机敏水泥基材料及其无线应力/应变测量系统的研制

　　工程结构在服役期间受到大量不确定性因素的作用, 结构安全性、可靠性、耐久性面临着严重的考验。由于混凝土材料可靠性低、离散性大, 加之使用环境的劣化或一些极端环境造成外部介质对混凝土材料及结构的破坏作用, 混凝土结构工程的安全性、可靠性和耐久性问题更为突出。为掌握混凝土结构, 尤其是一些重大、重要混凝土工程结构在建造和服役过程中的性能和安全状况, 采用合理的安全监测措施尤为必要[ 1] 。传感元件是实施结构监测的硬件基础, 在混凝土结构监测中应用较为广泛的是电测传感元件( 如电阻应变计、振弦式传感器) 、压电陶瓷、形状记忆合金、光纤等机敏( 智能) 材料, 但耐久性和相容性差是这些元件或机敏( 智能) 材料在工程应用中的共性问题[ 2-4] 。

　　用碳纤维、炭黑、钢渣或者纳米材料填充的水泥基材料, 能够克服上述传感元件或机敏( 智能) 材料的缺点, 并具有较高的应力/ 应变的灵敏度系数, 例如, 掺加碳纤维的机敏水泥基材料的应力/ 应变灵敏度可以达到2. 8% MPa- 1 / 0. 056 0% LE- 1 , 是标准电阻应变片灵敏度系数的280 倍[ 5] 。此外, 机敏水泥基材料还具有较好的耐久性以及与混凝土结构良好的相容性, 可以应用在交通测速、动态称重、钢筋腐蚀监测、应变传感涂层和制作混凝土结构监测的嵌入式应力/ 应变传感器等[ 6] 。

　　同其它用于混凝土结构监测的元件或机敏( 智能) 材料一样, 机敏水泥基材料的传感信号通常采用有线方式采集, 但有线采集布线量大、采集精度受布线长度的影响、安装和维护费用高、可靠性差, 甚至在一些结构中无法实现布线。随着传感技术和无线通信技术的发展, 无线采集传输技术脱颖而出, 并为上述问题的解决提供了途径[ 7-8] 。虽然机敏水泥基材料得到了广泛的研究并得到了初步的应用, 但掺加镍粉的机敏水泥基材料, 特别是应用该种材料研制无线应力/ 应变测试系统还未见报道。因此, 本文首先测试了机敏镍粉水泥基材料的性能, 建立了其在单轴压力作用下的压应力/ 应变与电阻率变化率之间的关系; 然后研究了使用无线方式采集机敏镍粉水泥基材料输出信号的可行性, 并测试了所集成基于机敏水泥基材料的无线应力/ 应变测试系统的性能。

　　1 材料的制备、测试原理和性能测试

　　1. 1 制备方法

　　用于制做机敏镍粉水泥基材料的原材料主要包括硅酸盐水泥( A ST M I 型) 、硅粉、减水剂、镍粉和铜丝电极。采用水泥净浆搅拌机来混合包括水泥、硅粉( 水泥重量的15% ) 、减水剂( 水泥重量的1%) 和镍粉( 水泥重量的250% ) 等原材料大约3min, 加水以后再次搅拌3 分钟, 然后将其倒入如图1( a) 所示的安装了4 个环状电极的涂油模具中, 并用平板振动台排除气泡。所制备的如图1( b) 所示的机敏镍粉水泥基材料试件需要在24 h 后拆模, 放置在温度为20 ℃ 、相对湿度为100%的养护箱中养护28 d, 然后放置于烘箱, 在50 ℃ 的条件下干燥5 d 后待测。