专利名称：一种水泥基复合材料受力形变的检测方法
技术领域：
本发明涉及一种水泥基复合材料受力形变的检测方法，属于建筑材料技术范畴。
根据采用的集料不同，水泥基复合材料可分为水泥砂浆和混凝土两大类水泥砂浆主要有水泥、水和细集料(砂子)配制而成；配制混凝土还需包括粗集料即砂石料。普通水泥基复合材料虽然具有较高的杨氏模量(10～40GPa)，但抗拉强度低(1～6MPa)、破坏应变小(10-4～10-2)，几乎是脆性材料(Birchall J D.J Mat Sci Lett，2，125-126，1982)。这些物理、力学性能上的不足，是普通水泥基复合材料在水化、胶凝成型过程中所造成的缺陷所决定的。
水泥基复合材料存在的缺陷包括(1)水泥基复合材料凝固过程中不均匀收缩所产生的裂纹；(2)水泥基复合材料水化搅拌过程中由集料带入的气泡在水泥基复合材料固化后所形成的孔穴。这些缺陷使水泥基复合材料受到拉伸、弯曲形变时，导致应力迅速向裂缝尖端集中，产生裂纹扩张引起材料本体的破坏。同时这些缺陷使普通水泥基复合材料易产生渗漏和可溶性盐的溶出，加速水泥基复合材料的老化。B.Zhang(Cem.Concr.Res.20(5)，699-771，1998)对水泥基复合材料的强度与缺陷的关系进行了系统的研究，得出水泥基复合材料的强度与孔隙率和孔隙直径呈负相关。
为改善水泥基复合材料的综合性能，提高抗拉强度、绕曲性、应变性和延长水泥基复合材料的使用寿命，人们推出了无宏观缺陷(Macro-Defect-Free)MDF水泥基复合材料(N.McN.ALFORD，J.Mat.Sci.20，37-45，1985)。根据是否采用纤维增强技术，又细分为MDF水泥基复合材料和纤维增强MDF水泥基复合材料；MDF水泥基复合材料是通过添加少量高聚物以去除水泥基复合材料的宏观缺陷；纤维增强MDF水泥基复合材料是加入无机或聚合物纤维，在基体内形成三维互穿网络，综合改善水泥基复合材料的物理、力学性能。
迄今为止，针对水泥基复合材料，人们已做了大量的研究，但针对水泥基复合材料的部分力学性能的检测方法不一致，使检测数据失去可比性。
水泥基复合材料的物理、力学性能检测方法及其缺陷除了抗折强度、抗压强度有ISO统一检测标准以外，所有MDF水泥基和纤维增强水泥基复合材料的物理、力学性能----冲击强度(Impact Energy/ImpactStrength)、抗弯性能、弯曲韧性(Flexural Toughness)、抗拉性能检测指标均和第一裂纹出现有关。但目前ISO、ASTM尚未对纤维增强混凝土的冲击强度(Impact Energy/Impact Strength)建立标准的检测方法，对第一裂纹的尺度没有明确的界限，对纤维增强混凝土重要的性能指标之一---冲击强度的检测，其检测数据因检测方法和冲击造成的永久破裂的界限不同而失去可比性。
中国国家标准GB/T 15231.1～15231.5--94，玻璃纤维增强水泥性能试验方法，用游标卡尺测量冲击断口的宽度和深度(精确到0.02mm)，进而计算冲击强度，同样遇到断口不规则性和未完全断裂条件下的冲击断口的宽度和深度的测量问题。
纤维增强混凝土及砂浆的抗拉性能的检测，国内基本参照GB15231.4-94玻璃纤维增强水泥性能试验方法。通过粘贴试件中央的电阻应变片，检测试件在拉伸过程中相应的荷载-应变(应力-应变)曲线。通过荷载-应变(应力-应变)曲线计算抗拉强度和抗拉弹性模量，从荷载-应变(应力-应变)曲线上刚开始离开直线时的极限荷载得出抗拉比例极限强度，由最大荷载得出抗拉强度，对纤维增强混凝土的抗拉性能进行评价。
纤维增强水泥基复合材料的抗弯性能的检测方法，国内均参照GB15231.4-94玻璃纤维增强水泥性能试验方法。用电子万能试验机(量程50kN，精度1％)，以2～5mm/min的速度加荷，直至破坏，并由函数记录亦绘出荷载-挠度曲线。从荷载-挠度曲线上刚开始离开直线时的极限荷载得出抗弯比例极限强度，由最大荷载得出抗弯强度，对纤维增强混凝土的抗弯性能进行评价。
LOP＝(W1L/bd2)×103(1)MOR＝(W2L/bd2)×103(2)Eb＝(23W3L3/108δ1bd3)×103(3)LOP抗弯比例极限强度，MPaMOR抗弯强度，MPaEb抗弯弹性模量，MPaW1抗弯比例极限荷载，KNW2抗弯最大荷载，KNW3三分之二抗弯比例极限荷载，KNL 跨度，mmb 试件宽度，mmd 试件厚度，mmδ1W3时加荷点的挠度，mm其评价指标抗弯比例极限强度LOP、抗弯弹性模量Eb、均与荷载-挠度曲线上刚开始离开直线时的极限荷载有关。
与ASTM C1018-97纤维增强水泥基复合材料的弯曲韧性(FlexuralToughness)和第一裂纹出现时的抗弯强度标准测试方法类似。ASTM C1018-97采用三个点式电子传感器测量荷载过程中试样的应变，沿试样上端面的中心线布置，两个传感器对称地置于试样两端支撑的上方，一个位于中点。用两端传感器测得的应变平均值减去中点传感器所测得的应变即可得出荷载条件下的净挠度(应变)，通过荷载-挠度曲线，评价纤维增强水泥基复合材料的弯曲韧性(Flexural Toughness)和第一裂纹出现时的抗弯强度。
但是，实验所得的荷载-挠度曲线，在达到抗弯最大荷载之前，线性不会很理想，有凹形(图(1)a)和凸形(图(1)b)两类。无论是凹形和凸形的荷载-挠度曲线，对确定第一裂纹所对应的挠度(即在曲线上开始离开直线是之点所对应的挠度)和抗弯比例极限荷载(即在曲线上开始离开直线是之点所对应的荷载)均有一定的随意性，尤其是凸形的荷载-挠度曲线的结果。这将导致对纤维增强混凝土的抗弯性能进行评价的指标---抗弯比例极限强度和抗弯弹性模量计算产生较大的误差。
所有水泥基复合材料制品在微细结构和小尺度宏观结构上均存在不均匀性，GB15231.4-94玻璃纤维增强水泥性能试验方法中，粘贴试件中央的电阻应变片约是整个试件受力面积的六分之一，在较大程度上不能反映纤维增强水泥制品受到拉伸条件下所产生的不均匀应变。ASTM C1018-97采用三个点式电子传感器测量荷载过程中试样的应变，也不能反映纤维增强水泥制品受到弯曲条件下所产生的不均匀应变。
人们对MDF水泥基和纤维增强水泥基复合材料的物理、力学性能----冲击强度(Impact Energy/Impact Strength)、抗弯性能、弯曲韧性(FlexuralToughness)、抗拉性能检测方法和评价，利用添加碳纤维的导电混凝土作为传感器，通过检测电阻的变化，可以比较全面地反应混凝土的荷载一应变和开裂状况，在专利98119894.5的大坝变形、开裂自动预警系统中得以应用；B.Glisic(Cement & Concrete Composites，22，115-119，2000)利用相同材质和长度的光纤，以一根作为参比，另一根置于塑料管中作为预埋感应光纤，通过检测经过这两根光纤的光线的相位和时间变化以确定混凝土建筑的变化程度。这些方法只能解决大型混凝土建筑的变形、开裂检测。对于确定水泥基复合材料的性能检测，如果添加碳纤维的导电混凝土技术，将改变所需检测的MDF水泥基和纤维增强水泥基复合材料基体的性质；因为添加的碳纤维既作为水泥基复合材料的导电媒体，又对水泥基复合材料起到增强作用，改变了所需检测的MDF水泥基和纤维增强水泥基复合材料原有的物理、力学性能。如使用光纤，也存在类似的问题。
本发明一种水泥基复合材料受力形变的检测方法的实施途径是，通过在所需检测的水泥基复合材料试样的表面涂覆与试样结合牢固的导电膜作为传感器，将传感器通过预埋铜丝电极或引线夹与相应的桥式电路信号采集器连接，试样受到拉伸、弯曲和冲击产生的变形和开裂将直接导致导电膜本身产生变形和开裂，通过检测导电膜电阻的变化即可反映出试样的形变和开裂程度。
结合试验结果，就采用导电膜作为传感器，通过检测水泥基复合材料受力、受冲击条件下电阻的变化、以及由电阻变化引起的电压信号变化，评价水泥基复合材料的物理、力学性能的检测方法作进一步阐述。
(一)、采用导电膜作为传感器1)导电膜的组成采用添加平均长度3mm～12mm短切碳纤维、石墨粉的胶粘剂作为导电胶，涂覆于水泥基复合材料试样之上，形成导电膜。短切碳纤维过长不利于分散，过短不利于形成导电互穿网络。
●石墨粉与碳纤维的比例(重量比)；石墨粉∶碳纤维＝1.0～30∶1在导电膜中，短切碳纤维形成互穿网络，构成导电主体；添加石墨粉是为了将短切碳纤维均匀分散在导电膜中，使导电膜具有均匀的导电性，保证导电膜在外力作用下自身应变不产生不均匀的电阻变化。
导电膜自身厚度为0.1～0.3mm，不对水泥基复合材料的力学性能产生影响。
考虑到水泥基复合材料的主体是硅酸盐体系，其表面的化学性质与玻璃相近，为便于观测，采用玻璃为基材涂覆导电胶，观测导电膜中短切碳纤维的分布。以短切碳纤维、石墨粉、胶粘剂组成导电胶，将短切碳纤维与石墨粉先混合，添加胶粘剂搅拌1分钟混匀，用毛刷在玻璃面上刷涂一边，形成导电膜。通过显微镜观测固化后短切碳纤维在导电膜中的分散程度。
图(2)是添加少量石墨粉后(重量比；石墨粉∶碳纤维＝3.5∶1)，短切碳纤维在导电膜中的分布照片，放大倍数为50；从图中可以看出，石墨粉能在搅拌过程中插入碳纤维束，使碳纤维单丝之间减少束缚易于分离，碳纤维已趋向成单丝均匀分布，不存在团聚现象。
胶粘剂可以采用酚醛数、环氧和丙烯酸酯树脂。
●短切碳纤维与胶粘剂的比例(重量比)短切碳纤维∶胶粘剂＝0.1～5.0∶100样品制备，采用250mm×30mm×3.5mm的玻璃片，两端缠绕铜丝构成电极，两个电极间距离为180mm，其间均匀涂上导电胶形成导电膜，见图(3)，着色部分为涂覆的导电胶，灰线为缠绕的铜丝电极和铜丝引线。刷涂导电胶应超过两个电极间的距离各5～10mm，保证导电膜与所缠绕的铜丝电极有良好的接触。采用玻璃片作为导电膜条件试验基材，考虑到玻璃与水泥基复合材料有相近的表面化学性质，导电胶与基材的化学结合力不会有较大的差异；玻璃表面比水泥基复合材料表面光滑，导电胶与玻璃的机械结合力比与水泥基复合材料的机械结合力要小，不会产生对导电胶在水泥基复合材料中的应用效果的判断；而且玻璃材料更便于观测。
以改性丙烯酸酯301作为胶粘剂，添加不同数量的碳纤维，按图(3)制备导电膜，检测固化后的导电膜的电导率L。导电膜的电导率L与碳纤维含量Wt有良好的相关关系，见图(4)。图(4)为导电膜的体积电导率μ(ms/cm3)与碳纤维含量Wt(mg)的关系。
可以利用改变导电胶中碳纤维的含量，设计成不同导电性能的传感器，满足不同需要。2)、导电膜的电阻随时间变化特性将胶粘剂与短切碳纤维与石墨粉混合，搅拌1分钟混匀形成导电胶，见表1。用毛刷在玻璃面上刷涂一边，形成导电膜。用万用电表检测不同时间下相应的电阻值。
完全固化时间是将同样大小(250mm×30mm×3.5mm)的玻璃片将一张70g A4复印纸裁下的纸条(180mm×50mm)压在胶面上，10分钟内，取下纸条时，用5倍的放大镜观察纸纤维不被胶面粘下，此时对应的室温下固化时间为完全固化时间。
表1、导电胶的组成 以丙烯酸酯作为胶粘剂的导电膜电阻随时间的变化趋势见图(5)；在10小时后导电膜电阻变化很少。
酚醛、环氧树脂也有类似结果，但固化时间比改性丙烯酸酯作为胶粘剂的导电膜慢。
上述实验结果可以得出●改性丙烯酸酯作为胶粘剂的导电膜，固化速度快，导电膜的电阻随时间变化小；较为理想。优选使用改性丙烯酸酯作为胶粘剂。3)、导电膜的粘接力和断裂伸长率以改性丙烯酸酯301、302、各20g作为胶粘剂，添加平均长度6mm的碳纤维0.150g、石墨粉1.50g，分别在250mm×30mm×3.5mm的玻璃片和250mm×30mm×0.12mm的PET薄膜上刷涂制备导电膜；PET薄膜为载体的导电膜制备参照图(3)。固化10小时后，试将玻璃片上的导电膜剥下测其断裂伸长率；PET薄膜做为载体与导电膜一起拉伸，测定导电膜的断裂伸长率。测试中采用桥式信号采集器，监控导电膜在拉伸过程中对应于断裂时产生的电压信号突变；设定拉伸速率100mm/min，在Shinbch拉伸仪上，检测其断裂伸长率，结果示于表(2)。
表(2)、不同胶粘剂的导电膜的粘接效果和断裂伸长率 导电膜作为作为水泥基复合材料的应变传感器，必须保证导电膜与水泥基复合材料试样有良好的粘接力，并且导电膜材料的弹性应变不能与水泥基复合材料的应变相差太远。弹性太好的导电膜，水泥基复合材料发生开裂应变时，导电膜本身不发生破裂，其电阻不发生突跃变化。从表(2)的结果可以得出a、改性丙烯酸酯作为配制导电膜用的胶粘剂具有良好的粘接性，可以及时反应水泥基复合材料的应变。
b、改性丙烯酸酯301、302体系所形成的导电膜，其断裂应变比水泥基复合材料的破坏应变(约0.0005)高出一个数量积，与MDF水泥基复合材料已较为接近，是一种较为理想的水泥基复合材料应变、开裂感应材料。
(4)、玻璃断裂与导电膜的电阻变化以丙烯酸酯301分别作为胶粘剂，与短切碳纤维与石墨粉混合，搅拌1分钟混匀成导电胶，用毛刷按图(3)所示，在玻璃面上刷涂一边，制成导电膜。
完全固化后，将玻璃片涂有导电膜的一面朝下，置于平整的桌面上，用尖头铁棒轻击玻璃片中段，及至玻璃片破裂，用万用电表检测每次冲击前后相应的导电膜的电阻值变化。实验发现，在玻璃片断裂前，导电膜电阻基本恒定；玻璃片断裂时，电阻变化较大。结果示于表(3)。
表(3)、导电胶的组成与玻璃断裂前后导电膜的电阻变化 从表(3)中可以看出，其导电膜在玻璃开裂前后，电阻值有数量积的变化，适合于水泥基复合材料应变、开裂感应材料。这个结论，还可以从玻璃片开裂后，裂口处导电膜与玻璃片的结合状况得到傍证，见图(6a)、(6b)。
图(6a)、丙烯酸酯301体系玻璃片裂口显微照片，(玻璃面朝上)(放大倍数50)。
图(6b)、丙烯酸酯301体系玻璃片裂口显微照片，(导电膜面朝上)(放大倍数50)从图(6a)、(6b)可以看出，丙烯酸酯为胶粘剂的导电膜，其裂口位置与载体玻璃开裂的位置相同，也反映了导电膜与玻璃片基体结合紧密，对涂覆的基体的断裂和形变有灵敏的响应。
即导电膜传感器对水泥基复合材料试样的不均匀应变将有灵敏的反映。
(二)、信号采集器1、信号采集原理桥式电路信号采集器见示意图(7)，其中R1、R2、固定电阻，R1＝R2ΩR3、可变电阻，用10K电位器代替ΩRg、电流计G的电阻ΩRx、待测电阻ΩIg、电流计G的电流AVg、电流计G的两端的电压VE、直流恒压电源VD1、D2为发光二极管K、电路开关Ig＝(R2R3-R1Rx)E/{(R1R2R3+R2R3Rx+R3RxR1+RxR1R2+Rg(R1+R3)(R2+Rx)} (4)取R1＝R2＝R≥10R3，R3与Rx相当时，Ig数值与(R3-Rx)成正比，当Rx出现突变时，所对应的电流计电流Ig和电流计两端的电压Vg也将出现突变，式(4)可以近似为式(5)。
Ig＝(R3-Rx)RE/{R2R3+2RR3Rx+R2Rx+R2Rg} (5)Vg＝IgRg(6)取R1＝R2＝R～Rg≥10R3，式(5)、式(6)分别可以近似为式(7)、式(8)。
Ig＝(R3-Rx)E/{RRg} (7)Vg＝(R3-Rx)E/R (8)R3已知，响应信号Ig、Vg直接与Rx变化成线性关系。
根据式(4)、(6)、(8)可知，所检测的电阻出现开路和短路两种极端情况时，电压方向相反；开路 Rx＞＞R3，Vg＜0短路 Rx＝0， Vg＞0可以选用发光二极管D1、D2与电流计并联，作为开路和短路时的光学显示信号。2、信号采集器的制作电桥电路信号采集器见示意图(7)，包括固定电阻(R1、R2)、可变电阻R3、电流计(G)、涂覆导电膜的水泥基复合材料试样(待测电阻Rx)、发光二极管(D1、D2)、直流恒压电源E、电路开关K，用导线连接；其中1)、固定电阻，R1＝R2＝5000～100000Ω2)、可变电阻R3，用1K～10K电位器代替3)、与电流计G反向并联连接的两个不同颜色的发光二极管，如红、绿发光二极管；Rx短路管发光二极D2时发红光，Rx开路管发光二极D1时发绿光4)、在电流计G位置也可用伏特计代替以检测电压信号的变化5)、采用引线夹将Rx与电桥电路的连接，便于试样更换6)、采用4.5～12V的直流恒压电源E，其中一端与电路的连接开关K，测试时才接通。
实际操作中、控制导电膜中碳纤维添加量，使Rx≤500Ω，保证10Rx～10R3≤R1＝R2＝R～Rg本发明一种水泥基复合材料受力形变的检测方法，通过在所需检测的水泥基复合材料试样的表面涂覆与试样结合牢固的导电膜作为传感器和桥式电路信号采集器，通过检测在试样受到拉伸、弯曲和冲击条件下的导电膜电阻的变化即可反映出试样的形变和开裂程度，可以准确检测水泥基复合材料制品在微细结构和小尺度宏观结构上存在的不均匀性引起的不均匀应变。
2)、样表面涂覆导电膜在水泥砂浆和聚丙烯细旦短纤维增强水泥砂浆自然养护到龄期后，试样表面用导电胶处理形成导电膜传感器，见图(8)。图(8)为表面涂覆导电膜的砂浆试样示意图。
试样两端面20mm处缠绕铜丝，作为电极。除了引线部分，试样表面的铜丝被导电膜覆盖。
3)、形成导电膜的导电胶组成表(4)、导电胶组成 2、聚丙烯细旦短纤维增强水泥砂浆的冲击实验将涂覆导电膜的试件按图(9)放置，调节圆环大小保证Φ55mm的钢球中心与圆环底缘平齐，距水泥地面290mm。底座、水泥基复合材料试样的放置位置，在平整的水泥地面上划好标线，每次落球冲击实验后如发生位移及时调整，保证每次冲击位置不发生变化。钢球质量为236g.
将其电极引线与信号采集器连接，接通电源，调节电位器使万用电表的电压接近于零，记录初始电压。用质量为236g钢球进行冲击实验。每冲击一次，结合5倍的放大镜用游标卡尺检测裂纹宽度和长度，并记录相应的电压，观测发光二极管的信号变化。3、实验结果聚丙烯细旦短纤维增强水泥砂浆的冲击实验结果见表(5)和图(10)。图(10)为聚丙烯细旦短纤维增强水泥砂浆的冲击裂纹面积S与电压变化(Vg-Vg0)的关系，在裂纹开始发生区，聚丙烯细旦短纤维增强水泥砂浆的冲击裂纹面积与电压变化成良好的线性关系。
表(5)、Vg0＝12mV，Rx0＝70.2Ω
实施例21、样品制备1)、水泥砂浆a、聚丙烯细旦短纤维增强水泥砂浆的比例和聚丙烯细旦短纤维掺量、搅拌时间、震动时间、标准养护时间同实施例1。
b、普通水泥砂浆的比例、搅拌时间、震动时间、养护同a。不添加聚丙烯细旦短纤维。
2)、样表面涂覆导电膜同实施例1。
3)、形成导电膜的导电胶组成同实施例1。2、水泥砂浆的冲击实验同实施例1。2.实验结果表(6)、
计算面积是根据图(10)冲击裂纹面积S与电压变化(Vg-Vg0)的关系，通过实测电压变化(Vg-Vg0)计算相应的冲击裂纹面积S。
权利要求
1.一种水泥基复合材料受力形变的检测方法，其特征在于所述检测方法是采用短切碳纤维、石墨粉、胶粘剂构成的导电膜作为传感器，通过桥式电路信号采集器对水泥基复合材料的受力形变进行检测；所述的导电膜由石墨粉、短切碳纤维、胶粘剂构成，其组成为按重量比石墨粉∶碳纤维＝1.0～30∶1短切碳纤维∶胶粘剂＝0.1～5.0∶100所述的短切碳纤维的平均长度为3mm～12mm；所述的桥式电路信号采集器中的电流计G反向并联连接两个不同颜色的发光二极管。
2.根据权利要求1所述的一种水泥基复合材料受力形变的检测方法，其特征在于所用的胶粘剂为酚醛树脂、环氧树脂和丙烯酸酯树脂。
3.根据权利要求1所述的一种水泥基复合材料受力形变的检测方法，其特征在于桥式电路信号采集器的固定电阻R1＝R2＝5000～100000Ω。
4.根据权利要求1所述的一种水泥基复合材料受力形变的检测方法，其特征在于桥式电路信号采集器的可变电阻R3是1K～10K电位器。
5.根据权利要求1所述的一种水泥基复合材料受力形变的检测方法，其特征在于桥式电路信号采集器采用4.5～12V的直流恒压电源。
全文摘要
本发明是一种水泥基复合材料受力形变的检测方法,通过在水泥基复合材料试样的表面涂覆由短切碳纤维、石墨粉、胶粘剂构成的导电膜作为传感器,并结合相应的桥式电路信号采集器,检测水泥基复合材料试样受力、荷载、受冲击条件下的不均匀变形和开裂,从检测导电膜电阻的变化引起的电压、电流变化即可反映出试样的形变和开裂程度。
文档编号G01N27/04GK1363832SQ0210651
公开日2002年8月14日 申请日期2002年2月26日 优先权日2002年2月26日
发明者王家君, 王笃金, 赵莹, 周勇, 胡先波, 徐端夫 申请人:中国科学院化学研究所