專利名稱：可用于正負(fù)溫自測(cè)的水泥基溫度傳感元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的傳感元件，特別涉及一種用于監(jiān)測(cè)大體積混凝土 內(nèi)部溫度變化并能與大體積混凝土融為一體的可用于正負(fù)溫自測(cè)的水泥基溫度傳感元件。
背景技術(shù)：
溫度對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力有著顯著的影響和作用，結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)及內(nèi)部溫度 梯度的研究，在現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)研究中占有越來(lái)越重要的位置。大體積混凝土溫度場(chǎng)的 測(cè)量，不論是在施工期間還是運(yùn)行期間都具有十分重要的意義。在施工期間，幾乎所有的 大體積混凝土結(jié)構(gòu)都要采取措施進(jìn)行溫度控制，減小結(jié)構(gòu)體內(nèi)溫度梯度，防止裂縫發(fā)生，確 保整體結(jié)構(gòu)安全；在運(yùn)行期間，溫度荷載是引起壩體變形和應(yīng)力變化的主要原因之一。因 此，及時(shí)和準(zhǔn)確地獲得大壩混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度場(chǎng)信息，既是大體積混凝土施工控制的 關(guān)鍵，也是大體積混凝土運(yùn)行期間安全監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容之一。然而，大體積混凝土的溫度測(cè)量，常常需要預(yù)埋溫度傳感器進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，這給實(shí) 際工程操作帶來(lái)多不足，主要表現(xiàn)為一個(gè)溫度傳感器只可測(cè)量一個(gè)點(diǎn)的溫度，要想對(duì)大體 積混凝土進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，需要預(yù)埋多個(gè)溫度傳感器，這將引起結(jié)構(gòu)的多個(gè)部位的應(yīng)力降低， 大大影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性；這類傳感器對(duì)工作的環(huán)境要求高，耐久性差，使用年限低， 造價(jià)相對(duì)高，同時(shí)在混凝土結(jié)構(gòu)的使用過(guò)程中需要不斷更換，大大提高工程造價(jià)；溫度傳感 器材料與混凝土材料性能差，不能準(zhǔn)確的測(cè)量大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫度。因此，發(fā)明能與大 體積混凝土相容、可多點(diǎn)測(cè)量不影響結(jié)構(gòu)耐久性、使用壽命長(zhǎng)、造價(jià)低且能實(shí)現(xiàn)溫度自測(cè)的 水泥基溫度傳感元件顯得十分必要和迫切。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，將短切碳纖維加入到水泥混凝土中，可賦予混凝土良好 的溫度敏感特性。例如，隨環(huán)境溫度的升高摻有適量碳纖維的混凝土電阻率出現(xiàn)有規(guī) 律的降低，即溫阻特性；適量碳纖維可使混凝土成為半導(dǎo)體材料，具有賽貝克效應(yīng)，專 CN200610024718就是利用碳纖維混凝土的賽貝克效應(yīng)制成溫度自測(cè)的機(jī)敏混凝土傳感元 件，該傳感元件測(cè)量的溫度集中在0°C 150°C之間。實(shí)際大體積混凝土的環(huán)境溫度可在正負(fù)溫度范圍內(nèi)變化，尤其是最低溫度，在寒 冷的冬季或高原地區(qū)，環(huán)境的最低溫度可達(dá)-15°C -20°C之間。例如，青藏高原年正負(fù)變 溫的天數(shù)高達(dá)180d，日溫差可達(dá)30°C。因此，研究可用于正負(fù)溫測(cè)量，在正負(fù)溫反復(fù)作用下 仍具有良好耐久性的可用于正負(fù)溫自測(cè)的水泥基溫度傳感元件具有重要意義。目前的溫度 傳感元件的測(cè)溫范圍還局限于零度以上，通過(guò)測(cè)量傳感元件的電阻信號(hào)作為感知環(huán)境溫度 的電信號(hào)，多次重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
為解決目前的溫度傳感元件的測(cè)溫范圍還局限于零度以上，多次重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)不 穩(wěn)定的弊端；本發(fā)明提供了一種可用于正負(fù)溫自測(cè)的水泥基溫度傳感元件。本發(fā)明通過(guò)以下措施實(shí)現(xiàn)
本發(fā)明的可用于正負(fù)溫自測(cè)的水泥基溫度傳感元件，包括試塊和一對(duì)電極，所述 電極分別位于試塊的上表面和下表面，其特特別之處在于所述的試塊包括水泥基體和均 勻地分布在水泥基體中的導(dǎo)電纖維；所述的水泥基體包括阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥和沙 子，所述導(dǎo)電纖維由短切聚丙烯烴碳纖維和碳納米管組成。上述的可用于正負(fù)溫自測(cè)的水泥基溫度傳感元件，所述的阿利特-硫鋁酸鋇鈣水 泥熟料中各礦相體系的重量百分比為硫鋁酸鋇鈣3-37%硅酸三鈣30-60%硅酸二鈣15-40%鋁酸三鈣15-40%鐵鋁酸四鈣3-20%。上述的可用于正負(fù)溫自測(cè)的水泥基溫度傳感元件，所述試塊的重量組成為水泥基體98·5-99. 5%短切聚丙烯烴碳纖維0. 4% -1%碳納米管0·-0.8%。上述述的可用于正負(fù)溫自測(cè)的水泥基溫度傳感元件，所述短切聚丙烯烴碳纖維 為長(zhǎng)度10-15讓、直徑7士0. 2 μ m、線電阻85 Ω/m、拉伸模量175-215/Gpa。上述的可用于正負(fù)溫自測(cè)的水泥基溫度傳感元件，所述的碳納米管為外直徑 20-40nm、內(nèi)徑 5-lOnm、長(zhǎng)度 50 μ m、比表面積 110m2/g、密度 2. lg/cm3。本發(fā)明采用阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥作為水泥基體，主要基于以下原因，該水泥 主要組成仍與普通硅酸鹽水泥組成類似，保證了溫度傳感元件的基體與大體積混凝土結(jié)構(gòu) 具有良好相容性；同時(shí)，硫鋁酸鋇鈣礦物具有微膨脹特性，可以降低溫度傳感元件的孔隙 率，保證元件具有良好的抗凍性，在正負(fù)溫度反復(fù)作用下保證測(cè)量信號(hào)的準(zhǔn)確性；同時(shí)補(bǔ)償 水泥基體的干縮，減少收縮裂紋，提高傳感元件的耐久性。本發(fā)明通過(guò)測(cè)量傳感元件的電容信號(hào)，而非電阻信號(hào)作為感知環(huán)境溫度的電信 號(hào)。這是因?yàn)?，電容信?hào)與電阻信號(hào)相比，具有變化靈敏、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。也就是說(shuō)，利用 傳感元件的溫度-電容特性來(lái)測(cè)量混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境溫度。傳感元件中的導(dǎo)電纖維包括短 切碳纖維和碳納米管，這些導(dǎo)電材料在水泥基體中形成許多電容器，其中碳纖維之間形成 相對(duì)較大的電容器，而碳納米管之間形成更為微觀的電容器，從而在微觀區(qū)域進(jìn)一步增強(qiáng) 整個(gè)溫度傳感元件的電容值。隨著溫度的升高，元件中更多的載流子由于熱激發(fā)而參與導(dǎo) 電，這些載流子由于眾多電容器的存在而被吸附，使得傳感元件的電容值不斷升高，通過(guò)測(cè) 量傳感器的電容可以感知傳感元件周圍的環(huán)境溫度。由于本發(fā)明的主要成分為阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥和砂子的混合物，耐久性良 好，而且與大體積水泥混凝土具有良好的相容性。使用時(shí)可以直接將本發(fā)明安置在大體積 混凝土中，安裝工藝簡(jiǎn)單，同時(shí)可以根據(jù)檢測(cè)的部位的要求，改變傳感器的尺寸以方便檢測(cè) 所需檢測(cè)大體積混凝土部位的溫度。本發(fā)明的有益效果是1.采用阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥作為水泥基體，碳納米管 的引用使得溫度傳感元件的測(cè)溫范圍拓展至冰點(diǎn)以下；2.該傳感元件電容信號(hào)對(duì)溫度變 化敏感，多次重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定。


圖1 在-45°C -90°C 1#和2#可用于正負(fù)溫自測(cè)的水泥基溫度傳感元件電容率變 化。圖2 在_45°C -90°C 2#可用于正負(fù)溫自測(cè)的水泥基溫度傳感元件在多次溫度條 件下電容率變化。
具體實(shí)施例方式表1阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥性能 準(zhǔn)備如表1、表2、表3和表4所述理化性能的阿利特_硫鋁酸鋇鈣水泥、短切聚丙 烯烴碳纖維和碳納米管。短切聚丙烯烴碳纖維進(jìn)行清洗、干燥處理，將一定比例的短切聚丙 烯烴碳纖維加入到甲基纖維素溶液中，用玻璃棒攪拌確保短切聚丙烯烴碳纖維分散完全； 同時(shí)將碳納米管加入到十二烷基苯磺酸鈉溶液中分散，再將上述兩種溶液倒入攪拌鍋中進(jìn)行攪拌，按水灰比0. 35加入水、β -萘磺酸鹽減水劑(水重量的3%0 )、磷酸三丁脂消泡劑 (水重量的2%。)，然后分批加入水泥(同時(shí)加入標(biāo)準(zhǔn)砂，砂灰比為3 1)，攪拌4min后，在 標(biāo)準(zhǔn)砂漿模具里注漿成型，埋入銅網(wǎng)電極，振實(shí)，將試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度為20士 1°C， 相對(duì)濕度> 90% )養(yǎng)護(hù)，Id后放入水中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)28d，真空干燥，制成溫度傳感元件。其中 溫度傳感元件中水泥砂漿占98. 5-99. 5%，短切聚丙烯烴碳纖維占0. 4% _1%，碳納米管占 0. 1%-0.8%。圖1為在-45°C-90°C溫度范圍內(nèi)傳感元件電容率變化曲線，多次重復(fù)測(cè)量， 其電容數(shù)據(jù)穩(wěn)定，變化幅度明顯。試樣原料配比見(jiàn)表5 :
表5試樣原料配比(wt % ) 圖1為-45°C -90°C范圍內(nèi)1#和2#可用于正負(fù)溫自測(cè)的水泥基溫度傳感元件電 容率隨溫度的變化曲線。由圖1可以看出，未摻碳納米管的1#元件在零度以下電容變化不 明顯，同時(shí)與摻入碳納米管的2#元件相比，其整體電容變化無(wú)規(guī)律，因此，碳納米管的引入 可使測(cè)溫元件的測(cè)量范圍擴(kuò)展到零度以下，以及數(shù)據(jù)測(cè)量更加有規(guī)律和穩(wěn)定。圖2為-45°C -90°C范圍內(nèi)2#可用于正負(fù)溫自測(cè)的水泥基溫度傳感元件電容率在 多次溫度變化條件下的變化曲線。由圖1可以看出，試樣的溫度-電容曲線在多次溫度循 環(huán)作用下表現(xiàn)出良好的溫度-電容特性，僅第1次循環(huán)與其他3次循環(huán)的溫度-電容曲線 相差較大。這是因?yàn)闇囟妊h(huán)1次之后，傳感元件內(nèi)部就會(huì)有部分水分被烘干，試樣中水 分減少，降低了溫度傳感元件的內(nèi)部可供極化的離子數(shù)量，造成溫度_電容曲線下降；其中 第1次溫度循環(huán)試樣水分被烘干最多，因此其電容曲線與其他3次相差較大。由圖1還可 以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，傳感元件溫度_電容曲線線形基本保持不變，表現(xiàn)出較好的 重復(fù)性。溫度傳感元件數(shù)據(jù)變化幅度大，電容隨溫度上升變化敏銳，數(shù)據(jù)變化重復(fù)性強(qiáng)，規(guī) 律性明顯。碳納米管的引入擴(kuò)大了溫度傳感元件的溫度測(cè)量范圍，至零度以下。
權(quán)利要求
一種可用于正負(fù)溫自測(cè)的水泥基溫度傳感元件，包括試塊和一對(duì)電極，所述電極分別位于試塊的上表面和下表面，其特征在于所述的試塊包括水泥基體和均勻地分布在水泥基體中的導(dǎo)電纖維；所述的水泥基體包括阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥和沙子，所述導(dǎo)電纖維由短切聚丙烯烴碳纖維和碳納米管組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可用于正負(fù)溫自測(cè)的水泥基溫度傳感元件，其特征在于所 述的阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥熟料中各礦相體系的重量百分比為硫鋁酸鋇鈣3-37% 硅酸三鈣30-60% 硅酸二鈣15-40% 鋁酸三鈣15-40% 鐵鋁酸四鈣3-20%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可用于正負(fù)溫自測(cè)的水泥基溫度傳感元件，其特征在于所 述試塊的重量組成為水泥基體98. 5-99. 5% 短切聚丙烯烴碳纖維0. 4% -1% 碳納米管0. 1% -0.8%o
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可用于正負(fù)溫自測(cè)的水泥基溫度傳感元件，其特征在于 所述短切聚丙烯烴碳纖維為長(zhǎng)度10-15mm、直徑7 士 0. 2 μ m、線電阻85 Ω /m、拉伸模量 175-215/Gpa。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可用于正負(fù)溫自測(cè)的水泥基溫度傳感元件，其特征在于所 述的碳納米管為外直徑20-40nm、內(nèi)徑5-lOnm、長(zhǎng)度50 μ m、比表面積110m2/g、密度2. Ig/
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種可用于正負(fù)溫自測(cè)的水泥基溫度傳感元件，包括試塊和一對(duì)電極，所述電極分別位于試塊的上表面和下表面，所述的試塊包括水泥基體和均勻地分布在水泥基體中的導(dǎo)電纖維；所述的水泥基體包括阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥和沙子，所述導(dǎo)電纖維由短切聚丙烯烴碳纖維和碳納米管組成；本發(fā)明的有益效果1.采用阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥作為水泥基體，碳納米管的引用使得溫度傳感元件的測(cè)溫范圍拓展至冰點(diǎn)以下；2.該傳感元件電容信號(hào)對(duì)溫度變化敏感，多次重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定。
文檔編號(hào)C04B16/06GK101886954SQ20101022221
公開(kāi)日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月9日
發(fā)明者葉正茂, 周宗輝, 常鈞, 王守德, 程新, 蘆令超, 黃世峰 申請(qǐng)人:濟(jì)南大學(xué)