一種電容型水泥基濕敏元件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種相對濕度感知測試元件，具體地講，涉及一種用于水泥基材料(如水泥砂漿、混凝土等)水化過程及長期使用過程中水泥基材料內(nèi)部相對濕度變化的一種電容型水泥基濕敏元件及其制備方法，屬于工程材料檢測領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]通常條件下的水泥基材料，其干縮、徐變和裂紋形成等力學(xué)特性與其內(nèi)部相對濕度條件密切相關(guān);而對于長期處于干、濕交替環(huán)境中的水泥基材料而言，其內(nèi)部環(huán)境濕度變化與其耐久性能更是密不可分。因此準(zhǔn)確檢測水泥基材料內(nèi)部濕度變化可有利深入了解土木建筑結(jié)構(gòu)的健康狀況。目前常用的測試方法為預(yù)埋管道法，該方法是在水泥基材料澆筑時預(yù)埋管道，待其具有強度時將數(shù)字濕度測量元件置于管底，然后再與外界進(jìn)行隔離密封，但其封堵材料泌水及密封難度大。發(fā)明專利CN101603937B “水泥基材料內(nèi)部相對濕度測試裝置及其測試方法”和CN103163285A “一種測定水泥混凝土內(nèi)部相對濕度和溫度的裝置”克服了傳統(tǒng)預(yù)埋管道的上述缺點，但上述兩種方法仍不能很好的測試水泥澆注早期內(nèi)部相對濕度，同時裝置中的數(shù)字濕度測量元件與水泥基材料內(nèi)部空隙太大，導(dǎo)致兩者所處空間相對濕度同步難。此外，土木建筑形狀各異，需要進(jìn)行濕度測量的部位往往有多處，一個濕度測量裝置僅能負(fù)責(zé)測量某特定部位的濕度，要想對土木建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行多處測量，需要預(yù)埋多個濕度測量裝置，這必將引起整個建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)力大幅降低，嚴(yán)重影響其耐久性;而且濕度測量裝置使用年限低，服役過程中需要更換，造價相對高，大大提高工程造價。因此，發(fā)明出一種能夠準(zhǔn)確測試水泥基材料水化內(nèi)部的相對濕度、多點測量不影響結(jié)構(gòu)應(yīng)力、使用壽命長、造價低的濕度測量元件具有非常重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種電容型水泥基濕敏元件，通過測量水泥基材料內(nèi)部電容信號的變化，全時段反應(yīng)土木結(jié)構(gòu)自身內(nèi)部的濕度變化。由于本發(fā)明測量元件本身就是水泥基材料，同時引摻入一定量的多孔吸附材料，與建筑物緊密接觸，可及時同步建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)容相對濕度，測量結(jié)果及時可靠;埋入該測量元件不會影響建筑結(jié)構(gòu)的耐久性，價格低廉，可大大降低工程造價，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0004]本發(fā)明還提供了一種電容型水泥基濕敏元件的制備方法。
[0005]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種電容型水泥基濕敏元件，其特征在于，它是由圓柱狀水泥基坯體和位于距圓柱狀水泥基坯體兩端口平行于兩圓面向里距離為10-20cm處的圈狀電極構(gòu)成;所述圓柱狀水泥基坯體與圈狀電極通過混有導(dǎo)電膠的銅粉密封粘結(jié);圈狀電極接有導(dǎo)線。
[0006]所述圓柱狀水泥基坯體是由以下重量百分比的原材料組成:水泥砂漿92-95%，導(dǎo)電材料1-2%，多孔吸附材料3-6%。
[0007]所述圈狀電極為直徑為1.38mm-2.26mm的銅導(dǎo)線。
[0008]所述水泥砂漿由42.5普通硅酸鹽水泥、石英砂細(xì)骨料和水組成;所述水泥砂漿水灰比0.5，灰骨比0.3 ；所述石英砂細(xì)骨料粒徑范圍3-4.5_。
[0009]所述導(dǎo)電材料由短切碳纖維、碳納米管和納米炭黑按照0.5:1:0.8的重量比組成。
[0010]所述多孔吸附材料為沸石、凹凸棒土、海泡石以及硅藻土中的一種或幾種的組合。
[0011]所述的短切碳纖維為聚丙烯烴短切碳纖維，其長度10-15mm，直徑7μπι，線電阻為85Ω /m;所述的碳納米管外徑20_40nm，內(nèi)徑為5-10醒，長度為5(^111，比表面積為1001112/^;所述的納米炭黑，直徑2_3nm，比重1.8-1.91g/cm30
[0012]上述的電容型水泥基濕敏元件的制備方法，它包括以下步驟:
1)將沸石、凹凸棒、海泡石以及硅藻土粉磨過200目篩，與普通硅酸鹽水泥及石英砂細(xì)骨料按比例混合均勻得混合物；
2)將短切碳纖維、碳納米管和納米炭黑按比例組成的導(dǎo)電材料，與占水泥質(zhì)量1%的分散劑羥乙基纖維素分散到水中制成混合溶液；
3)按比例將步驟I)所得混合物和步驟2)所得溶液混合并超聲分散均勻得到水泥基材料，然后將水泥基材料澆筑于圓柱狀模具中，放入溫度為20±1 °C，相對濕度之90%的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，Id后放入水中20 ± I。(:溫度下繼續(xù)養(yǎng)護(hù)28d，然后真空干燥；
4)在養(yǎng)護(hù)并干燥完成的圓柱水泥基坯體安裝一對圈狀電極，即在位于距圓柱狀水泥基坯體兩端口平行于兩圓面向里距離為10-20cm處切削出圓形溝槽，將圓形電極埋入，電極與水泥基材料接觸部位由混有導(dǎo)電膠的銅粉密封，最終獲得電容型水泥基濕敏元件。
[0013]將表面處理過的短切碳纖維和碳納米管通過特定工藝均勻分散到水泥砂漿中，可在細(xì)觀和微觀尺度角度形成許多大小尺度不同的微小電容器，這些微小電容器均勻分布于混凝土中，通過串聯(lián)或并聯(lián)方式賦予水泥基材料一定的電容信號，如果水泥基材料內(nèi)部任何一個部位發(fā)生結(jié)構(gòu)或成分的變化，將上述水泥基濕敏材料接入圈狀電極，通過測量水泥基材料電容信號分可迅速感知這種變化。水泥基材料濕度的變化可歸結(jié)于材料內(nèi)部水分多少的變化，因此濕度的變化可通過測量電容信號來感知；同時由于水分的介電常數(shù)比水泥基材料高出許多，因此由濕度變化引起水泥基材料電容信號變化明顯。被測建筑施工時預(yù)留空間，建筑完工后將水泥基濕敏元件埋入建筑物預(yù)留位置，引出導(dǎo)線接通測量設(shè)備，即可全時段感知建筑結(jié)構(gòu)被測位置的濕度變化。
[0014]本發(fā)明通過測量濕敏元件的電容信號，而非電阻信號作為感知環(huán)境濕度的電信號。這是因為，電容信號與電阻信號相比，具有變化靈敏、穩(wěn)定性好的特點。濕敏元件中的導(dǎo)電材料包括短切碳纖維、碳納米管和納米炭黑，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較大的電容器;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)一步增強整個溫度傳感器元件的電容值。此時濕敏元件中的短切碳纖維、碳納米管和納米炭黑的摻量并未達(dá)到導(dǎo)電滲閾值，該元件對外界的溫度或應(yīng)力的變化不敏感，因此可忽略外界溫度和應(yīng)力對濕度測量結(jié)果的干擾。水泥基材料濕度越高，濕度測量元件由于包含多孔吸附材料將容易快速吸附越多水分子，引起測量元件電容值的不斷增加，如果提前建立環(huán)境濕度與濕度測量元件電容值之間的相關(guān)性，測量濕度測量元件的電容即可以計算感知水泥基材料自己內(nèi)部的相對濕度。
[0015]本發(fā)明圓柱形濕敏元件可直接直立安裝在建筑所需濕度測量的預(yù)留孔洞中，兼顧加固建筑結(jié)構(gòu)，外部密封部分與元件保留一段距離;元件上一對圈狀電極留出建筑物孔洞外面，整個安裝工藝簡單；同時可以根據(jù)建筑內(nèi)部濕度檢測部位要求，改變濕度測量元件的尺寸以方便檢測，電容信號的測量使用數(shù)字電橋即可。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:由于測量元件本身就是水泥基材料，耐久性良好，同時引摻入一定量的多孔吸附材料，與建筑物緊密接觸，可及時同步建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)容相對濕度，測量結(jié)果及時可靠;埋入該測量元件不會影響建筑結(jié)構(gòu)的耐久性，價格低廉，可大大降低工程造價?？蛇m用于水泥基材料各齡期內(nèi)部相對濕度的測量，還適用于各種不同空間和環(huán)境下相對濕度的測量。因此該水泥基濕敏元件前景廣闊。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明實施例1在0-90RH°/Mf對濕度范圍內(nèi)濕度測量元件電容率變化圖；
圖2是本發(fā)明實施例2在0-90RH°/Mf對濕度范圍內(nèi)濕度測量元件電容率變化圖；
圖3是本發(fā)明實施例3在0-90RH°/Mf對濕度范圍內(nèi)濕度測量元件電容率變化圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0019]實施例1
一種電容型水泥基濕敏元件，它是由圓柱狀水泥基坯體和位于距圓柱狀水泥基坯體兩端口平行于兩圓面向里距離為1cm處的圈狀電極構(gòu)成;所述圓柱狀水泥基坯體與圈狀電極通過混有導(dǎo)電膠的銅粉密封粘結(jié)，圈狀電極接有導(dǎo)線。
[0020]其中的圓柱狀水泥基坯體是由以下重量百分比的原材料組成:水泥砂漿95%，導(dǎo)電材料I %，多孔吸附材料4%。
[0021]所述圈狀電極為直徑為1.38mm的銅導(dǎo)線。
[0022]所述水泥砂漿由42.5普通硅酸鹽水泥、石英砂細(xì)骨料和水組成;所述水泥砂漿水灰比0.5，灰骨比0.3。其中石英砂細(xì)骨料粒徑范圍3-4.5mm。
[0023]所述導(dǎo)電材料由短切碳纖維、碳納米管和納米炭黑按照0.5: