤灰。
混凝土表面应变计，设置于混凝土基体1的表面，包括上述的地聚物复合材料固化而成的复合材料基体、内置电极和外接导线；
所述内置电极设有两个，两个所述内置电极设置于所述复合材料基体的内部，且所述内置电极与所述复合材料基体的受力面相互平等；
所述内置电极连接有外接导线，所述外接导线穿过所述复合材料基体并延伸至所述混凝土表面应变计的外部。
优选的，所述复合材料基体的厚度为2～3mm。
优选的，所述内置电极竖直面的电阻率≤5mΩcm2，所述内置电极的厚度为0.3～0.33mm，抗拉强度≥10N/cm。
优选的，两所述内置电极之间的距离为60～80mm。
混凝土表面应变计的制备方法，用于制备上述的混凝土表面应变计，包括以下步骤：
(1)按配比将粒化高炉矿渣、粉煤灰和玻璃纤维进行混合，形成粉料；
(2)按配比将粉料和钠基碱激发剂进行搅拌，形成复合材料；
(3)将复合材料刷涂于待测量的混凝土基体的表面，形成基底层；
(4)将连接有外接导线的内置电极放置于基底层的表面；
(5)将复合材料刷涂于基底层和内置电极的表面，固化后获得混凝土表面应变计。
优选的，步骤(2)，所述粉料和钠基碱激发剂的搅拌速度为1000～1200r/min,搅拌时间为1～2min。
本发明的有益效果：
1、本技术方案中利用钠基碱激发剂作为碱激发地聚物的激发剂，由于钠离子尺寸小于钾离子，在地聚物固化后形成的四面体结构中能更加自由的移动，使得其具有类似于半导体的压阻行为。由于钠基碱激发地聚物的室温应变系数明显高于导电复合材料的室温应变系数，从而允许测量较小的应变，可以测量低拉伸应变水平下混凝土中的裂纹扩展。
2、与现有技术相比较，本技术方案中地聚物复合材料利用具有压阻性能的钠基地聚物作为半导体应变计的电阻，灵敏系数高于导电复合材料制成的应变片，可测得微小应变。
3、本技术方案利用地聚物代替有机高分子作为应变计的基底、覆盖层和粘结剂，令使用该复合材料的应变计具有较好的耐候性，在户外条件下不易失效，有利于对混凝土结构进行长期的观测。
4、本技术方案利用地聚物速凝的特性，采用刷涂式的涂覆方式将钠基碱激发地聚物粘接至待测量的混凝土基体的表面，材料简单，使用方便，粘结紧密，避免了混凝土表面应变计与混凝土基体之间滑移产生的误差，进一步提高了混凝土表面应变计的精度。
附图说明
附图对本发明做进一步说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
图1是本发明一种混凝土表面应变计竖直方向上的剖视图。
图2是本发明一种混凝土表面应变计水平方向上的剖视图。
其中：混凝土基体1、复合材料基体2、内置电极3、外接导线4。
具体实施方式
混凝土表面的应变测量是工程或者试验中测量作业中的重要部分。但现有的混凝土表面应变计在户外条件下容易失效，不能对混凝土结构做长期的观测，降低了混凝土表面应用计的测量精度。
为了解决上述问题，本技术方案提出了一种地聚物复合材料，包括粉料和钠基碱激发剂，且按照质量比，所述粉料和所述钠基碱激发剂的混合比例为(4～5)：(2～3)；按照质量份数，所述粉料包括粒化高炉矿渣40～50份、粉煤灰30～40份和玻璃纤维3～5份。
碱激发地聚物是一种绿色环保材料，它的生产能耗小，二氧化碳排放量低。碱激发地聚物利用缩聚反应进行固化，其固化原理是被激发材料在碱激发剂作用下先进行溶解，进而水化缩聚形成由硅氧四面体和铝氧四面体组成的、具有空间三维网络状键接结构的凝胶体，再由碱激发剂的阳离子填充在硅氧四面体和铝氧四面体之间并起到连接作用。
碱激发地聚物中常用的碱激发剂为钾基碱激发剂，本技术方案中利用钠基碱激发剂作为碱激发地聚物的激发剂，这是由于钠离子尺寸小于钾离子，在地聚物固化后形成的四面体结构中能更加自由的移动，使得其具有类似于半导体的压阻行为。由于钠基碱激发地聚物的室温应变系数明显高于导电复合材料的室温应变系数，从而允许测量较小的应变，可以测量低拉伸应变水平下混凝土中的裂纹扩展。
与现有技术相比较，本技术方案中地聚物复合材料利用具有压阻性能的钠基地聚物作为半导体应变计的电阻，灵敏系数高于导电复合材料制成的应变片，可测得微小应变。进一步地，本技术方案还利用地聚物代替有机高分子作为应变计的基底、覆盖层和粘结剂，令使用该复合材料的应变计具有较好的耐候性，在户外条件下不易失效，有利于对混凝土结构进行长期的观测。
更进一步说明，所述钠基碱激发剂为硅酸钠水溶液，且所述硅酸钠水溶液的模数为3.3～3.4。
更进一步说明，按照质量百分比，所述硅酸钠水溶液的浓度为48～52％。
在本技术方案的一个技术方案中，钠基碱激发剂选用硅酸钠水溶液，且将硅酸钠水溶液的模数限定为3.3～3.4，浓度限定为48～52％。
当硅酸钠水溶液的模数低于3.3、浓度低于48％时，固化后的钠基碱激发地聚物结构中的自由离子浓度过低，会使得钠基碱激发的压阻性能较差；当硅酸钠水溶液的模数高于3.4、浓度高于52％时，固化后的地聚物结构过于致密，影响离子的自由移动，使得钠基碱激发的压阻性能变差。
作为本技术方案的一个优选实施例，所述硅酸钠水溶液的模数为3.3、浓度为50％。
更进一步说明，所述粒化高炉矿渣为S105级粒化高炉矿渣，所述粉煤灰为一级粉煤灰。
本技术方案还提出了一种混凝土表面应变计，设置于混凝土基体1的表面，包括上述的地聚物复合材料固化而成的复合材料基体2、内置电极3和外接导线4；
所述内置电极3设有两个，两个所述内置电极3设置于所述复合材料基体2的内部，且所述内置电极3与所述复合材料基体2的受力面相互平等；
所述内置电极3连接有外接导线4，所述外接导线4穿过所述复合材料基体2并延伸至所述混凝土表面应变计的外部。
本技术方案还提出了一种混凝土表面应变计，其设置于混凝土基体1的表面，包括复合材料基体2、内置电极3和外接导线4；内置电极3设有两个，两个内置电极3设置于复合材料基体2的内部，且内置电极3与复合材料基体2的受力面相互平等；内置电极3连接有外接导线4，外接导线4穿过复合材料基体2并延伸至混凝土表面应变计的外部。
本技术方案将钠基碱激发地聚物通过内置电极3和外接导线4与外部仪器相连，位于内置电极3之间的钠基碱激发地聚物即成为半导体应变计中的半导体元件，其电阻在拉伸时增加，且在压缩时减少。将钠基碱激发地聚物设置到混凝土基体1的表面后，钠基碱激发地聚物的拉伸或压缩将与混凝土基体1同步，钠基碱激发地聚物的电阻值输出到外部仪器并经过转换，即可得到混凝土基体1的应变值，结构简单，性能可靠，其精度可达到亚微米级。
优选的，本技术方案中的内置电极3为亲水型碳布，其导电性能好，有利于确保混凝土表面应变计的性能稳定。需要说明的是，当亲水型碳布与外接导线4连接时，亲水型碳布的边缘预留5mm碳布抽丝作为与外接导线4相连的连接线。
更进一步说明，所述复合材料基体2的厚度为2～3mm。
在本技术方案的一个实施例中，复合材料基体2的厚度为2～3mm，有利于复合材料基体2获得最佳的压阻性能，有利于对混凝土结构进行观测，提升观测准确性。作为本技术方案的一个优选实施例，所述复合材料基体2的厚度为2mm。
更进一步说明，所述内置电极3竖直面的电阻率≤5mΩcm2，所述内置电极3的厚度为0.3～0.33mm，抗拉强度≥10N/cm。
在本技术方案的一个实施例中，内置电极3竖直面的电阻率≤5mΩcm2，所述内置电极3的厚度为0.3～0.33mm，抗拉强度≥10N/cm。当内置电极3的厚度太薄时，容易拉断失效，当内置电极3的厚度太厚时，容易影响混凝土表面应变计的观测精度；当内置电极3的电阻率高于5mΩcm2时，容易影响其导电性，容易降低应变计的观测精度；当内置电极3的抗拉强度低于10N/cm，则容易拉断，使应变计失效。
更进一步说明，两所述内置电极3之间的距离为60～80mm。
本技术方案进一步提出了一种混凝土表面应变计的制备方法，用于制备上述的混凝土表面应变计，包括以下步骤：
(1)按配比将粒化高炉矿渣、粉煤灰和玻璃纤维进行混合，形成粉料；
(2)按配比将粉料和钠基碱激发剂进行搅拌，形成复合材料；
(3)将复合材料刷涂于待测量的混凝土基体1的表面，形成基底层；
(4)将连接有外接导线4的内置电极3放置于基底层的表面；
(5)将复合材料刷涂于基底层和内置电极3的表面，固化后获得混凝土表面应变计。
本技术方案还提出了一种混凝土表面应变计的制备方法，步骤简单，操作性强。利用地聚物速凝的特性，采用刷涂式的涂覆方式将钠基碱激发地聚物粘接至待测量的混凝土基体1的表面，材料简单，使用方便，粘结紧密，避免了混凝土表面应变计与混凝土基体1之间滑移产生的误差，进一步提高了混凝土表面应变计的精度。
更进一步说明，步骤(2)，所述粉料和钠基碱激发剂的搅拌速度为1000～1200r/min,搅拌时间为1～2min。
在本技术方案的一个实施例中，粉料和钠基碱激发剂的搅拌速度为1000～1200r/min,以保证地聚物在搅拌时间内搅拌均匀，搅拌时间为1～2min，由于本技术方案中的复合材料具有速凝特性，将搅拌时间限定为上述范围，有利于防止地聚物在涂覆之前就开始固化，影响其与混凝土基体1的粘结性。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1-一种混凝土表面应变计的制备方法
(1)将40份S105级粒化高炉矿渣、30份一级粉煤灰和3份玻璃纤维进行混合，形成粉料；
(2)将4份粉料和2份模数为3.3、浓度为48％的硅酸钠水溶液进行搅拌，形成复合材料；
(3)将复合材料刷涂于待测混凝土基体的表面，形成基底层；
(4)将连接有外接导线的内置电极放置于基底层的表面；
(5)将复合材料刷涂于基底层和内置电极的表面，使内置电极位于复合材料的内部，外接导线穿过复合材料并延伸至其外部，固化后获得混凝土表面应变计。其中，固化后的复合材料形成复合材料基体，且其厚度为2mm，内置电极3竖直面的电阻率为5mΩcm2，厚度为0.3mm，且抗拉强度为10N/cm，两内置电极3之间的距离为60mm。
将上述混凝土表面应变计的外接导线与外部检测仪器相连，得到混凝土基体1的应变值达到10-7。
实施例2-一种混凝土表面应变计的制备方法
(1)将45份S105级粒化高炉矿渣、35份一级粉煤灰和4份玻璃纤维进行混合，形成粉料；
(2)将4份粉料和3份模数为3.4、浓度为50％的硅酸钠水溶液进行搅拌，形成复合材料；
(3)将复合材料刷涂于待测混凝土基体的表面，形成基底层；
(4)将连接有外接导线的内置电极放置于基底层的表面；
(5)将复合材料刷涂于基底层和内置电极的表面，使内置电极位于复合材料的内部，外接导线穿过复合材料并延伸至其外部，固化后获得混凝土表面应变计。其中，固化后的复合材料形成复合材料基体，且其厚度为3mm，内置电极3竖直面的电阻率为4mΩcm2，厚度为0.33mm，且抗拉强度为11N/cm，两内置电极3之间的距离为70mm。
将上述混凝土表面应变计的外接导线与外部检测仪器相连，得到混凝土基体1的应变值达到10-7。
实施例3-一种混凝土表面应变计的制备方法
(1)将50份S105级粒化高炉矿渣、40份一级粉煤灰和5份玻璃纤维进行混合，形成粉料；
(2)将5份粉料和2份模数为3.3、浓度为52％的硅酸钠水溶液进行搅拌，形成复合材料；
(3)将复合材料刷涂于待测混凝土基体的表面，形成基底层；
(4)将连接有外接导线的内置电极放置于基底层的表面；
(5)将复合材料刷涂于基底层和内置电极的表面，使内置电极位于复合材料的内部，外接导线穿过复合材料并延伸至其外部，固化后获得混凝土表面应变计。其中，固化后的复合材料形成复合材料基体，且其厚度为2mm，内置电极3竖直面的电阻率为5mΩcm2，厚度为0.32mm，且抗拉强度为10N/cm，两内置电极3之间的距离为80mm。
将上述混凝土表面应变计的外接导线与外部检测仪器相连，得到混凝土基体1的应变值达到10-7。
实施例4-一种混凝土表面应变计的制备方法
(1)将45份S105级粒化高炉矿渣、35份一级粉煤灰和4份玻璃纤维进行混合，形成粉料；
(2)将5份粉料和3份模数为3.4、浓度为52％的硅酸钠水溶液进行搅拌，形成复合材料；
(3)将复合材料刷涂于待测混凝土基体的表面，形成基底层；
(4)将连接有外接导线的内置电极放置于基底层的表面；
(5)将复合材料刷涂于基底层和内置电极的表面，使内置电极位于复合材料的内部，外接导线穿过复合材料并延伸至其外部，固化后获得混凝土表面应变计。其中，固化后的复合材料形成复合材料基体，且其厚度为2mm，内置电极3竖直面的电阻率为4mΩcm2，厚度为0.31mm，且抗拉强度为11N/cm，两内置电极3之间的距离为70mm。
将上述混凝土表面应变计的外接导线与外部检测仪器相连，得到混凝土基体1的应变值达到10-7。
对比例1-一种混凝土应变计的制备方法
步骤一：对镀锌铁片的拱顶进行打磨；
步骤二：对镀锌铁片的底层用速干胶底层进行防水打胶处理，再用速干胶底层把应变片粘贴在镀锌铁片的拱顶处；
步骤三：贴完应变片后，用胶布在应变片的导线端部用胶带缠上几圈，以防止应变片与镀锌铁片接触发生短路；
步骤四：再把应变片的导线用锡和外接导线进行焊接；
步骤五：连接完毕后，用透明有机硅密封胶形成透明有机硅密封胶层，对拱顶处进行全范围的涂抹，固化后获得混凝土应变计；
步骤六：利用有机粘剂结将混凝土应变计粘结于待测混凝土基体的表面。
将上述混凝土应变计的外接导线与外部检测仪器相连，得到混凝土的应变值达到10-6。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.地聚物复合材料，其特征在于：包括粉料和钠基碱激发剂，且按照质量比，所述粉料和所述钠基碱激发剂的混合比例为(4～5)：(2～3)；
按照质量份数，所述粉料包括粒化高炉矿渣40～50份、粉煤灰30～40份和玻璃纤维3～5份。
2.根据权利要求1所述的地聚物复合材料，其特征在于：所述钠基碱激发剂为硅酸钠水溶液，且所述硅酸钠水溶液的模数为3.3～3.4。
3.根据权利要求2所述的地聚物复合材料，其特征在于：按照质量百分比，所述硅酸钠水溶液的浓度为48～52％。
4.根据权利要求1所述的地聚物复合材料，其特征在于：所述粒化高炉矿渣为S105级粒化高炉矿渣，所述粉煤灰为一级粉煤灰。
5.混凝土表面应变计，设置于混凝土基体1的表面，其特征在于：包括由权利要求1～4任意一项所述的地聚物复合材料固化而成的复合材料基体、内置电极和外接导线；
所述内置电极设有两个，两个所述内置电极设置于所述复合材料基体的内部，且所述内置电极与所述复合材料基体的受力面相互平等；
所述内置电极连接有外接导线，所述外接导线穿过所述复合材料基体并延伸至所述混凝土表面应变计的外部。
6.根据权利要求5所述的混凝土表面应变计，其特征在于：所述复合材料基体的厚度为2～3mm。
7.根据权利要求5所述的混凝土表面应变计，其特征在于：所述内置电极竖直面的电阻率≤5mΩcm2，所述内置电极的厚度为0.3～0.33mm，抗拉强度≥10N/cm。
8.根据权利要求5所述的混凝土表面应变计，其特征在于：两所述内置电极之间的距离为60～80mm。
9.混凝土表面应变计的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求5～8任意一项所述的混凝土表面应变计，包括以下步骤：
(1)按配比将粒化高炉矿渣、粉煤灰和玻璃纤维进行混合，形成粉料；
(2)按配比将粉料和钠基碱激发剂进行搅拌，形成复合材料；
(3)将复合材料刷涂于待测量的混凝土基体的表面，形成基底层；
(4)将连接有外接导线的内置电极放置于基底层的表面；
(5)将复合材料刷涂于基底层和内置电极的表面，固化后获得混凝土表面应变计。
10.根据权利要求9所述的混凝土表面应变计的制备方法，其特征在于：步骤(2)，所述粉料和钠基碱激发剂的搅拌速度为1000～1200r/min,搅拌时间为1～2min。
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