一种高延性水泥基应变传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及智能混凝土领域，尤其涉及一种含纳米石墨稀片（GnPs)与聚乙稀醇 (PVA)纤维混掺增强的高延性水泥基应变传感器。
【背景技术】
[0002] 混凝土原材料来源丰富，造价低廉，施工方便，强度和耐久性优异，在建筑工程中 得到了广泛应用。随着当今混凝土结构向大型化、智能化发展，水泥混凝土材料本身有向结 构与智能一体化方向发展的趋势。水泥基智能复合材料是实现土木工程结构智能化的关键 支撑材料。水泥基智能复合材料不仅在使用性能上不低于普通混凝土，而且具备对应变的 自感知能力。水泥混凝土本身导电性较差，通过掺入导电材料可提高其导电性。在此基础 上，水泥基智能复合材料对应变的自感知能力通过材料本身的电阻率随应变而有规律变化 来体现。与光纤传感器、压电陶瓷传感器等相比，水泥基应变传感器自身是结构材料，埋入 混凝土中时不会削弱混凝土结构的力学性能，而且具有造价低、耐久性好、与混凝土结构协 同工作性好等优点。
[0003] 各种碳材料和钢纤维是制造水泥基应变传感器的主要导电掺合料，碳纤维、石墨 粉和导电炭黑等在导电混凝土和水泥基应变传感器中的应用方面的专利比较多，但掺石墨 烯的水泥基复合材料方面的专利相对较少。石墨烯是Sp2杂化的碳原子紧密堆积成的单层 二维蜂窝状晶格结构，是目前世界上最薄的单原子厚度的材料（厚度仅有〇. 335nm)，是构 成石墨（3维）、碳纳米管（1维）和富勒稀（0维）等材料的基本单元。2004年英国曼彻斯 特大学的Geim和Novoselov用机械剥离法从石墨中得到的仅由单层碳原子构成的石墨稀， 两人在2010年因该成果获得诺贝尔物理学奖。单层石墨烯（仅含单层碳原子）价格昂贵， 将单层石墨烯用于量大面广的水泥混凝土中显然不现实。中国专利文献201310233476. 5 公开了一种氧化石墨烯（G0)水泥基复合材料应力传感器，传感材料为G0改性水泥，G0占 水泥和G0总质量的0· 02%。G0粒径为1~5μm，厚度为0· 8~1. 2nm;从其厚度来看，该 专利提到的G0属含多个碳原子层的多层石墨烯。G0 -般采用Hummers方法制得：采用浓 硫酸、高锰酸钾、双氧水等强氧化剂渗透进石墨层间，使之发生氧化作用形成含氧基团，减 弱层间的相互作用，增加石墨层间距离，部分层间分离形成G0。由于G0中存在大量含氧基 团且层间距离增大，故其导电性比石墨、单层石墨烯要差。目前G0价格也较高。中国专利 文献201310369551. 0公开了一种石墨烯水泥增强剂，由三乙醇胺15~40份、乙二醇5~ 20份、乙酸钠5~20份、石墨烯10~40份、水泥抗渗防水剂2~10份、水50~100份等 配成。水泥熟料与石墨烯水泥增强剂比例为4000~6000:1，用于提高水泥硬化后的强度。 该专利还不涉及到石墨烯水泥基应变传感器，而且也未说明所采用的石墨烯是单层还是多 层？粒径大小如何？本发明申请中采用的是纳米石墨烯片（用代号GnPs表示），为多层石 墨烯；目前已工业化生产，价格为2000元/公斤左右，远低于单层石墨烯和G0 ;尽管GnPs 的电、磁、热性能要低于单层石墨烯，其硬度和电导率却要远高于石墨，是一种低成本的导 电纳米材料；GnPs厚度在几纳米到100纳米之间，拥有超大的比表面积和宽厚比，使得其在 改善水泥基复合材料的力学性能、以及在基体内形成导电网络方面有很大优势。
[0004] 现有水泥基应变传感器拉伸延性差。延性以材料拉伸时达到极限应力时所对应 的极限拉伸应变来衡量，则现有水泥基应变传感器在拉伸应变达到〇. 02 %时就会发生脆性 断裂，断裂后难以继续感知应变。因此，现有水泥基应变传感器对拉伸应变的检测量程为 0.02%左右。但是，在混凝土结构中，检测拉伸应变却非常重要。这是因为，当受拉区应变 达到或超过钢筋屈服应变（〇. 2%左右）时，结构将接近其承载限度。因此，必须提高水泥基 应变传感器对拉伸应变的检测能力。普通纤维增强水泥基复合材料主要体现在韧性的提高 上，对拉伸延性的改善作用并不明显。以聚乙烯醇纤维配制的水泥基复合材料是一种高延 性的水泥基复合材料，又称为ECC(可设计水泥基复合材料）、SHCC(应变硬化水泥基复合材 料）或UHTCC(超高韧性水泥基复合材料）等。但是，这种复合材料本身导电性差，主要靠 水泥基体导电。再者，在ECC等在受拉时水泥基体内产生多条细密裂纹（平均宽度45微米 左右）阻断导电通路，导致电阻变化不连续，故难以作为水泥基应变传感器使用。针对这一 问题，本发明将聚乙烯醇纤维和GnPs混掺于水泥基复合材料中，使得部分GnPs覆盖在聚乙 烯醇纤维表面，以提高聚乙烯醇纤维的导电性。聚乙烯醇纤维在发挥桥联作用阻止水泥基 体裂纹局部化的同时，也将起导线的作用连通细密裂纹，保持导电通路不被细密裂纹阻断。 因此，发明的水泥基应变传感器的电阻随拉应变变化连续，并具有大的拉应变检测量程。另 外，GnPs与水泥水化产物间的界面接触电阻会随拉或压应变的变化而变化，这也是所发明 的水泥基应变传感器的工作原理之一。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是：针对现有水泥基应变传感器检测拉应变的量程偏 小，难以满足工程需要等问题，提供一种高延性水泥基应变传感器（以下称之为HDCSS)，该 传感器能用于混凝土结构中检测压应变和拉应变。
[0006] 本发明解决这些技术问题采用以下的技术方案：
[0007] 本发明提供的HDCSS，其由敏感材料和埋入其内的电极及多股铜导线构成，所述电 极有4片，分别是2片供电电极和位于其间的2片测量电极；多股铜导线的一端从同一位置 引出，另一端削皮露出铜线，该铜线分别缠绕在4片电极上。
[0008] 所述的4片电极，平行排布，相邻电极间的距离相等，并且均为不锈钢丝网或镀锡 钢丝网，正方形网孔边长为4-8mm。
[0009] 所述的缠绕在4片电极上的铜线，其上滚涂有熔化的焊锡，以防止铜线氧化。
[0010] 所述的敏感材料，是以普通硅酸盐水泥、I级粉煤灰和粒径小于0. 60mm的砂为基 体材料，掺入水、聚乙烯醇纤维、GnPs、聚羧酸减水剂和粘度调节剂拌制而成。
[0011] 所述的敏感材料的各原料的质量配比为：
[0012] 水泥：粉煤灰：砂：水：聚乙烯醇纤维：GnPs:聚羧酸减水剂：粘度调节剂 =1:1.2 ~2. 4:1 ~1.52:0. 68 ~1.04:0. 049 ~0.076:0. 009 ~0.079:0. 009 ~ 0.072:0. 00056 ~0. 0009。
[0013] 所述的GnPs，呈片状，粒径（D50)为5~25μπι，片层厚度为6~8nm，比表面积 120 ~150m2/g。
[0014] 所述的拌制方法是：按质量配比计，先将50 %的聚羧酸减水剂、80 %的水和全部 GnPs混合，再通过超声波分散纳米石墨稀片。
[0015] 所述的HDCSS，其供电电路主要由供电电极、参考电阻、直流恒压源串联而成。
[0016] 本发明通过检测两测量电极间的电压和参考电阻两端的电压，根据串联分压的原 理，测得传感器的电阻；由测得的电阻，计算其相对传感器初始电阻的电阻变化率，再根据 标定的应变与电阻变化率间的分段函数关系得出实测的应变值。
[0017] 所述实测的应变值，其应变检测量程从-0. 0023到0. 03,即-0. 23%~3. 0%。
[0018] 本发明与现有技术相比具有如下主要的突出效果：
[0019] 第一，HDCSS具有高的拉伸延性。
[0020] HDCSS极限拉伸应变在3%以上，是现有水泥基传感器的100倍以上。
[0021] 第二，检测拉应变的量程大。
[0022] HDCSS中聚乙烯醇纤维和GnPs起到了应力桥联和导电通路的作用，应变-电阻效 应能够在较大的拉应变范围内存在。
[0023] 第三，外接设备简单。
[0024] 本发明采用普通直流电压源作为HDCSS的电源，现有技术往往需要高精度的电流 源，导致外接设备成本较高。
[0025] 第四，应用面广。具有拉、压应变检测能力，土木工程中对拉应变的检测更加重要。
【附图说明】
[0026] 图1为HDCSS传感器的结构示意图；
[0027] 图2为HDCSS传感器的剖面图
[0028] 图3为HDCSS传感器与外接设备接线示意图；
[0029] 图4为HDCSS在单轴拉伸时的应力-应变关系；
[0030] 图5为HDCSS拉应变与电阻变化率之间的关系；
[0031] 图6为HDCSS压应变与电阻变化率之间的关系；
[0032] 图7为埋有HDCSS的钢筋混凝土梁。
[0033] 图中：1.敏感材料；2.供电电极；3.测量电极；4.多股铜导线；5.环氧树脂层； 6.粘砂层。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应理解为对本发明的限 制。
[0035] 本发明提供的HDCSS，其制备工艺简单。例如：HDCSS的敏感材料参考配合比（质量 比）为水泥：粉煤灰：