CN101886954A - 可用于正负温自测的水泥基温度传感元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于正负温自测的水泥基温度传感元件，包括试块和一对电极，所述电极分别位于试块的上表面和下表面，所述的试块包括水泥基体和均匀地分布在水泥基体中的导电纤维；所述的水泥基体包括阿利特-硫铝酸钡钙水泥和沙子，所述导电纤维由短切聚丙烯烃碳纤维和碳纳米管组成；本发明的有益效果：1.采用阿利特-硫铝酸钡钙水泥作为水泥基体，碳纳米管的引用使得温度传感元件的测温范围拓展至冰点以下；2.该传感元件电容信号对温度变化敏感，多次重复测量数据稳定。

Description

可用于正负温自测的水泥基温度传感元件

技术领域

本发明涉及一种检测技术领域的传感元件，特别涉及一种用于监测大体积混凝土内部温度变化并能与大体积混凝土融为一体的可用于正负温自测的水泥基温度传感元件。

背景技术

温度对大体积混凝土结构的应力有着显著的影响和作用，结构温度场及内部温度梯度的研究，在现代工程结构检测研究中占有越来越重要的位置。大体积混凝土温度场的测量，不论是在施工期间还是运行期间都具有十分重要的意义。在施工期间，几乎所有的大体积混凝土结构都要采取措施进行温度控制，减小结构体内温度梯度，防止裂缝发生，确保整体结构安全；在运行期间，温度荷载是引起坝体变形和应力变化的主要原因之一。因此，及时和准确地获得大坝混凝土结构内部的温度场信息，既是大体积混凝土施工控制的关键，也是大体积混凝土运行期间安全监测的重要内容之一。

然而，大体积混凝土的温度测量，常常需要预埋温度传感器进行温度监测，这给实际工程操作带来多不足，主要表现为：一个温度传感器只可测量一个点的温度，要想对大体积混凝土进行多点测量，需要预埋多个温度传感器，这将引起结构的多个部位的应力降低，大大影响混凝土结构的耐久性；这类传感器对工作的环境要求高，耐久性差，使用年限低，造价相对高，同时在混凝土结构的使用过程中需要不断更换，大大提高工程造价；温度传感器材料与混凝土材料性能差，不能准确的测量大体积混凝土结构的温度。因此，发明能与大体积混凝土相容、可多点测量不影响结构耐久性、使用寿命长、造价低且能实现温度自测的水泥基温度传感元件显得十分必要和迫切。

国内外研究学者发现，将短切碳纤维加入到水泥混凝土中，可赋予混凝土良好的温度敏感特性。例如，随环境温度的升高掺有适量碳纤维的混凝土电阻率出现有规律的降低，即温阻特性；适量碳纤维可使混凝土成为半导体材料，具有赛贝克效应，专CN200610024718就是利用碳纤维混凝土的赛贝克效应制成温度自测的机敏混凝土传感元件，该传感元件测量的温度集中在0℃～150℃之间。

实际大体积混凝土的环境温度可在正负温度范围内变化，尤其是最低温度，在寒冷的冬季或高原地区，环境的最低温度可达-15℃～-20℃之间。例如，青藏高原年正负变温的天数高达180d，日温差可达30℃。因此，研究可用于正负温测量，在正负温反复作用下仍具有良好耐久性的可用于正负温自测的水泥基温度传感元件具有重要意义。目前的温度传感元件的测温范围还局限于零度以上，通过测量传感元件的电阻信号作为感知环境温度的电信号，多次重复测量数据不稳定。

发明内容

为解决目前的温度传感元件的测温范围还局限于零度以上，多次重复测量数据不稳定的弊端；本发明提供了一种可用于正负温自测的水泥基温度传感元件。

本发明通过以下措施实现：

本发明的可用于正负温自测的水泥基温度传感元件，包括试块和一对电极，所述电极分别位于试块的上表面和下表面，其特特别之处在于：所述的试块包括水泥基体和均匀地分布在水泥基体中的导电纤维；所述的水泥基体包括阿利特-硫铝酸钡钙水泥和沙子，所述导电纤维由短切聚丙烯烃碳纤维和碳纳米管组成。

上述的可用于正负温自测的水泥基温度传感元件，所述的阿利特-硫铝酸钡钙水泥熟料中各矿相体系的重量百分比为：

硫铝酸钡钙3-37％

硅酸三钙30-60％

硅酸二钙15-40％

铝酸三钙15-40％

铁铝酸四钙3-20％。

上述的可用于正负温自测的水泥基温度传感元件，所述试块的重量组成为：

水泥基体：98.5-99.5％

短切聚丙烯烃碳纤维：0.4％-1％

碳纳米管：0.1％-0.8％。

上述述的可用于正负温自测的水泥基温度传感元件，所述短切聚丙烯烃碳纤维为：长度10-15mm、直径7±0.2μm、线电阻85Ω/m、拉伸模量175-215/Gpa。

上述的可用于正负温自测的水泥基温度传感元件，所述的碳纳米管为：外直径20-40nm、内径5-10nm、长度50μm、比表面积110m²/g、密度2.1g/cm³。

本发明采用阿利特-硫铝酸钡钙水泥作为水泥基体，主要基于以下原因，该水泥主要组成仍与普通硅酸盐水泥组成类似，保证了温度传感元件的基体与大体积混凝土结构具有良好相容性；同时，硫铝酸钡钙矿物具有微膨胀特性，可以降低温度传感元件的孔隙率，保证元件具有良好的抗冻性，在正负温度反复作用下保证测量信号的准确性；同时补偿水泥基体的干缩，减少收缩裂纹，提高传感元件的耐久性。

本发明通过测量传感元件的电容信号，而非电阻信号作为感知环境温度的电信号。这是因为，电容信号与电阻信号相比，具有变化灵敏、稳定性好的特点。也就是说，利用传感元件的温度-电容特性来测量混凝土结构的环境温度。传感元件中的导电纤维包括短切碳纤维和碳纳米管，这些导电材料在水泥基体中形成许多电容器，其中碳纤维之间形成相对较大的电容器，而碳纳米管之间形成更为微观的电容器，从而在微观区域进一步增强整个温度传感元件的电容值。随着温度的升高，元件中更多的载流子由于热激发而参与导电，这些载流子由于众多电容器的存在而被吸附，使得传感元件的电容值不断升高，通过测量传感器的电容可以感知传感元件周围的环境温度。

由于本发明的主要成分为阿利特-硫铝酸钡钙水泥和砂子的混合物，耐久性良好，而且与大体积水泥混凝土具有良好的相容性。使用时可以直接将本发明安置在大体积混凝土中，安装工艺简单，同时可以根据检测的部位的要求，改变传感器的尺寸以方便检测所需检测大体积混凝土部位的温度。

本发明的有益效果是：1.采用阿利特-硫铝酸钡钙水泥作为水泥基体，碳纳米管的引用使得温度传感元件的测温范围拓展至冰点以下；2.该传感元件电容信号对温度变化敏感，多次重复测量数据稳定。

附图说明

图1：在-45℃-90℃1#和2#可用于正负温自测的水泥基温度传感元件电容率变化。

图2：在-45℃-90℃2#可用于正负温自测的水泥基温度传感元件在多次温度条件下电容率变化。

具体实施方式

表1阿利特-硫铝酸钡钙水泥性能

表2短切聚丙烯烃碳纤维性能参数

表3碳纳米管的性能参数

表4阿利特-硫铝酸钡钙水泥熟料各矿相体系比例(wt％)

准备如表1、表2、表3和表4所述理化性能的阿利特-硫铝酸钡钙水泥、短切聚丙烯烃碳纤维和碳纳米管。短切聚丙烯烃碳纤维进行清洗、干燥处理，将一定比例的短切聚丙烯烃碳纤维加入到甲基纤维素溶液中，用玻璃棒搅拌确保短切聚丙烯烃碳纤维分散完全；同时将碳纳米管加入到十二烷基苯磺酸钠溶液中分散，再将上述两种溶液倒入搅拌锅中进行搅拌，按水灰比0.35加入水、β-萘磺酸盐减水剂(水重量的3‰)、磷酸三丁脂消泡剂(水重量的2‰)，然后分批加入水泥(同时加入标准砂，砂灰比为3∶1)，搅拌4min后，在标准砂浆模具里注浆成型，埋入铜网电极，振实，将试样放入标准养护室(温度为20±1℃，相对湿度≥90％)养护，1d后放入水中继续养护28d，真空干燥，制成温度传感元件。其中温度传感元件中水泥砂浆占98.5-99.5％，短切聚丙烯烃碳纤维占0.4％-1％，碳纳米管占0.1％-0.8％。图1为在-45℃-90℃温度范围内传感元件电容率变化曲线，多次重复测量，其电容数据稳定，变化幅度明显。试样原料配比见表5：

表5试样原料配比(wt％)

图1为-45℃-90℃范围内1#和2#可用于正负温自测的水泥基温度传感元件电容率随温度的变化曲线。由图1可以看出，未掺碳纳米管的1#元件在零度以下电容变化不明显，同时与掺入碳纳米管的2#元件相比，其整体电容变化无规律，因此，碳纳米管的引入可使测温元件的测量范围扩展到零度以下，以及数据测量更加有规律和稳定。

图2为-45℃-90℃范围内2#可用于正负温自测的水泥基温度传感元件电容率在多次温度变化条件下的变化曲线。由图1可以看出，试样的温度-电容曲线在多次温度循环作用下表现出良好的温度-电容特性，仅第1次循环与其他3次循环的温度-电容曲线相差较大。这是因为：温度循环1次之后，传感元件内部就会有部分水分被烘干，试样中水分减少，降低了温度传感元件的内部可供极化的离子数量，造成温度-电容曲线下降；其中第1次温度循环试样水分被烘干最多，因此其电容曲线与其他3次相差较大。由图1还可以看出，随着循环次数的增加，传感元件温度-电容曲线线形基本保持不变，表现出较好的重复性。温度传感元件数据变化幅度大，电容随温度上升变化敏锐，数据变化重复性强，规律性明显。碳纳米管的引入扩大了温度传感元件的温度测量范围，至零度以下。

Claims (5)

1.一种可用于正负温自测的水泥基温度传感元件，包括试块和一对电极，所述电极分别位于试块的上表面和下表面，其特征在于：所述的试块包括水泥基体和均匀地分布在水泥基体中的导电纤维；所述的水泥基体包括阿利特-硫铝酸钡钙水泥和沙子，所述导电纤维由短切聚丙烯烃碳纤维和碳纳米管组成。

2.根据权利要求1所述的可用于正负温自测的水泥基温度传感元件，其特征在于：所述的阿利特-硫铝酸钡钙水泥熟料中各矿相体系的重量百分比为：

硫铝酸钡钙3-37％

硅酸三钙30-60％

硅酸二钙15-40％

铝酸三钙15-40％

铁铝酸四钙3-20％。

3.根据权利要求1所述的可用于正负温自测的水泥基温度传感元件，其特征在于：所述试块的重量组成为：

水泥基体：98.5-99.5％

短切聚丙烯烃碳纤维：0.4％-1％

碳纳米管：0.1％-0.8％。

4.根据权利要求1所述的可用于正负温自测的水泥基温度传感元件，其特征在于：所述短切聚丙烯烃碳纤维为：长度10-15mm、直径7±0.2μm、线电阻85Ω/m、拉伸模量175-215/Gpa。

5.根据权利要求1所述的可用于正负温自测的水泥基温度传感元件，其特征在于：所述的碳纳米管为：外直径20-40nm、内径5-10nm、长度50μm、比表面积110m²/g、密度2.1g/cm³。

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