专利名称：抗冻型水泥基应力传感器元件的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种检测技术领域的传感器元件，特别涉及一种用于监测混凝 土结构压应力变化并能与大体积混凝土融为一体，同时抗冻性良好的抗冻型水泥基应力 传感器元件。
背景技术：
土木工程领域中的众多大型建筑结构，规模庞大、结构复杂，其使用期都长达 几十年、甚至上百年。在其服役过程中，由于环境载荷作用、疲劳效应、腐蚀效应和材 料老化等不利因素的影响；同时环境温度的反复变化，例如结冰和解冻、潮湿和干燥或 者加热和冷却等，会引起温度梯度，对建筑结构产生破坏，结构将不可避免地产生损伤 积累、抗力衰减，甚至导致突发事故，建筑结构一旦失效，后果将是灾难性的。因此， 加强大型土木工程结构的健康检测已经成为土木结构的一个热点。土木结构健康监测的 一个重要途径是在结构关键部位埋设应力传感器，在线监测结构的受力情况来推测结构 的健康状况。常用的传感器有电阻应变片、压电陶瓷和光导纤维等。这些传感器的埋 设，会不可避免地损坏建筑物的结构；传统传感器的价格高，且使用期限仅为几年到十 几年，需要不断更换，大大增加了建筑物建设和维护成本；传统传感器仅能测试特定地 方的受力状况，对于大面积的应力测量无能为力；传统传感器在变形特性等方面与混凝 土有本质差别，存在明显地相容性问题。近年来基于碳纤维水泥复合材料的机敏效应而制作的水泥基传感器为解决传统 传感器所存在的问题带来了希望。由于其主要原材料为水泥和少量碳纤维，碳纤维水 泥传感器与混凝土的相容性非常好、造价低，耐久性也与混凝土相当。目前人们已经 实用新型出检测应力状况的水泥基传感器。例如，专利02132967.2 “机敏混凝土传感 元件”提到了一种碳纤维混凝土应力传感器，专利200610009828.9提到了适合压敏性 能测量的电极材料的选择，安装方式和测量方法。但以上研究并没有提及适用于正负 温反复作用环境工作的水泥基应力传感器。实际许多混凝土结构的周围环境温度可在 正负温度范围内变化，尤其是最低温度，在寒冷的冬季或高原地区，环境的最低温度可 达-15°C -20°C之间。青藏高原年正负变温的天数高达180d，日温差可达30°C，在此 服役的需要健康检测的混凝土建筑结构就需要考虑到应力传感器的使用环境。以往的碳 纤维水泥基机敏传感器材料均采用普通硅酸盐水泥作为水泥基体，但普通硅酸盐水泥存 在抗冻性差的缺点，在正负反复作用下容易遭到破坏，影响水泥基应力传感器的使用寿 命和测量准确性。
发明内容为了解决水泥基应力传感器存在抗冻性差，温度正负反复作用下容易遭到破 坏，影响水泥基应力传感器的使用寿命和测量准确性，本实用新型提供了一种抗冻型水 泥基应力传感器元件。[0005]本实用新型通过以下措施实现本实用新型的抗冻型水泥基应力传感器元件，包括试块和一对电极，所述电极分别位于试块的上表面和下表面，其特别之处在于所述的试块包括水泥基体和均勻地 分布在水泥基体中的导电纤维；所述的水泥基体为硫铝酸钙水泥砂浆，所述导电纤维由 短切聚丙烯烃碳纤维和碳纳米管组成。上述的抗冻型水泥基应力传感器元件，所述短切聚丙烯烃碳纤维为长度10-15mm、直径 7士0.2 μ m、线电阻 85 Ω/m、拉伸模量 175-215/Gpa。上述的抗冻型水泥基应力传感器元件，所述的碳纳米管为外直径20-40nm、 内径5-10nm、长度50 μ m、比表面积110m2/g、密度2.1g/cm3。本实用新型采用硫铝酸钙水泥作为水泥基体，主要基于以下原因，与硅酸盐水 泥相比较，硫铝酸钙水泥硬化浆体的孔隙率小，结构致密，孔直径小，该特性保证了应 力传感器元件具有良好的抗冻性；同时硫铝酸钙水泥具有微膨胀特性，可以补偿应力传 感器元件的体积干缩，减少收缩裂纹，提高传感器元件的耐久性。本实用新型通过测量传感器元件的电容信号，而非电阻信号作为感知传感器元 件所受的应力。这是因为，电容新号与电阻信号相比，具有变化灵敏、稳定性好的特 点。也就是说，利用传感器材料的压力-电容特性来测量所受应力。材料中的导电纤 维包括短切碳纤维和碳纳米管，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，而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。随着外界作用到传感器元件上的应力的增 大，传感器元件电极极板间距不断缩小，使得传感器元件内部的偶极子极化率提高，传 感器元件的电容不断增大，这样，通过测量传感器的电容可以感知传感器器元件所受的 应力。由于本实用新型的主要成份为硫铝酸钙水泥和砂子的混合物，耐久性良好，而且 与大体积水泥混凝土具有良好的相容性。使用时可以直接将本实用新型的传感器元件安 置在大体积混凝土中，安装工艺简单，同时可以根据检测的部位的要求，改变传感器的 尺寸以方便检测所需检测大体积混凝土部位的应力。本实用新型的有益效果是1.采用硫铝酸钙水泥作为水泥基体，其应用范围可 拓展至冰点以下温度，抗冻性良好；2.除了掺加碳纤维作为功能体外，同时引入碳纳米 管，传感器压容特性变化敏锐，数据稳定。
图1 不同碳纳米管和碳纤维含量的传感器元件的压容特性。
具体实施方式
表1 42.5快硬早强硫铝酸钙水泥性能
权利要求1.一种抗冻型水泥基应力传感器元件，包括试块和一对电极，所述电极分别位于试 块的上表面和下表面，其特征在于所述的试块包括水泥基体和均勻地分布在水泥基体 中的导电纤维；所述的水泥基体为硫铝酸钙水泥砂浆，所述导电纤维由短切聚丙烯烃碳 纤维和碳纳米管组成。
2.根据权利要求1所述的抗冻型水泥基应力传感器元件，其特征在于所述短切聚 丙烯烃碳纤维为长度10-15mm、直径7 士 0.2μιη、线电阻85Ω/ιη、拉伸模量175-215/ Gpa。
3.根据权利要求1所述的抗冻型水泥基应力传感器元件，其特征在于所述的碳纳 米管为外直径20-40nm、内径5_10nm、长度50 μ m、比表面积110m2/g、密度2.1g/cm3 ο
专利摘要本实用新型涉及一种检测技术领域的传感器元件，特别涉及一种抗冻型水泥基应力传感器元件，包括试块和一对电极，所述电极分别位于试块的上表面和下表面，所述的试块包括水泥基体和均匀地分布在水泥基体中的导电纤维；所述的水泥基体为硫铝酸钙水泥砂浆，所述导电纤维由短切聚丙烯烃碳纤维和碳纳米管组成。本实用新型的有益效果是1.采用硫铝酸钙水泥作为水泥基体，其应用范围可拓展至冰点以下温度，抗冻性良好；2.除了掺加碳纤维作为功能体外，同时引入碳纳米管，传感器压容特性变化敏锐，数据稳定。
文档编号C04B28/36GK201795880SQ20102025293
公开日2011年4月13日 申请日期2010年7月9日 优先权日2010年7月9日
发明者叶正茂, 周宗辉, 常钧, 王守德, 程新, 芦令超, 黄世峰 申请人:济南大学