一种可感知冲击载荷的碳纤维混凝土敏感元件制造技术

本发明专利技术提出了一种能感知冲击荷载的碳纤维混凝土敏感元件，包括试样，1对电极。试样的基本材料为砂浆，砂浆中水泥和砂子的配合比是1:1.5，短切PAN基碳纤维相对水泥和砂子总质量的百分比为0.2％。本发明专利技术具有和被监测混凝土结构兼容性好、价格低廉、操作简单等优点，能实现对冲击荷载的感知，适用于混凝土结构的动态测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于传感器
，具体涉及到一种可感知冲击荷载的碳纤维混凝土敏感元件，可用于混凝土建筑结构在冲击载荷作用下的动态响应的测量。
技术介绍
混凝土结构在社会上应用广泛，在其长期的使用过程中，会由于疲劳效应、材料老化等原因发生损伤累积，也有可能因为地震、军事打击等因素承受冲击荷载作用，最终导致结构的失效，从而危及到人员财产安全，所以需要对结构的状态进行及时监测。使用传统的机械式传感器内嵌于混凝土结构内部进行监测，具有“异物插入”的缺点，传统传感器的金属材质和被监测结构兼容性差，会对结构的状态变化产生额外的影响，并且价格昂贵，操作比较复杂，并不适用于混凝土结构的健康监测。碳纤维混凝土具有较好的压敏性，能制成碳纤维混凝土本征传感器，用于混凝土结构的准静态监测，但目前研究仅限于准静态加载，冲击载荷作用下碳纤维混凝土的压敏性研究及应用仍比较缺乏。
技术实现思路
本专利技术的目的，在于提供一种能感知冲击荷载的碳纤维混凝土敏感元件，这种元件能实现和被监测的混凝土结构良好的兼容，并且具有成本较低、操作简单等优点。为了实现以上目的，本专利技术提出如下的技术解决方案：直径为38mm、长度为60mm的圆柱形碳纤维混凝土试样，其基料为砂浆，添加增强导电性的短切PAN基的碳纤维，其他外加剂包括增强碳纤维在混凝土中分散性的甲基纤维素和硅灰，以及减水剂和消泡剂。碳纤维掺量为水泥和砂子总质量的0.2％，砂浆中水泥、砂子、水的配合比为1:1.5:0.6，硅灰、甲基纤维素、减水剂、消泡剂等外加剂相对于水泥和砂子的总质量百分比为6％、0.2％、0.4％、0.052％。1对电极，采用铜丝制成，位于试块侧面，通过铜粉导电胶进行粘贴，如图1所示，其中(1)为试块，(2)为电极。该技术解决方案相比以往的混凝土压敏元件，同样具有成本较低、操作简单等混凝土结构本身兼有的优点，也能很好的和被监测混凝土结构实现兼容。与以往技术方案不同的地方在于，本专利技术能感知冲击荷载的变化，可以应用于混凝土结构的动态响应测量。如附图所示，图3是使用气炮加载实现的类似半正弦冲击脉冲加载响应波形，图4是冲击加载过程中试样两极间电阻变化的响应信号。对比图3、图4的变化，随着图3中冲击荷载的增大，图4中的电阻出现小幅度的减小、再快速增大的过程，最后稳定在最大值。试样电阻减小对应混凝土的弹性阶段，这是刚开始阶段冲击荷载较小，混凝土被压密实使得电阻减小，发生负压力电阻效应。电阻迅速增大对应混凝土的塑性变形和破坏阶段，此时冲击荷载很大，直接造成了混凝土试样的破坏，说明塑性破坏阶段冲击荷载和电阻有着正压力电阻效应。冲击荷载上升过程中有回落，对应到图4的电阻剧增阶段的变化，当冲击荷载回落时，电阻也有减小，荷载继续增大，电阻也增大，也验证了塑性破坏阶段的正压力电阻效应。图3、图4的对应关系，说明了试样的电阻变化反映了冲击荷载的变化，即试样能感知冲击荷载的变化。本专利技术的有益效果体现在以下几个方面：(1)结构简单，便于安装。该敏感元件体积较小，使用时仅需考虑电极线在混凝土结构内部的绝缘问题；(2)成本较低。试样的原材料同于普通混凝土，相比压电、压变等的机械式传感器，制作成本低廉；(3)兼容性好。敏感元件本身即是混凝土，能很好的实现与被监测混凝土结构的兼容，不改变结构原始状态；(4)能感知混凝土结构所受冲击载荷，在测量时间内可保证传感器的正常输出，获取的测量曲线正常。附图说明图1是本专利技术示意图；图2是本专利技术实施例的测试系统；图3是本专利技术实施例中试样承受的冲击荷载响应曲线；图4是本专利技术实施例中试样在图3所示的冲击作用下的电阻变化的响应曲线；具体实施方案实施例1本专利技术提供一种圆柱形碳纤维混凝土敏感元件，由砂浆、碳纤维等组成，砂浆中水泥和砂子配合比是1:1.5，试块中添加的其他成分相对于水泥和砂子总质量的百分比为：碳纤维0.2％，硅灰6％，分散剂0.2％，减水剂0.4％，消泡剂0.052％。圆柱形试样的尺寸为：直径38mm、长度60mm。1对电极，采用铜丝制成，位于试块侧面，通过铜粉导电胶进行粘贴。上述碳纤维为短切PAN基碳纤维，长度为6mm，直径为7μm，拉伸模量为228GPa，抗拉强度为3500MPa，碳含量为95％。分散剂为甲基纤维素，减水剂为聚羧酸减水剂。铜粉导电胶为市售DB2011-双组份铜粉导电胶。上述试样采用湿拌法制作。按照配比，先将碳纤维和甲基纤维素等溶解在水中，配成分散剂溶液，放置一段时间，待碳纤维和甲基纤维素溶解充分后，再将水泥、砂子、硅灰和分散剂溶液充分搅拌，浇注到模具中成型并进行脱模、养护，制得试样。实施例中，使用气炮加载装置，通过压缩气体推动弹丸撞击安装在固定底座上的试样，在试样端面粘贴一片压电薄膜以测量冲击荷载，通过试样两电极将试样连入动态应变仪，测量试样两极间电阻变化的响应信号。试验中压缩气体压力为0.11MPa，弹丸撞击速度为26m/s，撞击冲量为13.47kg·m/s。试验使用的数据采集仪为美国HBM公司的GENSIS，应变仪为日本DC-97A超动态应变仪，测试系统如图2。实施例采集到的压电薄膜和混凝土电阻变化的响应信号如图3、图4。对比图3、图4可知，随着压力的增加，混凝土电阻先出现电阻减小的负压力电阻效应，然后开始增大，即正压力电阻效应，最后维持在一最大值不变，表示试块已经发生破坏，分别对应了混凝土结构的弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。图3、图4曲线的对应关系说明了实施例中的试块能感知冲击荷载的变化。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可感知冲击载荷的碳纤维混凝土敏感元件，其特征在于，包括试块，1对电极；试块为圆柱形，尺寸为直径38mm、长度60mm，所述的1对电极为铜丝制作，位于试块侧面，通过铜粉导电胶粘贴；试块的基本材料为砂浆，砂浆中水泥和砂子配合比是1:1.5，试块中添加的其他成分相对于水泥和砂子总质量的百分比为：碳纤维0.2％，硅灰6％，分散剂0.2％，减水剂0.4％，消泡剂0.052％；所述的碳纤维采用短切PAN基碳纤维，分散剂采用甲基纤维素，减水剂采用聚羧酸减水剂，消泡剂采用磷酸三丁酯。

【技术特征摘要】
1.一种可感知冲击载荷的碳纤维混凝土敏感元件，其特征在于，
包括试块，1对电极；试块为圆柱形，尺寸为直径38mm、长度60mm，所述
的1对电极为铜丝制作，位于试块侧面，通过铜粉导电胶粘贴；
试块的基本材料为砂浆，砂浆中水泥和砂子配合比是1:1.5，试块...

【专利技术属性】
技术研发人员：李尚青，苏健军，孔霖，姬建荣，何性顺，张俊峰，陈君，潘文，闫晓敏，李小虎，
申请(专利权)人：西安近代化学研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61