CN112697584A - 应力自感知水泥基材料拉敏性能测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种应力自感知水泥基材料拉敏性能测试方法，属于水泥材料性能测试领域。该方法为将制备好的复合水泥浆体浇筑至“8”字模具中，将至少两个金属电极平行排列插入到所述复合水泥浆体中，待试块硬化后拆模、养护；随后测试所述试块的初始电阻R1；最后对所述试块进行轴心拉伸测试，在拉力加载的过程中，实时采集所述电极间电阻R2，计算实时电阻变化率＝(R2‑R1)/R1；最终确定用于评判拉敏性能优劣的拉力与电阻变化率之间的关系。该方法具有准确性高、简单方便等优点，电阻测试的数据采集和处理具有电路简单可靠、可数字化、稳定性高、低成本、可实时监测等优点。
Description
技术领域
本发明涉及水泥材料性能测试领域，尤其涉及一种应力自感知水泥基材料拉敏性能测试方法。
背景技术
自美国教授D.D.L.Chung等人将碳纤维掺入水泥基复合材料，开发出一种新型的自感知水泥材料以来，许多研究者也纷纷跟进，将具有压阻性能的碳纳米管、石墨烯、纳米碳黑等新型碳材料加入到水泥基材料中以开发出稳定、高敏感性、高耐久性的应力自感知水泥基复合材料，这种具有导电材料的水泥基复合材料的电阻率可以随着外部应力的变化而改变，通过测量其电阻率的变化来监测混凝土结构中的应力/应变变化。因此在混凝土结构的裂缝监测、车辆称重，交通测速等领域均有着广泛的应用前景。
目前应力自感知水泥基材料的机敏性能测试多集中于对压敏的测试，即建立水泥基材料受压荷载与电学信号的关系。应力自感知水泥基材料机敏性能测试还受到加载方式、电压类型、电极材料及其制作形式的影响，不同影响因素的组合往往会直接或间接决定电学性能测试结果的精确度和稳定性。
在实际的工程应用中，水泥基材料会因承受不同程度的拉力而产生裂缝损伤，严重影响水泥混凝土结构的承载能力以及耐久性，因此，建立拉应力与电学信号的关系，对拉应力进行实时监测也是保证结构健康的重要举措。然而，目前针对此类水泥基材料拉敏性能的测试方法尚不完善，尚未找到合适的材料形状、加载方式、电压、电极材料及其制作形式。
有鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应力自感知水泥基材料拉敏性能测试方法，以解决上述问题，克服了现有应力自感知水泥基材料在受拉方向的机敏性能的测试方法准确性低、稳定性低、电极与基体相容性差等缺陷。
为实现以上目的，本发明特采用以下技术方案：
一种应力自感知水泥基材料拉敏性能测试方法，包括如下步骤：
S1：将制备好的复合水泥浆体浇筑至“8”字模具中，将至少两个金属电极平行排列插入到所述复合水泥浆体中，待试块硬化后拆模、养护；具体为拆模后在水泥标准养护室中养护28d；
S2：测试所述试块的初始电阻R1；
S3：对所述试块进行轴心拉伸测试，在拉力加载的过程中，实时采集所述电极间电阻R2，计算实时电阻变化率＝(R2-R1)/R1；最终确定用于评判拉敏性能优劣的拉力与电阻变化率之间的关系。
所述步骤S1中，所述制备好的复合水泥浆体浇筑至“8”字模具中后，保证试块制备过程中浆体有较好且几乎一致的流动性。
所述步骤S1中，所述至少两个金属电极为两个电极或四个电极；
优选地，所述四个电极按照内侧两个第一电极和外侧两个第二电极的方式排列。
优选地，所述至少两个金属电极为两个电极时，电极采取金属导线环绕且导电银浆包裹的形式。
进一步地，所述金属电极为网状金属电极或缠绕式金属电极；
优选地，所述的网状金属电极为矩形网状金属电极；
更优选地，所述的网状金属电极材质为铜、银或不锈钢；
优选地，所述缠绕式金属电极为金属导线环绕电极且导电银浆包裹，需要浆体养护一定龄期之后再进行电极的布置。所述金属导线优选为铜线。
所述步骤S1中，复合水泥浆体掺入碳纤维、炭黑、石墨烯、碳纳米管中的一种或几种。
所述步骤S2中，测试所述试块的初始电阻R1是采用数字采集设备连接所述电极来进行测试。
所述数字采集设备为数字电桥或数据采集万用表；
优选地，所述数字采集设备为TH2810D LCR数字电桥或Keithley 2700六位半数据采集万用表。
所述TH2810D LCR数字电桥可产生交流电，测试频率可选100Hz、120Hz、1KHz，10KHz，基本准确度0.1％，配有两电极测试线。
所述Keithley 2700六位半数据采集万用表可产生直流电，配有四电极测试线。
优选地，所述数字采集设备为TH2810D LCR数字电桥。
所述步骤S3中，对所述试块进行轴心拉伸测试是将所述试块置于电子万能试验机的试块夹具中进行测试，保持上下夹具对齐并能够很好的固定住试块。
所述拉伸测试时，施加最大拉伸力为200～500N，加载速度为0.1～0.5mm/min。
优选地，所述电子万能试验机最大加载力为5KN。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)通过设计“8”字试块和电极的传感器模型，可以直接有效还原水泥在受拉过程中基体的弹性形变以及裂缝扩展等情景，配合电阻测试可以准确、稳定、实时数字化反映水泥基材料受拉力时基体内部的受损情况。
(2)通过数字采集设备尤其是LCR电桥，提供的交流电，相对于直流电测试，可以有效避免因极化效应产生的电学信号精确度低、不稳定等情况。
(3)采用金属网状电极，嵌入至水泥基体中用于电阻的测试，此种电极埋置的方法与水泥基材料相容性和结合性较好。尤其电极设置为铜线环绕且导电银浆包裹的形式，克服了在受拉力时，会影响到水泥和网状电极结合的薄弱区域的问题。
本发明的测试方法具有准确性高、简单方便等优点；电阻测试的数据采集和处理具有电路简单可靠、可数字化、稳定性高、低成本、可实时监测等优点，可以广泛应用于水泥基材料拉敏性能研究和工程实际应用，在应力自感知水泥基传感器制品的性能研究以及其他基体的拉敏性能研究等方面具有广阔的应用前景和实用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的实施例1的俯视示意图；
图2为本发明的实施例1的主视示意图；
图3为本发明的实施例1的左视示意图；
图4为本发明的实施例4的俯视示意图；
图5为本发明的实施例4的主视示意图；
图6为本发明的实施例4的左视示意图。
附图标记说明：1、第一电极；2、第二电极；3、电极；4、试块。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如本文所用之术语：
“由……制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
连接词“由……组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由……组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。
当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1～5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1～4”、“1～3”、“1～2”、“1～2和4～5”、“1～3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。
在这些实施例中，除非另有指明，所述的份和百分比均按质量计。
“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生，例如，A和/或B包括(A和B)和(A或B)。
实施例1
S1：如图1、2、3所示，制备水泥浆体并浇筑至“8”字模中，保证试块4制备过程中浆体有较好且几乎一致的流动性。将四片网状金属电极按照平行的排列方式插入到水泥浆体中，内侧两个第一电极1，外侧两个第二电极2，待试块4硬化后拆模并在水泥标准养护室中养护28d，试块4结构如图1、2、3所示。
S2：调整Keithley 2700六位半数据采集万用表测试模式为二电极电阻测试，将其中两条测试线接至试块4内侧两个第一电极1，测量并记录内侧两个第一电极1之间的电阻R1。
S3：将试块4置于电子万能试验机的夹具中，保持上下夹具对齐并能够很好的固定住试块4，并对试块4进行轴心拉伸测试，施加最大拉伸力250N，加载速度为0.2mm/min，在拉力加载的过程中，实时采集两片电极间电阻R2，计算电阻变化率＝(R2-R1)/R1。最终确定拉力与电阻变化率之间的关系，用于评判拉敏性能的优劣。
实施例2
S1：制备试块过程如实施例1。
S2：调整Keithley 2700六位半数据采集万用表测试模式为四电极电阻测试，四条测试线按照四电极电阻测试方法分别接至内外四个电极，利用Keithley 2700六位半数据采集万用表测试内侧两个电极的电阻R1。
S3：将试块置于电子万能试验机的夹具中，保持上下夹具对齐并能够很好的固定住试块，并对试块进行轴心拉伸测试，施加最大拉伸力300N，加载速度为0.3mm/min，在拉力加载的过程中，实时采集两片电极间电阻R2，计算和评判过程同实施例1。
实施例3
S1：制备试块的过程如实施例1。
S2：将TH2810D LCR数字电桥配备的两根测试线接至内侧两个电极，采集初始电阻R1。
S3：将试块置于电子万能试验机的夹具中，保持上下夹具对齐并能够很好的固定住试块，并对试块进行轴心拉伸测试，施加最大拉伸力350N，加载速度为0.35mm/min，在拉力加载的过程中，实时采集两片电极间电阻R2，计算和评判过程同实施例1。
实施例4
S1：如图4、5、6所示，制备水泥浆体并浇筑至“8”字模中，保证试块4制备过程中浆体有较好且几乎一致的流动性，待试块4硬化后拆模并在水泥标准养护室中养护28d后取出，将铜线在两个平行排列的电极3位置上缠绕，并用导电银浆涂敷至铜线与水泥基体间的缝隙中，放至24h直至导电银浆凝固，试块结构如图4、5、6所示。
S2：将TH2810D LCR数字电桥配备的两根测试线分别接至两个电极3，采集初始电阻R1。
S3：将试块置于电子万能试验机的夹具中，保持上下夹具对齐并能够很好的固定住试块4，并对试块4进行轴心拉伸测试，施加最大拉伸力300N，加载速度为0.3mm/min，在拉力加载的过程中，实时采集两片电极3间电阻R2，计算和评判过程同实施例1。
实施例5
S1：制备试块与实施例1有所不同的是，水泥基材料中掺入了碳纤维、碳黑和石墨烯作为水泥基体中的导电材料。
S2：将TH2810D LCR数字电桥配备的两根测试线接至内侧两个电极，采集初始电阻R1。
S3：将试块置于电子万能试验机的夹具中，保持上下夹具对齐并能够很好的固定住试块，并对试块进行轴心拉伸测试，施加最大拉伸力300N，加载速度为0.3mm/min，在拉力加载的过程中，实时采集两片电极间电阻R2，计算和评判过程同实施例1。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
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 (10)
1.一种应力自感知水泥基材料拉敏性能测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将制备好的复合水泥浆体浇筑至“8”字模具中，将至少两个金属电极平行排列插入到所述复合水泥浆体中，待试块硬化后拆模、养护；
S2：测试所述试块的初始电阻R1；
S3：对所述试块进行轴心拉伸测试，在拉力加载的过程中，实时采集所述电极间电阻R2，计算实时电阻变化率＝(R2-R1)/R1；最终确定用于评判拉敏性能优劣的拉力与电阻变化率之间的关系。
2.根据权利要求1所述的应力自感知水泥基材料拉敏性能测试方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述至少两个金属电极为两个电极或四个电极；
优选地，所述四个电极按照内侧两个第一电极和外侧两个第二电极的方式排列。
3.根据权利要求1或2所述的应力自感知水泥基材料拉敏性能测试方法，其特征在于，所述金属电极为网状金属电极或缠绕式金属电极；
优选地，所述的网状金属电极为矩形网状金属电极；
优选地，所述的网状金属电极材质为铜、银或不锈钢；
优选地，所述缠绕式金属电极为铜线环绕电极且导电银浆包裹。
4.根据权利要求1所述的应力自感知水泥基材料拉敏性能测试方法，其特征在于，所述步骤S1中，复合水泥浆体掺入碳纤维、炭黑、石墨烯、碳纳米管中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的应力自感知水泥基材料拉敏性能测试方法，其特征在于，所述步骤S2中，测试所述试块的初始电阻R1是采用数字采集设备连接所述电极来进行测试。
6.根据权利要求5所述的应力自感知水泥基材料拉敏性能测试方法，其特征在于，所述数字采集设备为数字电桥或数据采集万用表；
优选地，所述数字采集设备为TH2810D LCR数字电桥或Keithley 2700六位半数据采集万用表。
7.根据权利要求6所述的应力自感知水泥基材料拉敏性能测试方法，其特征在于，所述数字采集设备为TH2810D LCR数字电桥。
8.根据权利要求1所述的应力自感知水泥基材料拉敏性能测试方法，其特征在于，所述步骤S3中，对所述试块进行轴心拉伸测试是将所述试块置于电子万能试验机的试块夹具中进行测试。
9.根据权利要求8所述的应力自感知水泥基材料拉敏性能测试方法，其特征在于，所述拉伸测试时，施加最大拉伸力为200～500N，加载速度为0.1～0.5mm/min。
10.根据权利要求8或9所述的应力自感知水泥基材料拉敏性能测试方法，其特征在于，所述电子万能试验机最大加载力为5KN。
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