一種可感知沖擊載荷的碳纖維混凝土敏感元件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種可感知沖擊荷載的碳纖維混凝土敏感元件，可用于混凝土建筑結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0002]混凝土結(jié)構(gòu)在社會(huì)上應(yīng)用廣泛，在其長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，會(huì)由于疲勞效應(yīng)、材料老化等原因發(fā)生損傷累積，也有可能因?yàn)榈卣?、軍事打擊等因素承受沖擊荷載作用，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失效，從而危及到人員財(cái)產(chǎn)安全，所以需要對(duì)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)。使用傳統(tǒng)的機(jī)械式傳感器內(nèi)嵌于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具有“異物插入”的缺點(diǎn)，傳統(tǒng)傳感器的金屬材質(zhì)和被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)兼容性差，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)變化產(chǎn)生額外的影響，并且價(jià)格昂貴，操作比較復(fù)雜，并不適用于混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)。碳纖維混凝土具有較好的壓敏性，能制成碳纖維混凝土本征傳感器，用于混凝土結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)監(jiān)測(cè)，但目前研宄僅限于準(zhǔn)靜態(tài)加載，沖擊載荷作用下碳纖維混凝土的壓敏性研宄及應(yīng)用仍比較缺乏。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的，在于提供一種能感知沖擊荷載的碳纖維混凝土敏感元件，這種元件能實(shí)現(xiàn)和被監(jiān)測(cè)的混凝土結(jié)構(gòu)良好的兼容，并且具有成本較低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提出如下的技術(shù)解決方案:
[0005]直徑為38mm、長(zhǎng)度為60mm的圓柱形碳纖維混凝土試樣，其基料為砂楽，添加增強(qiáng)導(dǎo)電性的短切PAN基的碳纖維，其他外加劑包括增強(qiáng)碳纖維在混凝土中分散性的甲基纖維素和硅灰，以及減水劑和消泡劑。碳纖維摻量為水泥和砂子總質(zhì)量的0.2%，砂漿中水泥、砂子、水的配合比為1: 1.5:0.6，硅灰、甲基纖維素、減水劑、消泡劑等外加劑相對(duì)于水泥和砂子的總質(zhì)量百分比為6%、0.2%、0.4%、0.052%。I對(duì)電極，采用銅絲制成，位于試塊側(cè)面，通過(guò)銅粉導(dǎo)電膠進(jìn)行粘貼，如圖1所示，其中(I)為試塊，(2)為電極。
[0006]該技術(shù)解決方案相比以往的混凝土壓敏元件，同樣具有成本較低、操作簡(jiǎn)單等混凝土結(jié)構(gòu)本身兼有的優(yōu)點(diǎn)，也能很好的和被監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兼容。與以往技術(shù)方案不同的地方在于，本發(fā)明能感知沖擊荷載的變化，可以應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)量。如附圖所示，圖3是使用氣炮加載實(shí)現(xiàn)的類似半正弦沖擊脈沖加載響應(yīng)波形，圖4是沖擊加載過(guò)程中試樣兩極間電阻變化的響應(yīng)信號(hào)。對(duì)比圖3、圖4的變化，隨著圖3中沖擊荷載的增大，圖4中的電阻出現(xiàn)小幅度的減小、再快速增大的過(guò)程，最后穩(wěn)定在最大值。試樣電阻減小對(duì)應(yīng)混凝土的彈性階段，這是剛開始階段沖擊荷載較小，混凝土被壓密實(shí)使得電阻減小，發(fā)生負(fù)壓力電阻效應(yīng)。電阻迅速增大對(duì)應(yīng)混凝土的塑性變形和破壞階段，此時(shí)沖擊荷載很大，直接造成了混凝土試樣的破壞，說(shuō)明塑性破壞階段沖擊荷載和電阻有著正壓力電阻效應(yīng)。沖擊荷載上升過(guò)程中有回落，對(duì)應(yīng)到圖4的電阻劇增階段的變化，當(dāng)沖擊荷載回落時(shí)，電阻也有減小，荷載繼續(xù)增大，電阻也增大，也驗(yàn)證了塑性破壞階段的正壓力電阻效應(yīng)。圖3、圖4的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說(shuō)明了試樣的電阻變化反映了沖擊荷載的變化，即試樣能感知沖擊荷載的變化。
[0007]本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
[0008](I)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝。該敏感元件體積較小，使用時(shí)僅需考慮電極線在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的絕緣問(wèn)題；
[0009](2)成本較低。試樣的原材料同于普通混凝土，相比壓電、壓變等的機(jī)械式傳感器，制作成本低廉；
[0010](3)兼容性好。敏感元件本身即是混凝土，能很好的實(shí)現(xiàn)與被監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的兼容，不改變結(jié)構(gòu)原始狀態(tài)；
[0011](4)能感知混凝土結(jié)構(gòu)所受沖擊載荷，在測(cè)量時(shí)間內(nèi)可保證傳感器的正常輸出，獲取的測(cè)量曲線正常。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是本發(fā)明示意圖；
[0013]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的測(cè)試系統(tǒng)；
[0014]圖3是本發(fā)明實(shí)施例中試樣承受的沖擊荷載響應(yīng)曲線；
[0015]圖4是本發(fā)明實(shí)施例中試樣在圖3所示的沖擊作用下的電阻變化的響應(yīng)曲線；
具體實(shí)施方案
[0016]實(shí)施例1
[0017]本發(fā)明提供一種圓柱形碳纖維混凝土敏感元件，由砂漿、碳纖維等組成，砂漿中水泥和砂子配合比是1:1.5，試塊中添加的其他成分相對(duì)于水泥和砂子總質(zhì)量的百分比為:碳纖維0.2%，硅灰6%，分散劑0.2%，減水劑0.4%，消泡劑0.052%。圓柱形試樣的尺寸為:直徑38mm、長(zhǎng)度60mm。I對(duì)電極，采用銅絲制成，位于試塊側(cè)面，通過(guò)銅粉導(dǎo)電膠進(jìn)行粘貼。
[0018]上述碳纖維為短切PAN基碳纖維，長(zhǎng)度為6mm，直徑為7 μ m，拉伸模量為228GPa，抗拉強(qiáng)度為350010^，碳含量為95%。分散劑為甲基纖維素，減水劑為聚羧酸減水劑。銅粉導(dǎo)電膠為市售DB2011-雙組份銅粉導(dǎo)電膠。
[0019]上述試樣采用濕拌法制作。按照配比，先將碳纖維和甲基纖維素等溶解在水中，配成分散劑溶液，放置一段時(shí)間，待碳纖維和甲基纖維素溶解充分后，再將水泥、砂子、硅灰和分散劑溶液充分?jǐn)嚢瑁瑵沧⒌侥＞咧谐尚筒⑦M(jìn)行脫模、養(yǎng)護(hù)，制得試樣。
[0020]實(shí)施例中，使用氣炮加載裝置，通過(guò)壓縮氣體推動(dòng)彈丸撞擊安裝在固定底座上的試樣，在試樣端面粘貼一片壓電薄膜以測(cè)量沖擊荷載，通過(guò)試樣兩電極將試樣連入動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，測(cè)量試樣兩極間電阻變化的響應(yīng)信號(hào)。試驗(yàn)中壓縮氣體壓力為0.llMPa，彈丸撞擊速度為26m/s，撞擊沖量為13.47kg -m/so試驗(yàn)使用的數(shù)據(jù)采集儀為美國(guó)HBM公司的GENSIS，應(yīng)變儀為日本DC-97A超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，測(cè)試系統(tǒng)如圖2。
[0021]實(shí)施例采集到的壓電薄膜和混凝土電阻變化的響應(yīng)信號(hào)如圖3、圖4。對(duì)比圖3、圖4可知，隨著壓力的增加，混凝土電阻先出現(xiàn)電阻減小的負(fù)壓力電阻效應(yīng)，然后開始增大，即正壓力電阻效應(yīng)，最后維持在一最大值不變，表示試塊已經(jīng)發(fā)生破壞，分別對(duì)應(yīng)了混凝土結(jié)構(gòu)的彈性階段、塑性階段和破壞階段。圖3、圖4曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系說(shuō)明了實(shí)施例中的試塊能感知沖擊荷載的變化。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種可感知沖擊載荷的碳纖維混凝土敏感元件，其特征在于， 包括試塊，I對(duì)電極；試塊為圓柱形，尺寸為直徑38mm、長(zhǎng)度60mm，所述的I對(duì)電極為銅絲制作，位于試塊側(cè)面，通過(guò)銅粉導(dǎo)電膠粘貼； 試塊的基本材料為砂漿，砂漿中水泥和砂子配合比是1:1.5，試塊中添加的其他成分相對(duì)于水泥和砂子總質(zhì)量的百分比為:碳纖維0.2%，娃灰6%，分散劑0.2%，減水劑0.4%,消泡劑0.052% ;所述的碳纖維采用短切PAN基碳纖維，分散劑采用甲基纖維素，減水劑采用聚羧酸減水劑，消泡劑采用磷酸三丁酯。
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種能感知沖擊荷載的碳纖維混凝土敏感元件，包括試樣，1對(duì)電極。試樣的基本材料為砂漿，砂漿中水泥和砂子的配合比是1:1.5，短切PAN基碳纖維相對(duì)水泥和砂子總質(zhì)量的百分比為0.2％。本發(fā)明具有和被監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)兼容性好、價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊荷載的感知，適用于混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)測(cè)量。
【IPC分類】G01L5-00
【公開號(hào)】CN104864995
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510266471
【發(fā)明人】李尚青, 蘇健軍, 孔霖, 姬建榮, 何性順, 張俊峰, 陳君, 潘文, 閆曉敏, 李小虎
【申請(qǐng)人】西安近代化學(xué)研究所
【公開日】2015年8月26日
【申請(qǐng)日】2015年5月22日