机敏水泥基材料压力传感器的制备方法及监测装置.pdf

本发明涉及一种机敏水泥基材料压力传感器的制备方法，包括如下步骤：步骤一、材料的准备：步骤二、将颗粒类碳质导电相材料分散到基材料中；步骤三、在模具中用浇捣或加压等方式成型，并在成型过程中埋入电极；步骤四、成型后用蒸汽或水浴等水泥基材料可用的养护方式对成形的传感器进行养护。一种机敏水泥基材料压力传感器的监测装置，由以下几部分组成：电源：电源选用直流或交流电源，通常小于36V；电压计：电压计选用数字式或指针式电压表、万用表；分压电阻：将分压电阻与待测的材料串联，在分压电阻两端连接电压计。

1、  一种机敏水泥基材料压力传感器的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤一、材料的准备：
A、碳质颗粒类导电相材料
碳质颗粒类导电相材料选用片状石墨、石墨粉、碳黑粉末中的一种，其所占质量不超过传感器总质量的5％；
B、基材料
基材料的配方分为三种：
(1)、水泥净浆基材料：所需原材料为水泥、水、添加剂；其中水灰比在0.25～0.6之间；
(2)、水泥砂浆基材料：所需原材料为水泥、砂、水、添加剂；其中砂与水泥的质量比在0～3之间；水灰比在0.4～0.6之间；
(3)、混凝土基材料：所需原材料为水泥、骨料、水、添加剂；各组份配比如下：最小水泥用量为总质量的25％；骨料质量占总质量的65％以下，其中砂与石子的质量比在0.25～0.45之间；水灰比在0.4～0.8之间；
C、电极；
步骤二、将颗粒类碳质导电相材料分散到基材料中；
步骤三、在模具中用浇捣或加压等方式成型，并在成型过程中埋入电极；
步骤四、成型后用蒸汽或水浴等水泥基材料可用的养护方式对成形的传感器进行养护。

2、  根据权利要1所述的机敏水泥基材料压力传感器的制备方法，其特征在于：所述水泥选用硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、水化物脱水相基胶凝材料、聚合物水泥。

3、  根据权利要1所述的机敏水泥基材料压力传感器的制备方法，其特征在于：所述的添加剂选用减水剂、分散剂、固化剂、膨胀剂。

4、  根据权利要1所述的机敏水泥基材料压力传感器的制备方法，其特征在于：所述的电极选用铜、铝、石墨电极、合金，形状为框状、网状或片状。

5、  根据权利要1所述的机敏水泥基材料压力传感器的制备方法，其特征在于：所述的步骤三中，若采用加压方式成型，则压力控制在20MPa以下。

6、  根据权利要1所述的机敏水泥基材料压力传感器的制备方法，其特征在于：所述的步骤四中，蒸汽养护湿度控制在70％以上，温度控制在10～30℃，养护龄期在7d～30d之间。

7、  根据权利要1所述的机敏水泥基材料压力传感器的制备方法，其特征在于：所述的步骤四中，水浴养护水温控制在10～30℃；养护龄期在7d～30d之间。

8、  一种机敏水泥基材料压力传感器的监测装置，其特征在于：所述的监测装置主要由以下几部分组成：
电源：电源选用直流或交流电源，通常小于36V；
电压计：电压计选用数字式或指针式电压表、万用表；
分压电阻：将分压电阻与待测的材料串联，在分压电阻两端连接电压计。

机敏水泥基材料压力传感器的制备方法及监测装置
技术领域
本发明涉及一种机敏水泥基材料压力传感器的制备方法及监测装置，属于土木工程新型试验技术领域。
背景技术
水泥基材料在制备过程中加入导电组份后，导电性能得到改善。目前已有研究表明，水泥基材料在掺入导电相材料后，其材料的电阻率变小，成型后试样的电阻抗降低。并且在导电组份处于特定掺量下材料的电阻率会随其应力应变的变化而变化，这种特性被称为压敏特性，具有压敏特性的水泥基材料称为机敏水泥基材料。因此可以通过测量材料的电阻率的方法来反测出材料所处的应力应变状态，从而制备出以水泥基材料为主体的应力(应变)传感器，对建筑工程结构的受力状态进行长期监测。这种传感器的优势在于其耐久性好，能在建筑工程恶劣的施工、维护、保养过程中保持长年使用，并且以水泥基材料为主体，可以预埋在建筑工程结构之中，与载体良好的结合，协同工作。这些优点都是目前传统的应力应变传感器(电阻应变片、压电陶瓷传感器)所希望改进的。
已有的关于水泥基材料压力传感器的研究主要有以下两个方面的内容有待改进：
一、材料的制备与传感器的制作。目前研究较多的机敏水泥基材料压力传感器是碳纤维混凝土压力传感器。碳纤维作为导电材料加入到混凝土材料中后，可以提高混凝土材料的抗压、抗拉强度，表现出压敏、温敏、力电、电力等机敏特性。但同时又具有一定的局限性。目前研究的碳纤维混凝土所用碳纤维掺量较大，而碳纤维的成本较高，导致了碳纤维混凝土压力传感器的成本高。并且碳纤维在混凝土材料中的分散工艺较为复杂，常需要进行如表面处理或在成型时加电磁场等方法。这些局限性大大提高了传感器的制作成本与工艺难度。
二、监测装置的设计。目前对于水泥基材料压力传感器的电阻抗测量方法有多种，主要可分为万用表直接测量法与伏安法两类。万用表法测量方法，但是由于万用表测电阻的基机所限，测量水泥基材料时候结果随时间变化，难以得到稳定的数据。伏安法测量时由于水泥基材料电阻率较大，因此在试验的外部测量电路中所测得的电流极小。即使将测量电压调节至220V，所得电流仍然很难被一般精度的电流表测得(毫安表无读数)，并且测量电压加大后会引起监测系统中的电流增大，试样的电阻抗会随着通电时间的增加而变化，很不稳定。同时，必须有两部仪表显示电流与电压读数才能完成测量工作，因此需要较高的成本购置高精度设备，并且两部仪表同时记录数据加大了测量的工作量。若测量中用较高电压，还可能会对测量的操作人员造成危害。
针对上述水泥基材料压力传感器的研究现状，本发明采用微量的颗粒类碳质导电相材料(质量分数小于水泥质量的1％)加入水泥基材料之中制成机敏水泥基材料，结合框状、网状或片状等电极形式将材料制成不同尺寸传感器，材料制备工艺简单。同时，设计了一种分压电路作为水泥基材料电阻率测量电路作为监测系统，监测系统测量得到的结果稳定，并且改进了伏安法的需要仪表数量多、精度高、操作不便等局限性。所制成的石墨水泥基材料压力监测装置易于在实际工程中进行应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机敏水泥基材料压力传感器的制备方法及监测装置，以克服现有技术中的不足。本发明所用碳质导电相材料掺量较低，在水泥基材料中分散简单，成本低。电极形式采用双电极，数量少，形状多样，因此传感器试件的形状与尺寸不受约束。
本发明一种机敏水泥基材料压力传感器的制备方法，具体的制备过程为以下几步：
步骤一、材料的准备。
压力传感器的制作所需原材料可分为以下几部分：
1、碳质颗粒类导电相材料
碳质颗粒类导电相材料可选用如片状石墨、石墨粉、碳黑粉末等。其所占质量不超过传感器总质量的5％。
2、基材料
基材料可选用不同的原材料制作，其配方可分为三种：
(1)、水泥净浆基材料：所需原材料为水泥、水、添加剂。其中水灰比在0.25～0.6之间；添加剂按照其相应的使用方法确定用量。
(2)、水泥砂浆基材料：所需原材料为水泥、砂、水、添加剂。其中砂与水泥的质量比在0～3之间；水灰比在0.4～0.6之间；添加剂按照其相应的使用方法确定用量。
(3)、混凝土基材料：所需原材料为水泥、骨料(包括砂与石子)、水、添加剂。各组份配比如下：最小水泥用量为总质量的25％；骨料质量占总质量的65％以下，其中砂与石子的质量比在0.25～0.45之间；水灰比在0.4～0.8之间；添加剂按照其相应的使用方法确定用量。
上述制作基材料所用的原材料中，水泥可选用硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、水化物脱水相基胶凝材料、聚合物水泥等水泥材料。砂、石子可根据实际操作的需要自行筛选确定粒径与级配。添加剂可选用减水剂、分散剂、固化剂、膨胀剂等。
3、电极
电极可选用铜、铝、石墨电极、合金等导电材料，制成框状、网状或片状等形状。电极形式举例与预埋后示意图如图1。
步骤二、将粒类碳质导电相材料分散到基材料中。用上述材料进行传感器的制备，在搅拌过程中将导电相颗粒在基材料中分散。
步骤三、在模具中用浇捣或加压等方式成型，并在成型过程中埋入电极。若用压力成型则压力控制在20MPa以下。模具可以结合具体的应用需求，选用长方体、正方体等不同的形状与尺寸。在向模具中填料时在试件两端预埋电极。
步骤四、成型后用蒸汽或水浴等水泥基材料可用的养护方式对成形的传感器进行养护。蒸汽养护湿度控制在70％以上，温度控制在10～30℃。水浴养护水温控制在10～30℃。养护龄期在7d～30d之间。
本发明一种机敏水泥基材料压力传感器的监测装置，
本发明所采用的外部分压电路如图2，主要由以下几部分组成。
1、电源：电源可以选用直流或交流电源，电源电压采用对人体安全无害的电压，通常小于36V。
2、电压计：电压计可以选用数字式或指针式电压表、万用表。
3、分压电阻：图中R_x为一分压电阻，其阻值可跟据测量对象的不同而选用不同值，也可直接选用变阻器来根据试验的具体要求随时调节分压电阻的大小。将R_x与待测的材料串联，在R_x两端连接电压计。
本发明所采用的外部分压电路是用依据串联电路分压原理设计。假设电源电压为U(直流电或交流电)，电压表读数为U_x，待测试样的电阻抗为Z，则根据串联电路分压公式，可以推导出：Z=(UUX-1)RX.]]>即通过对U_x的测量计算出待测试样的电阻大小。在同一次测量工作中，分压电路法可以通过调整分压电阻R_x的大小来调节测量读数U_x的值，以便适用于各种不同精度的电压计。
本发明所用的外部监测电路的优点在于：1)传感器用双电极，预埋工艺简单，材料成型时尺寸大小不受电极制约；2)只需要记录电压表的读数U_x就可以直接算出待测试样的电阻抗Z。将以前所用的两部仪表变为一部，减小了测量的工作量，并且测得的结果稳定；3)可以通过对电路中分压电阻的调节来调整测量结果的读数范围，以适用于各种精度的仪器。例如，当以石墨水泥基材料为待测试样，电源电压为交流15V，测量仪器为毫伏表时，可将分压电阻的阻值大小调节为50Ω。此时，测得的电压数量级约为100mV，利用毫伏表可完成测量工作。4)电源电压可以降低至36V以下，对人体无害，保证了测量操作人员的人身安全；5)试验表明本发明所用的外部监测方法测量结果稳定，试样的电阻率不会随着通电时间的增长而变化。
附图说明
图1是电极形式举例与预埋后效果示意图。
图2是本发明所采用的外部量测电路原理图。
图3是传统方法之一的万用表直接接在双电极上测量试样电阻抗的结果。
图4是用本发明的双电极分压电路法测量试样电阻抗的结果(直流电)。
图5是用本发明的双电极分压电路法测量试样电阻抗的结果(交流电)。
具体实施方式
1、用本发明设计的外部监测装置测量水泥基压力传感器的电阻抗。制作三种材料配比的石墨水泥基压力传感器。碳质导电相材料选取微观结构为磷片状的石墨，三种材料的碳质导电相材料掺量占水泥的质量分数为别为0、0.4％与0.8％。基材料选用水泥砂浆，其中，水泥选用复合硅酸盐水泥，砂选用水泥胶砂强度试验用标准砂，添加剂选用高效减水剂。水灰比为0.5，砂子与水泥的质量比为3，高效减水剂用量为碳质导电相材料质量的2％。用浇捣成形的方法在5×5×16.5cm³的模具中成型，并在试样两端预埋网状铜电极。成型后在湿度为90％、温度为25℃的蒸汽养护箱中用养护至28d龄期。制作完成后对这三种材料用前文所述的伏安法进行测量，对于仪器的数量、精度都有很高的要求，不易实现。用万用表直接接在双电极上测量结果见图3，可以看出其结果随通电时间的随加而增大。尤其是在通电开始的1分钟以内，结果变化剧烈，变化幅值可以达到测量结果的30％。采用本发明所用的监测方法测定其电阻抗，电源电压选用17V交流电，电压计选用六位半数字万用表，外部电路分压电阻阻值为50Ω，直流电与交流电的结果如图4与图5。可以看出在试验开始，测量电路接通的20分钟内，得到的测量结果稳定，没有随通电时间的增加而发生变化。
2、在试验室结构试验中应用本发明。碳质导电相材料选取石墨粉，掺量占水泥质量分数的1％。基材料选用水泥净浆，其中，水泥选用普通硅酸盐水泥，添加剂选用分散剂。水灰比为0.3，分散剂用量为碳质导电相材料质量的1％。用浇捣成形的方法在4×4×16cm³的模具中成型，并在试样两端预埋框状铝电极。成型后在湿度为95％、温度为20℃的蒸汽养护箱中用养护至28d龄期。外部监测电路电源电压选用15V直流电，分压电阻用变阻箱随时调节阻值大小，利用普通数字万用表可对分压电阻的电压进行测量，从而通过计算对传感器的电阻变化进行测量。
3、在试验室结构试验中应用本发明。碳质导电相材料选取微观结构为片状的石墨，掺量占水泥质量分数的2％。、基材料选用水泥砂浆。水泥选用高铝水泥。砂选用自配II区砂，其中粒径为1.25、0.63、0.315、0.16mm的各粒径砂分别占砂总质量的20％、30％、30％、20％。添加剂选用萘系减水剂。水灰比为0.4，砂与水泥的质量比为2.5，添加剂用量为碳质导电相材料质量的2％。用加压成形的方法在5×5×5cm³的模具中成型，压力大小为1MPa。向模具中填料的过程中在试样两端预埋框状镍钛合金电极。成型后在温度为25℃的水箱中水浴养护至21d龄期。外部监测电路电源电压选用15V交流电，电压计选用指针式毫伏表，分压电阻选用变阻箱，可随时调节分压电阻，将读数调节至测量仪表所需要的精度范围。利用电压表可对分压电阻的电压进行测量，从而通过计算对传感器的电阻变化进行测量。
4、在一般民用建筑中应用本发明。碳质导电相材料选取碳黑粉末，掺量占水泥质量分数的5％。基材料选用混凝土。其中，水泥选用铁铝酸盐水泥，砂选用标准砂，石子选用卵石，最大粒径20mm。水泥质量为总质量的30％，水灰比为0.4，砂子与石子的质量比为0.3，添加剂用量为碳质导电相材料质量的2％。用浇捣成形的方法在10×10×10cm³的模具中成型，在振捣成型过程中预埋网状铝电极。成型后在温度为20℃的水箱中水浴养护至30d龄期。在施工中将传感器预埋在建筑物的等测部位，将电极引线引至载体结构之外。外部监测电路电源电压选用36V交流电，电压计选用伏特表，分压电阻阻值为1000Ω，对其电压变化进行测量，而后通过计算得到压力传感器的电阻。
5、在特殊环境下的建筑或构筑物中应用本发明。例如在沿海地区、码头、港口的水下结构中进行使用，要求传感器材料、电极及其引线所用材料、形式，以及外部监测系统均要进行有针对性的设计。碳质导电相材料选取石墨粉，掺量占水泥质量分数的5％。基材料选用水泥净浆，其中，水泥选用硫铝酸盐水泥，添加剂选用分散剂。水灰比为0.35，分散剂用量为碳质导电相材料质量的1％。用浇捣成形的方法在5×5×5cm³的模具中成型，在试样两端预埋镍钛合金制成的网状电极。为防止导线在海水中暴露造成电极与导线的腐蚀以及在测量过程中海水与导线的导电连通造成无法测量，除电极本身以外，导线部分从载体结构内部开始均包裹保护层，直至引出海水表面。外部电路采用电源电压为20V交流电，分压电阻阻值为500Ω，在分压电阻两端接入毫伏表来对分压电阻的电压变化进行监测，从而反算出传感器的电阻。