用於溫度自測的機敏混凝土傳感元件的製作方法
2023-07-20 21:51:01
專利名稱：用於溫度自測的機敏混凝土傳感元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種檢測技術領域的傳感元件，具體地講，涉及一種用於監測大體積混凝土內部溫度變化並能與大體積混凝土融為一體的溫度自測機敏混凝土傳感元件。
背景技術：
混凝土是土木工程中應用最廣泛的結構材料，特別是在那些大型的結構中應用更為廣泛，如大壩、高層建築的地基基礎以及某些特殊的結構。通常，混凝土在水化硬化過程中，由於水化反應會放出一定的熱量，特別是那些大體積混凝土，其放熱量是非常可觀的，這將會引起大體積混凝土內外產生較大的溫差，易產生溫度裂縫，引起結構的不安全。為了控制溫差，常常需要預埋熱電偶或溫度傳感器進行溫度監測，這樣一方面提高了工程造價，更重要的是引起了結構的局部應力集中而降低了結構的耐久性。因此，能夠開發出一種能與大體積混凝土相容且能實現溫度自測的水泥基傳感元件顯得十分必要和迫切。近些年來，國內外學者經研究發現，將短切碳纖維摻入到水泥混凝土中，當碳纖維摻量達到一定水平後形成導電通路，並利用此特性，研究開發出實現損傷自診斷的機敏水泥基複合材料。
經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利公開號CN1484027A，專利名稱機敏混凝土傳感元件，該專利提到採用短切碳纖維製備一種用於監測土木結構的混凝土傳感器。因此，將短切碳纖維引入水泥混凝土，將賦予其一些特殊的性能，如導電性、損傷自診斷等特性，同時，導電纖維的摻入使得水泥混凝土成為一種半導體材料，具有塞貝克效應，可以感知溫度變化，作為一種溫度傳感器。
發明內容
本發明的目的在於針對導電纖維水泥混凝土具有的以上特性，提供一種用於溫度自測的機敏混凝土傳感元件，以實現大體積混凝土內部溫度自監控。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明由試塊和在試塊上設置的一對電極構成，試塊材料為導電纖維和水泥砂漿基料，導電纖維均勻分散於水泥砂漿基料中。
所述的電極有一對，電極預埋在試塊中。
所述的導電纖維，為碳纖維或/和微細鋼纖維。
所述的試塊材料為碳纖維水泥砂漿，即為碳纖維和水泥砂漿基料時，其組成(質量比)為水泥砂漿基料99-99.5％，碳纖維0.5-1％。
所述的試塊材料為微細鋼纖維砂漿，即為微細鋼纖維和水泥砂漿基料時，其組成(質量比)為水泥砂漿基料97-99％，微細鋼纖維1-3％。
所述的試塊材料為以上所述的碳纖維水泥砂漿與微細鋼纖維砂漿按體積比1∶1進行複合。
所述的碳纖維是短切碳纖維，其長度平均為5±2mm，直徑為7±0.2μm，導電率為10-2-10-3Ω·cm。
所述的微細鋼纖維，其長度平均為5±2mm，直徑為0.5±0.2mm，導電率為6×10-5Ω·cm。
將水泥砂漿基料按比例配好後，將導電纖維均勻地摻合到基料中，而後澆注成40mm×40mm×160mm長方體試模中，同時將電極安置在試塊中再固化成傳感器。
本發明是利用具有導電功能的導電纖維在水泥砂漿中均勻分布，形成導電網絡，構成半導體。當混凝土內外由於溫差作用，形成一個溫度梯度，而導電纖維水泥砂漿由於塞貝克效應形成溫差電動勢，通過測試電動勢而比較方便地監測到混凝土內部溫度的變化。由於本發明裝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，而且與水泥混凝土有比較好的相容性。使用時可以直接將本發明的裝置安置在大體積混凝土中，安裝工藝簡單。與現在常用的熱電偶相比其製造成本較低，且實現了水泥混凝土材料溫度自監測。
圖1是本發明的實施例1的結構示意圖；圖2是本發明的實施例1的結構示意圖；圖3是本發明的實施例3的結構示意圖；
圖4是實施例1中所測試的碳纖維水泥砂漿傳感元件的溫度變化與電動勢對應關係示意圖；圖5是實施例2中所測試的微細鋼纖維水泥砂漿傳感元件的溫度變化與電動勢對應關係示意圖；圖6是實施例3中所測試的碳纖維水泥砂漿-微細鋼纖維水泥砂漿傳感元件的溫度變化與電動勢對應關係示意圖。
具體實施例方式
下面通過實施例並結合附圖進一步描述本發明表1是本發明實施例採用的碳纖維的理化性能參數；表2是本發明實施例採用的微細鋼纖維的理化性能參數；
表1
表2實施例1結合表1和圖1，將碳纖維0.5-1％，水泥砂漿基料99-99.5％的比例製備好原料。水泥砂漿基料，其組成(質量)為矽酸鹽水泥33％，矽粉5％，標準砂38％，水23％，甲基纖維素1.0％。其中碳纖維為短切碳纖維，長度平均為為5±2mm，直徑為7±0.2μm，導電率為10-2-10-3Ω·cm。將配製好的原材料按以下工藝進行製作首先稱取30％的水，將甲基纖維素分散於其中，同時用玻璃棒攪拌，靜置20分鐘左右確保甲基纖維素完全溶解，隨後將碳纖維加入溶液中，並不斷攪拌。將剩下的70％的水加入攪拌鍋中，分次加入矽灰、水泥和標準砂，最後將分散有碳纖維的溶液加入攪拌，一共需攪拌3分鐘左右。攪拌完畢，將拌和料裝入試模中，進行高頻振動成型，並按規定尺寸預埋電極，如圖1。試樣脫模後，送入標準養護室中進行養護。28天時，取出試樣進行測試，測試結果如圖4。圖1中，1為預埋在試塊中電極，2為碳纖維水泥砂漿組成的試塊。在圖4中，a為升溫曲線，b為降溫曲線。從圖中可見，體系的溫差電動勢與溫度變化之間具有線形對應關係，其塞貝克係數達到25.0μv/℃。
實施例2結合表2和圖2，將微細鋼纖維1-3％，水泥砂漿基料97-99％的比例製備好原料。水泥砂漿基料，其組成(質量)為矽酸鹽水泥38％，標準砂38％，水24％。其中微細鋼纖維，長度平均為5±2mm，直徑為0.5±0.2mm，導電率為6×10-5Ω·cm。將配製好的原材料按常規的試樣製作方法攪拌、成型並按按規定尺寸預埋電極，如圖2。試樣脫模後，送入標準養護室中進行養護。28天時，取出試樣進行測試，測試結果如圖5。圖1中，1為預埋在試塊中電極，2為微細纖維水泥砂漿組成的試塊。在圖5中，a為升溫曲線，b為降溫曲線。從圖中可見，體系的溫差電動勢與溫度變化之間具有線形對應關係，其塞貝克係數達到56.8μv/℃。
實施例3結合表1、2和圖3，按實施例1和2分別配製好碳纖維水泥砂漿和微細鋼纖維水泥砂漿，在40mm×40mm×160mm的長方體試模中部放置一薄鐵片，將配製好的一種砂漿緩緩澆注到分割好試模的一邊，相隔10-15分鐘後，將配製好的另一種砂漿澆注到試模的另一半，並迅速將薄鐵片取出，同時並按按規定尺寸預埋電極，如圖3。試樣脫模後，送入標準養護室中進行養護。28天時，取出試樣進行測試，測試結果如圖5。圖3中，1為預埋在試塊中電極，2為微細纖維水泥砂漿組成的基體材料，3為碳纖維水泥砂漿組成的基體材料。在圖6中，a為升溫曲線，b為降溫曲線。從圖中可見，體系的溫差電動勢與溫度變化之間具有線形對應關係，其塞貝克係數達到70.0μv/℃。
權利要求
1.一種用於溫度自測的機敏混凝土傳感元件，其特徵在於，由試塊和在試塊上設置的一對電極構成，試塊材料由導電纖維和水泥砂漿基料組成，所述的導電纖維，為碳纖維或/和微細鋼纖維，均勻分散於水泥砂漿基料中。
2.根據權利要求1所述的用於溫度自測的機敏混凝土傳感元件，其特徵是，所述的電極有一對，電極預埋在試塊中。
3.根據權利要求1所述的用於溫度自測的機敏混凝土傳感元件，其特徵是，所述的試塊材料為碳纖維水泥砂漿，即為碳纖維和水泥砂漿基料時，其組成質量比為水泥砂漿基料99-99.5％，碳纖維0.5-1％。
4.根據權利要求1所述的用於溫度自測的機敏混凝土傳感元件，其特徵是，所述的試塊材料為微細鋼纖維砂漿，即為微細鋼纖維和水泥砂漿基料時，其組成質量比為水泥砂漿基料97-99％，微細鋼纖維1-3％。
5.根據權利要求1或者3或者4所述的用於溫度自測的機敏混凝土傳感元件，其特徵是，所述的試塊材料為所述的碳纖維水泥砂漿與微細鋼纖維砂漿按體積比1∶1進行複合。
6.根據權利要求1所述的用於溫度自測的機敏混凝土傳感元件，其特徵是，所述的碳纖維為短切碳纖維。
7.根據權利要求6所述的用於溫度自測的機敏混凝土傳感元件，其特徵是，所述的短切碳纖維，其長度平均為5±2mm，直徑為7±0.2μm，導電率為10-2-10-3Ω·cm。
8.根據權利要求1或者4所述的用於溫度自測的機敏混凝土傳感元件，其特徵是，所述的微細鋼纖維，其長度平均為5±2mm，直徑為0.5±0.2mm，導電率為6×10-5Ω·cm。
全文摘要
本發明涉及一種檢測技術領域的用於溫度自測的機敏混凝土傳感元件，它包括試塊，在試塊上設置有一對電極，試塊材料由導電纖維和水泥砂漿基料組成，導電纖維為碳纖維或/和微細鋼纖維，均勻分散於水泥砂漿基料中；所述的試塊材料為碳纖維水泥砂漿，即為碳纖維和水泥砂漿基料時，其組成質量比為水泥砂漿基料99－99.5％，碳纖維0.5－1％；試塊材料為微細鋼纖維砂漿，即為微細鋼纖維和水泥砂漿基料時，其組成質量比為水泥砂漿基料97－99％，微細鋼纖維1－3％；所述的試塊材料為以上所述的碳纖維水泥砂漿與微細鋼纖維砂漿按體積比1∶1進行複合。本發明的產品具有很方便地埋入大體積混凝土中，造價低、安裝工藝簡單，與混凝土相容性好、耐久性良等多項優點。
文檔編號G01N3/00GK1818577SQ200610024718
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月16日 優先權日2006年3月16日
發明者陳兵, 陳龍珠 申請人:上海交通大學