[發明專利]抗凍型水泥基應力傳感器元件

無效

• 申請號: 201010222206.0
• 申請日: 2010-07-09
• 公開（公告）號: CN101915629A
• 公開（公告）日: 2010-12-15
• 發明（設計）人: 王守德;蘆令超;黃世峰;常鈞;葉正茂;周宗輝;程新
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: G01L1/14
• 分類號: G01L1/14;C04B28/36
• 代理公司: 濟南泉城專利商標事務所 37218
• 代理人: 李桂存

技術領域

本發明涉及一種檢測技術領域的傳感器元件，特別涉及一種用于監測混凝土結構壓應力變化并能與大體積混凝土融為一體，同時抗凍性良好的抗凍型水泥基應力傳感器元件。

背景技術

土木工程領域中的眾多大型建筑結構，規模龐大、結構復雜，其使用期都長達幾十年、甚至上百年。在其服役過程中，由于環境載荷作用、疲勞效應、腐蝕效應和材料老化等不利因素的影響；同時環境溫度的反復變化，例如結冰和解凍、潮濕和干燥或者加熱和冷卻等，會引起溫度梯度，對建筑結構產生破壞，結構將不可避免地產生損傷積累、抗力衰減，甚至導致突發事故，建筑結構一旦失效，后果將是災難性的。因此，加強大型土木工程結構的健康檢測已經成為土木結構的一個熱點。土木結構健康監測的一個重要途徑是在結構關鍵部位埋設應力傳感器，在線監測結構的受力情況來推測結構的健康狀況。常用的傳感器有電阻應變片、壓電陶瓷和光導纖維等。這些傳感器的埋設，會不可避免地損壞建筑物的結構；傳統傳感器的價格高，且使用期限僅為幾年到十幾年，需要不斷更換，大大增加了建筑物建設和維護成本；傳統傳感器僅能測試特定地方的受力狀況，對于大面積的應力測量無能為力；傳統傳感器在變形特性等方面與混凝土有本質差別，存在明顯地相容性問題。

近年來基于碳纖維水泥復合材料的機敏效應而制作的水泥基傳感器為解決傳統傳感器所存在的問題帶來了希望。由于其主要原材料為水泥和少量碳纖維，碳纖維水泥傳感器與混凝土的相容性非常好、造價低，耐久性也與混凝土相當。目前人們已經發明出檢測應力狀況的水泥基傳感器。例如，專利02132967.2“機敏混凝土傳感元件”提到了一種碳纖維混凝土應力傳感器，專利200610009828.9提到了適合壓敏性能測量的電極材料的選擇，安裝方式和測量方法。但以上研究并沒有提及適用于正負溫反復作用環境工作的水泥基應力傳感器。實際許多混凝土結構的周圍環境溫度可在正負溫度范圍內變化，尤其是最低溫度，在寒冷的冬季或高原地區，環境的最低溫度可達-15℃～-20℃之間。青藏高原年正負變溫的天數高達180d，日溫差可達30℃，在此服役的需要健康檢測的混凝土建筑結構就需要考慮到應力傳感器的使用環境。以往的碳纖維水泥基機敏傳感器材料均采用普通硅酸鹽水泥作為水泥基體，但普通硅酸鹽水泥存在抗凍性差的缺點，在正負反復作用下容易遭到破壞，影響水泥基應力傳感器的使用壽命和測量準確性。

發明內容

為了解決水泥基應力傳感器存在抗凍性差，溫度正負反復作用下容易遭到破壞，影響水泥基應力傳感器的使用壽命和測量準確性，本發明提供了一種抗凍型水泥基應力傳感器元件。

本發明通過以下措施實現：

本發明的抗凍型水泥基應力傳感器元件，包括試塊和一對電極，所述電極分別位于試塊的上表面和下表面，其特別之處在于：所述的試塊包括水泥基體和均勻地分布在水泥基體中的導電纖維；所述的水泥基體為硫鋁酸鈣水泥砂漿，所述導電纖維由短切聚丙烯烴碳纖維和碳納米管組成。

上述的抗凍型水泥基應力傳感器元件，所述的硫鋁酸鈣水泥熟料中各礦相體系的重量百分比為：

硫鋁酸鈣????????55～75％

硅酸二鈣????????15～35％

鐵鋁酸四鈣??????3～10％。

上述的抗凍型水泥基應力傳感器元件，所述試塊的重量組成為：

水泥基體：98.5-99.5％

短切聚丙烯烴碳纖維：0.4％-1％

碳納米管：0.1％-0.8％。

上述的抗凍型水泥基應力傳感器元件，所述短切聚丙烯烴碳纖維為：長度10-15mm、直徑7±0.2μm、線電阻85Ω/m、拉伸模量175-215/Gpa。

上述的抗凍型水泥基應力傳感器元件，所述的碳納米管為：外直徑20-40nm、內徑5-10nm、長度50μm、比表面積110m²/g、密度2.1g/cm³。

本發明采用硫鋁酸鈣水泥作為水泥基體，主要基于以下原因，與硅酸鹽水泥相比較，硫鋁酸鈣水泥硬化漿體的孔隙率小，結構致密，孔直徑小，該特性保證了應力傳感器元件具有良好的抗凍性；同時硫鋁酸鈣水泥具有微膨脹特性，可以補償應力傳感器元件的體積干縮，減少收縮裂紋，提高傳感器元件的耐久性。