专利名称：用于温度自测的机敏混凝土传感元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种检测技术领域的传感元件，具体地讲，涉及一种用于监测大体积混凝土内部温度变化并能与大体积混凝土融为一体的温度自测机敏混凝土传感元件。
背景技术：
混凝土是土木工程中应用最广泛的结构材料，特别是在那些大型的结构中应用更为广泛，如大坝、高层建筑的地基基础以及某些特殊的结构。通常，混凝土在水化硬化过程中，由于水化反应会放出一定的热量，特别是那些大体积混凝土，其放热量是非常可观的，这将会引起大体积混凝土内外产生较大的温差，易产生温度裂缝，引起结构的不安全。为了控制温差，常常需要预埋热电偶或温度传感器进行温度监测，这样一方面提高了工程造价，更重要的是引起了结构的局部应力集中而降低了结构的耐久性。因此，能够开发出一种能与大体积混凝土相容且能实现温度自测的水泥基传感元件显得十分必要和迫切。近些年来，国内外学者经研究发现，将短切碳纤维掺入到水泥混凝土中，当碳纤维掺量达到一定水平后形成导电通路，并利用此特性，研究开发出实现损伤自诊断的机敏水泥基复合材料。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号CN1484027A，专利名称机敏混凝土传感元件，该专利提到采用短切碳纤维制备一种用于监测土木结构的混凝土传感器。因此，将短切碳纤维引入水泥混凝土，将赋予其一些特殊的性能，如导电性、损伤自诊断等特性，同时，导电纤维的掺入使得水泥混凝土成为一种半导体材料，具有塞贝克效应，可以感知温度变化，作为一种温度传感器。
发明内容
本发明的目的在于针对导电纤维水泥混凝土具有的以上特性，提供一种用于温度自测的机敏混凝土传感元件，以实现大体积混凝土内部温度自监控。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明由试块和在试块上设置的一对电极构成，试块材料为导电纤维和水泥砂浆基料，导电纤维均匀分散于水泥砂浆基料中。
所述的电极有一对，电极预埋在试块中。
所述的导电纤维，为碳纤维或/和微细钢纤维。
所述的试块材料为碳纤维水泥砂浆，即为碳纤维和水泥砂浆基料时，其组成(质量比)为水泥砂浆基料99-99.5％，碳纤维0.5-1％。
所述的试块材料为微细钢纤维砂浆，即为微细钢纤维和水泥砂浆基料时，其组成(质量比)为水泥砂浆基料97-99％，微细钢纤维1-3％。
所述的试块材料为以上所述的碳纤维水泥砂浆与微细钢纤维砂浆按体积比1∶1进行复合。
所述的碳纤维是短切碳纤维，其长度平均为5±2mm，直径为7±0.2μm，导电率为10-2-10-3Ω·cm。
所述的微细钢纤维，其长度平均为5±2mm，直径为0.5±0.2mm，导电率为6×10-5Ω·cm。
将水泥砂浆基料按比例配好后，将导电纤维均匀地掺合到基料中，而后浇注成40mm×40mm×160mm长方体试模中，同时将电极安置在试块中再固化成传感器。
本发明是利用具有导电功能的导电纤维在水泥砂浆中均匀分布，形成导电网络，构成半导体。当混凝土内外由于温差作用，形成一个温度梯度，而导电纤维水泥砂浆由于塞贝克效应形成温差电动势，通过测试电动势而比较方便地监测到混凝土内部温度的变化。由于本发明装置的主要成分是水泥和砂子的混合物，因此它的耐久性很好，而且与水泥混凝土有比较好的相容性。使用时可以直接将本发明的装置安置在大体积混凝土中，安装工艺简单。与现在常用的热电偶相比其制造成本较低，且实现了水泥混凝土材料温度自监测。
图1是本发明的实施例1的结构示意图；图2是本发明的实施例1的结构示意图；图3是本发明的实施例3的结构示意图；
图4是实施例1中所测试的碳纤维水泥砂浆传感元件的温度变化与电动势对应关系示意图；图5是实施例2中所测试的微细钢纤维水泥砂浆传感元件的温度变化与电动势对应关系示意图；图6是实施例3中所测试的碳纤维水泥砂浆-微细钢纤维水泥砂浆传感元件的温度变化与电动势对应关系示意图。
具体实施例方式
下面通过实施例并结合附图进一步描述本发明表1是本发明实施例采用的碳纤维的理化性能参数；表2是本发明实施例采用的微细钢纤维的理化性能参数；
表1
表2实施例1结合表1和图1，将碳纤维0.5-1％，水泥砂浆基料99-99.5％的比例制备好原料。水泥砂浆基料，其组成(质量)为硅酸盐水泥33％，硅粉5％，标准砂38％，水23％，甲基纤维素1.0％。其中碳纤维为短切碳纤维，长度平均为为5±2mm，直径为7±0.2μm，导电率为10-2-10-3Ω·cm。将配制好的原材料按以下工艺进行制作首先称取30％的水，将甲基纤维素分散于其中，同时用玻璃棒搅拌，静置20分钟左右确保甲基纤维素完全溶解，随后将碳纤维加入溶液中，并不断搅拌。将剩下的70％的水加入搅拌锅中，分次加入硅灰、水泥和标准砂，最后将分散有碳纤维的溶液加入搅拌，一共需搅拌3分钟左右。搅拌完毕，将拌和料装入试模中，进行高频振动成型，并按规定尺寸预埋电极，如图1。试样脱模后，送入标准养护室中进行养护。28天时，取出试样进行测试，测试结果如图4。图1中，1为预埋在试块中电极，2为碳纤维水泥砂浆组成的试块。在图4中，a为升温曲线，b为降温曲线。从图中可见，体系的温差电动势与温度变化之间具有线形对应关系，其塞贝克系数达到25.0μv/℃。
实施例2结合表2和图2，将微细钢纤维1-3％，水泥砂浆基料97-99％的比例制备好原料。水泥砂浆基料，其组成(质量)为硅酸盐水泥38％，标准砂38％，水24％。其中微细钢纤维，长度平均为5±2mm，直径为0.5±0.2mm，导电率为6×10-5Ω·cm。将配制好的原材料按常规的试样制作方法搅拌、成型并按按规定尺寸预埋电极，如图2。试样脱模后，送入标准养护室中进行养护。28天时，取出试样进行测试，测试结果如图5。图1中，1为预埋在试块中电极，2为微细纤维水泥砂浆组成的试块。在图5中，a为升温曲线，b为降温曲线。从图中可见，体系的温差电动势与温度变化之间具有线形对应关系，其塞贝克系数达到56.8μv/℃。
实施例3结合表1、2和图3，按实施例1和2分别配制好碳纤维水泥砂浆和微细钢纤维水泥砂浆，在40mm×40mm×160mm的长方体试模中部放置一薄铁片，将配制好的一种砂浆缓缓浇注到分割好试模的一边，相隔10-15分钟后，将配制好的另一种砂浆浇注到试模的另一半，并迅速将薄铁片取出，同时并按按规定尺寸预埋电极，如图3。试样脱模后，送入标准养护室中进行养护。28天时，取出试样进行测试，测试结果如图5。图3中，1为预埋在试块中电极，2为微细纤维水泥砂浆组成的基体材料，3为碳纤维水泥砂浆组成的基体材料。在图6中，a为升温曲线，b为降温曲线。从图中可见，体系的温差电动势与温度变化之间具有线形对应关系，其塞贝克系数达到70.0μv/℃。
权利要求
1.一种用于温度自测的机敏混凝土传感元件，其特征在于，由试块和在试块上设置的一对电极构成，试块材料由导电纤维和水泥砂浆基料组成，所述的导电纤维，为碳纤维或/和微细钢纤维，均匀分散于水泥砂浆基料中。
2.根据权利要求1所述的用于温度自测的机敏混凝土传感元件，其特征是，所述的电极有一对，电极预埋在试块中。
3.根据权利要求1所述的用于温度自测的机敏混凝土传感元件，其特征是，所述的试块材料为碳纤维水泥砂浆，即为碳纤维和水泥砂浆基料时，其组成质量比为水泥砂浆基料99-99.5％，碳纤维0.5-1％。
4.根据权利要求1所述的用于温度自测的机敏混凝土传感元件，其特征是，所述的试块材料为微细钢纤维砂浆，即为微细钢纤维和水泥砂浆基料时，其组成质量比为水泥砂浆基料97-99％，微细钢纤维1-3％。
5.根据权利要求1或者3或者4所述的用于温度自测的机敏混凝土传感元件，其特征是，所述的试块材料为所述的碳纤维水泥砂浆与微细钢纤维砂浆按体积比1∶1进行复合。
6.根据权利要求1所述的用于温度自测的机敏混凝土传感元件，其特征是，所述的碳纤维为短切碳纤维。
7.根据权利要求6所述的用于温度自测的机敏混凝土传感元件，其特征是，所述的短切碳纤维，其长度平均为5±2mm，直径为7±0.2μm，导电率为10-2-10-3Ω·cm。
8.根据权利要求1或者4所述的用于温度自测的机敏混凝土传感元件，其特征是，所述的微细钢纤维，其长度平均为5±2mm，直径为0.5±0.2mm，导电率为6×10-5Ω·cm。
全文摘要
本发明涉及一种检测技术领域的用于温度自测的机敏混凝土传感元件，它包括试块，在试块上设置有一对电极，试块材料由导电纤维和水泥砂浆基料组成，导电纤维为碳纤维或/和微细钢纤维，均匀分散于水泥砂浆基料中；所述的试块材料为碳纤维水泥砂浆，即为碳纤维和水泥砂浆基料时，其组成质量比为水泥砂浆基料99－99.5％，碳纤维0.5－1％；试块材料为微细钢纤维砂浆，即为微细钢纤维和水泥砂浆基料时，其组成质量比为水泥砂浆基料97－99％，微细钢纤维1－3％；所述的试块材料为以上所述的碳纤维水泥砂浆与微细钢纤维砂浆按体积比1∶1进行复合。本发明的产品具有很方便地埋入大体积混凝土中，造价低、安装工艺简单，与混凝土相容性好、耐久性良等多项优点。
文档编号G01N3/00GK1818577SQ200610024718
公开日2006年8月16日 申请日期2006年3月16日 优先权日2006年3月16日
发明者陈兵, 陈龙珠 申请人:上海交通大学