一种电容型水泥基湿敏元件及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种相对湿度感知测试元件，具体地讲，涉及一种用于水泥基材料(如水泥砂浆、混凝土等)水化过程及长期使用过程中水泥基材料内部相对湿度变化的一种电容型水泥基湿敏元件及其制备方法，属于工程材料检测领域。
【背景技术】
[0002]通常条件下的水泥基材料，其干缩、徐变和裂纹形成等力学特性与其内部相对湿度条件密切相关;而对于长期处于干、湿交替环境中的水泥基材料而言，其内部环境湿度变化与其耐久性能更是密不可分。因此准确检测水泥基材料内部湿度变化可有利深入了解土木建筑结构的健康状况。目前常用的测试方法为预埋管道法，该方法是在水泥基材料浇筑时预埋管道，待其具有强度时将数字湿度测量元件置于管底，然后再与外界进行隔离密封，但其封堵材料泌水及密封难度大。发明专利CN101603937B “水泥基材料内部相对湿度测试装置及其测试方法”和CN103163285A “一种测定水泥混凝土内部相对湿度和温度的装置”克服了传统预埋管道的上述缺点，但上述两种方法仍不能很好的测试水泥浇注早期内部相对湿度，同时装置中的数字湿度测量元件与水泥基材料内部空隙太大，导致两者所处空间相对湿度同步难。此外，土木建筑形状各异，需要进行湿度测量的部位往往有多处，一个湿度测量装置仅能负责测量某特定部位的湿度，要想对土木建筑结构进行多处测量，需要预埋多个湿度测量装置，这必将引起整个建筑结构的应力大幅降低，严重影响其耐久性;而且湿度测量装置使用年限低，服役过程中需要更换，造价相对高，大大提高工程造价。因此，发明出一种能够准确测试水泥基材料水化内部的相对湿度、多点测量不影响结构应力、使用寿命长、造价低的湿度测量元件具有非常重要的意义。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种电容型水泥基湿敏元件，通过测量水泥基材料内部电容信号的变化，全时段反应土木结构自身内部的湿度变化。由于本发明测量元件本身就是水泥基材料，同时引掺入一定量的多孔吸附材料，与建筑物紧密接触，可及时同步建筑结构内容相对湿度，测量结果及时可靠;埋入该测量元件不会影响建筑结构的耐久性，价格低廉，可大大降低工程造价，因此具有广阔的应用前景。
[0004]本发明还提供了一种电容型水泥基湿敏元件的制备方法。
[0005]本发明采用以下技术方案:
一种电容型水泥基湿敏元件，其特征在于，它是由圆柱状水泥基坯体和位于距圆柱状水泥基坯体两端口平行于两圆面向里距离为10-20cm处的圈状电极构成;所述圆柱状水泥基坯体与圈状电极通过混有导电胶的铜粉密封粘结;圈状电极接有导线。
[0006]所述圆柱状水泥基坯体是由以下重量百分比的原材料组成:水泥砂浆92-95%，导电材料1-2%，多孔吸附材料3-6%。
[0007]所述圈状电极为直径为1.38mm-2.26mm的铜导线。
[0008]所述水泥砂浆由42.5普通硅酸盐水泥、石英砂细骨料和水组成;所述水泥砂浆水灰比0.5，灰骨比0.3 ；所述石英砂细骨料粒径范围3-4.5_。
[0009]所述导电材料由短切碳纤维、碳纳米管和纳米炭黑按照0.5:1:0.8的重量比组成。
[0010]所述多孔吸附材料为沸石、凹凸棒土、海泡石以及硅藻土中的一种或几种的组合。
[0011]所述的短切碳纤维为聚丙烯烃短切碳纤维，其长度10-15mm，直径7μπι，线电阻为85Ω /m;所述的碳纳米管外径20_40nm，内径为5-10醒，长度为5(^111，比表面积为1001112/^;所述的纳米炭黑，直径2_3nm，比重1.8-1.91g/cm30
[0012]上述的电容型水泥基湿敏元件的制备方法，它包括以下步骤:
1)将沸石、凹凸棒、海泡石以及硅藻土粉磨过200目筛，与普通硅酸盐水泥及石英砂细骨料按比例混合均匀得混合物；
2)将短切碳纤维、碳纳米管和纳米炭黑按比例组成的导电材料，与占水泥质量1%的分散剂羟乙基纤维素分散到水中制成混合溶液；
3)按比例将步骤I)所得混合物和步骤2)所得溶液混合并超声分散均匀得到水泥基材料，然后将水泥基材料浇筑于圆柱状模具中，放入温度为20±1 °C，相对湿度之90%的养护室中养护，Id后放入水中20 ± I。(:温度下继续养护28d，然后真空干燥；
4)在养护并干燥完成的圆柱水泥基坯体安装一对圈状电极，即在位于距圆柱状水泥基坯体两端口平行于两圆面向里距离为10-20cm处切削出圆形沟槽，将圆形电极埋入，电极与水泥基材料接触部位由混有导电胶的铜粉密封，最终获得电容型水泥基湿敏元件。
[0013]将表面处理过的短切碳纤维和碳纳米管通过特定工艺均匀分散到水泥砂浆中，可在细观和微观尺度角度形成许多大小尺度不同的微小电容器，这些微小电容器均匀分布于混凝土中，通过串联或并联方式赋予水泥基材料一定的电容信号，如果水泥基材料内部任何一个部位发生结构或成分的变化，将上述水泥基湿敏材料接入圈状电极，通过测量水泥基材料电容信号分可迅速感知这种变化。水泥基材料湿度的变化可归结于材料内部水分多少的变化，因此湿度的变化可通过测量电容信号来感知；同时由于水分的介电常数比水泥基材料高出许多，因此由湿度变化引起水泥基材料电容信号变化明显。被测建筑施工时预留空间，建筑完工后将水泥基湿敏元件埋入建筑物预留位置，引出导线接通测量设备，即可全时段感知建筑结构被测位置的湿度变化。
[0014]本发明通过测量湿敏元件的电容信号，而非电阻信号作为感知环境湿度的电信号。这是因为，电容信号与电阻信号相比，具有变化灵敏、稳定性好的特点。湿敏元件中的导电材料包括短切碳纤维、碳纳米管和纳米炭黑，这些导电材料在水泥基体中形成许多电容器，其中碳纤维之间形成相对较大的电容器;碳纳米管之间形成更为微观的电容器，从而在微观区域进一步增强整个温度传感器元件的电容值。此时湿敏元件中的短切碳纤维、碳纳米管和纳米炭黑的掺量并未达到导电渗阈值，该元件对外界的温度或应力的变化不敏感，因此可忽略外界温度和应力对湿度测量结果的干扰。水泥基材料湿度越高，湿度测量元件由于包含多孔吸附材料将容易快速吸附越多水分子，引起测量元件电容值的不断增加，如果提前建立环境湿度与湿度测量元件电容值之间的相关性，测量湿度测量元件的电容即可以计算感知水泥基材料自己内部的相对湿度。
[0015]本发明圆柱形湿敏元件可直接直立安装在建筑所需湿度测量的预留孔洞中，兼顾加固建筑结构，外部密封部分与元件保留一段距离;元件上一对圈状电极留出建筑物孔洞外面，整个安装工艺简单；同时可以根据建筑内部湿度检测部位要求，改变湿度测量元件的尺寸以方便检测，电容信号的测量使用数字电桥即可。
[0016]本发明的有益效果是:由于测量元件本身就是水泥基材料，耐久性良好，同时引掺入一定量的多孔吸附材料，与建筑物紧密接触，可及时同步建筑结构内容相对湿度，测量结果及时可靠;埋入该测量元件不会影响建筑结构的耐久性，价格低廉，可大大降低工程造价。可适用于水泥基材料各龄期内部相对湿度的测量，还适用于各种不同空间和环境下相对湿度的测量。因此该水泥基湿敏元件前景广阔。
【附图说明】
[0017]图1是本发明实施例1在0-90RH°/Mf对湿度范围内湿度测量元件电容率变化图；
图2是本发明实施例2在0-90RH°/Mf对湿度范围内湿度测量元件电容率变化图；
图3是本发明实施例3在0-90RH°/Mf对湿度范围内湿度测量元件电容率变化图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0019]实施例1
一种电容型水泥基湿敏元件，它是由圆柱状水泥基坯体和位于距圆柱状水泥基坯体两端口平行于两圆面向里距离为1cm处的圈状电极构成;所述圆柱状水泥基坯体与圈状电极通过混有导电胶的铜粉密封粘结，圈状电极接有导线。
[0020]其中的圆柱状水泥基坯体是由以下重量百分比的原材料组成:水泥砂浆95%，导电材料I %，多孔吸附材料4%。
[0021]所述圈状电极为直径为1.38mm的铜导线。
[0022]所述水泥砂浆由42.5普通硅酸盐水泥、石英砂细骨料和水组成;所述水泥砂浆水灰比0.5，灰骨比0.3。其中石英砂细骨料粒径范围3-4.5mm。
[0023]所述导电材料由短切碳纤维、碳纳米管和纳米炭黑按照0.5: