文摘

获得混凝土内部应力、应变状态的评估结构的安全性和可靠性是混凝土结构健康监测的重要目的。在这篇文章中,一个三维(3 d)接线盒使用石墨烯传感器设计和制作压阻复合测量混凝土结构的压力。使用减少压阻复合制备氧化石墨烯(RGO)作为导电填料,纤维素纳米纤维(CNF)作为分散剂和结构骨架,和水性环氧树脂(WEP)作为聚合物矩阵。机械、电气和机电RGO-CNF / WEP的综合性能进行了测试。结果表明,抗拉强度、弹性模量,大大改善了复合材料的电导率增加RGO, CNF。复合的相对阻力改变电影展示了高灵敏度16-52机械应变与衡量因素。在应变4%,复合材料的压阻特性是稳定和良好的线性度和重复性。三维应变的传感性能进行了测试。测量的压力接近实际的测量具体点,误差很小。RGO-CNF / WEP复合材料具有良好的机械和压阻特性,这使3 d接线盒作为嵌入式传感器测量混凝土结构内部应变的准确。

1。介绍

混凝土是土木工程中应用最广泛的材料。服务时间的混凝土结构通常是几十年甚至更长时间。在长期的过程中,多种因素的联合行动,如负载效应,环境侵蚀、材料老化,会导致混凝土结构的损伤积累和电阻衰减(1,2]。如果危机情况不能及时警告和修复,它将容易导致灾难性的事故。因此,结构健康监测是必要的,以确定关键点的应力、应变状态的混凝土和评估结构的安全性和可靠性。

传感系统是混凝土结构健康监测的基础。传统的传感器包括应变仪、光纤布喇格光栅(3,4),和压电材料5- - - - - -7]。然而,这些传感器有一些问题,如单一测试方向,高成本,糟糕的耐久性,贫穷与混凝土的兼容性。水泥基智能复合材料的出现(8- - - - - -14)提供了一种新的遥感对结构健康监测,意味着它已经和嵌入式传感器应用于土木工程。然而,尽管水泥基智能传感器灵敏度高,线性好,与混凝土和兼容性,它极大地受到环境因素的影响,特别是温度和湿度,可怜的可塑性。因此,它是用来测量一维混凝土的应力和应变。聚合物基智能传感器(15,16可以避免上述问题,因为良好的耐腐蚀和防水,简单的造型,以及高分子材料的可塑性。

由于独特的晶体结构和性质,纳米材料可以用来提高和修改聚合物,它提供了一种理论依据传感器的制备(17- - - - - -20.]。目前,大多数聚合物基智能复合材料是基于弹性橡胶等材料。由于低弹性模量的橡胶,混凝土的力学性能将大大降低,当嵌入组件。此外,复合材料使用nanocarbon黑色或碳纳米管作为导电填料灵敏度较低,高填充内容,可重复性差。因此,新的传感器,环氧树脂具有高机械强度(21)作为基体材料,石墨烯,一个二维纳米材料,具有优良的机械和电气性能(22)被选中作为导电填料。

本文制备了石墨烯复合材料的压阻效应。RGO作为导电填料的复合。CNF具有良好的分散在水中(23被用作分散剂和携带RGO均匀分散在WEP形成一个稳定和连续的3 d强化和导电网络。机械、电气和机电性能的综合测试。然后,基于应变理论,设计、制备三维应变花获得混凝土内部的应变状态点结构。接线盒的传感元素六RGO-CNF / WEP综合形成的一维应变传感器,并安排环氧立方体的六个方向。最后,三维应变的传感性能进行了测试和分析。

2。制造RGO-CNF / WEP的复合

2.1。材料和工具

减少氧化石墨烯(RGO)从苏州Tanfeng石墨烯科技有限公司购买中国有限公司( ,厚度1 - 3 nm,鳞片大小0.5 - 5μ米)。纤维素纳米纤维(CNF)从桂林琦鸿科技有限公司购买中国有限公司( ,直径的4到10纳米,长度1 - 3μ米)。水性环氧树脂(WEP、产品数量F0704)和固化剂(产品编号F0705)从深圳购买吉田化工有限公司,有限公司,中国。所使用的材料都收到了。去离子的水(DI)准备在我们的实验室。牛角形超声发生器(JY92、宁波Scientz生物技术有限公司,中国)和电磁搅拌器(LC-TN-1、地衣仪器、中国)被用来协助RGO的色散。

2.2。RGO-CNF / WEP复合的制备

图1显示了复合材料的制造过程。WEP高粘度,不利于统一色散RGO。所以,作为第一步,WEP是与水混合,混合是磁力搅拌的速度1000 r / min 10分钟。WEP的收益率水溶液中(S1)和低粘度。第二步,RGO, CNF粉添加在去离子水中,磁力搅拌的速度2000 r / min 5分钟然后在200 W超声波分散1 h。由于更少的表面,化学活性很低,和高的比表面积RGO,集聚现象经常发生在RGO分散在水中。有大量的亲水表面羟基CNF,使CNF形成稳定、均匀的悬浮在水中。一些未还原的羟基和羧基团体RGO表面的分布。他们可以与表面羟基通过氢键CNF。CNF作为一个模板来帮助RGO分散在水中。 Then, RGO-CNF suspension solution (S2) is obtained. CNF, on the one hand, acts as a dispersant for RGO, on the other hand, acts as a framework for supporting RGO, to promote the formation of three-dimensional reinforcement and conductive network in polymer matrix. The two prepared solutions, S1 and S2, are mixed in one container with magnetic stirring at a speed of 1000 r/min for 5 min and followed ultrasonic dispersion at 200 W for 3 h. The solution (S3) with RGO-CNF uniformly dispersed in WEP is obtained. Then, a curing agent is added in S3 at a mass ratio of 1 : 2. After 10 min of magnetic stirring at a speed of 1000 r/min, it is placed in the vacuum box for 30 min to remove bubbles. Subsequently, it is put in the oven to complete curing at 40°C for 3 hours and at 60°C for 24 hours. The choice of curing temperature is the key to the formation of a stable reinforcement and conductive network. If the temperature is high and the water evaporates too quickly, the network between graphene flakes will be destroyed, thus affecting the mechanical and electrical properties of the composites [24]。表1是填料比例的样本,RGO, CNF的值是WEP的质量百分比。

2.3。测试方法的复合属性

复合材料的力学性能进行了测试使用拉伸仪器(hp - 500、LANB仪器、中国)1毫米/分钟的速度。复合材料的电阻测量6.5数字源表(美国吉时利仪器DMM6500)和采用电压是交流220 V。铜箔电极preembedded在复合材料在制造过程中,和2-prode法。复合标本被切割成矩形的形状,和两个电极之间的距离是100毫米。试样的宽度是10毫米,厚度1毫米。至少有三个有效样本为每个样本进行测试。

3所示。RGO-CNF / WEP复合的属性

3.1。机械和电气性能

图2显示了复合材料的应力-应变曲线。这表明RGO和CNF可以显著提高环氧树脂的拉伸强度。与RGO含量的增加,复合材料的抗拉强度增加首先然后减少。复合材料在弹性变形阶段4%应变范围内,应变和压力是成正比。他们的弹性模计算结果中可以看到表2。当RGO, CNF的内容是6 wt % 2 wt %,分别复合材料的弹性模量达到12.02的绩点的最大价值,这是相同的大小顺序与混凝土的弹性模量。

CNF的帮助下,导电填料RGO均匀分散在环氧树脂。当RGO片之间的距离足够小,发生“隧道效应”,使RGO-CNF / WEP复合导电。表2展示了复合材料的导电性。最大导 ,和内容RGO, CNF 6 wt % 2 wt %,分别对应于填充内容的综合弹性模量最大。

改善RGO-CNF / WEP复合材料的机械和电气性能主要取决于RGO, CNF的绑定状态分散的RGO-CNF WEP, RGO-CNF WEP在微观层面的结合。作为一种绿色可再生一维纳米材料,CNF作为复合分散剂和结构框架。RGO通过氢键结合CNF。分散均匀的重叠CNF可以携带RGO WEP矩阵。它有助于形成一个稳定和连续的导电网络的RGO WEP矩阵。此外,由于高强度和模量RGO CNF,交联增强网络也在WEP矩阵,大大提高了复合材料的力学性能。然而,如果RGO或CNF添加过多,CNF不能携带多余的RGO均匀分散到WEP矩阵,毁了三个组件之间的平衡的组合。冗余RGO WEP矩阵CNF结块,导致应力集中,降低复合材料的力学性能,与此同时影响电性质。

3.2。机电RGO-CNF / WEP复合的属性

当复合材料受外力变形,内部导电网络也变形和RGO片之间的距离变化,使复合材料电阻改变。图3显示的相对阻力变化和应变RGO-CNF / WEP复合膜。可以看出,除了B2/2样本,其他电影的相对阻力变化有很好的线性与应变的关系。这是因为电力网络示例B2/2以低RGO内容是不完美的。电阻与应变变化的现象属于压阻效应。衡量因子(GF)通常是用来评估该属性的材料,将电阻变化率与外部压力,如方程所示(1)。拟合线的斜率的曲线在图3等于电影的女朋友。的GFs B4/2-B10/2 16-52,都明显大于传统金属应变仪的GF (~ 2)。循环拉伸测试标本B6/2 B10/2显示,良好的重复性和GF基本上保持不变,如图4。结果表明,RGO-CNF / WEP复合具有良好的应变传感特性,可以用于结构健康监测。 在哪里相对电阻变化和吗是初始复合膜的电阻。

应变传感器广泛应用于结构损伤检测和健康监测。传统的电阻应变传感器主要是由金属或半导体材料制作的。他们有一些缺陷,如小范围,韧性差,容易损坏,无法满足在复杂的结构和大应变监测。从上面的结果可以看出,电影的RGO-CNF / WEP复合应变传感性能好,灵敏度高,稳定性好,和大测量范围。和优良的机械性能和耐腐蚀环氧树脂可以保护环境影响的电影。此外,它还具有可塑性成所需的形状。因此,RGO-CNF / WEP复合可以制成薄膜应变仪代替金属或半导体应变仪,可用于测量混凝土结构表面应变。薄膜应变仪与不同的女朋友可以通过调整获得的填充内容综合单个应用程序的需求,例如,高低应力应用GF和低高变形应用GF (25]。

然而,目前仍缺乏有效的手段来测量混凝土的内部应变状态。目前,大多数研究都是埋葬智能水泥或聚合物结构,只能获得应变数据块在一个方向。然而,混凝土结构内部的应力状态是复杂的,很难得到准确的结果从一维传感器。因此,有必要开发一种新的传感器可以测量三维应变。

4所示。原理和设计的3 d接线盒

4.1。原则的3 d接线盒

在混凝土的应变下3 d状态可以被三个正常菌株和三个剪切应变,如图5。如果点的应变状态在图5 (b)是 ,根据应变理论,线性应变在任何方向可以表示为(26- - - - - -28] 在哪里 , ,和方向余弦的行吗在 - - - - - -, - - - - - -,和 - - - - - -轴,分别线之间的角度吗和 - - - - - -轴,之间的角 - - - - - -轴上的投影线在平面 。

为选定的方向,和已知量呢 , ,和可以通过方程(3)- (5)。因此,对于方程(2),为了解决六个未知变量 ,至少六个不同的线性菌株在这一点上需要知道。在理论上,可以有多个布局几个应变仪形成3 d接线盒。图6显示了一个示例的结构三维应变花。E1-E6六传感元素(SE)通过点 。

如果E1-E6的菌株( ),以下可以得到方程(2):

设置

然后 在哪里 , 。

表3的方向余弦六传感元素在图6。从方程(7),它可以获得如下:

然后

4.2。设计和制造的3 d接线盒

三维应变传感器基于RGO-CNF / WEP复合也是伪造的。图7展示了三维应变传感器的制造工艺。使用WEP的良好可塑性,六槽被保留的布局图6当形成一个WEP多维数据集的大小 。形成的凹槽被强烈吸引的磁条设计模具的位置。凹槽的大小 。然后,RGO-CNF / WEP复合填充槽。复合材料固化后,形成六个传感元素。复合可以联合使用WEP立方体这确保传感元素和立方体一起变形。最后,一个WEP层约1毫米厚的涂层表面的立方体。环氧防护层具有良好的耐腐蚀性能和防水性能,可防止内部传感元素的伤害。它避免了外部环境对传感器的影响,确保传感器的稳定性能。

4.3。误差分析

的总误差传感器包括系统误差和随机误差。存在的错误,在测量之前,总是会影响测量结果的准确性的必然性,是系统的错误,例如,错误角度偏差引起的传感元素之间的三维应变仪。如果每个传感元件的系统误差 ,应变组件的系统误差可以得到如下: 在哪里矩阵的值吗在一行和列 。

当重复测量相同的传感器进行以同样的精度,得到一系列不同的结果,与实际值偏差随机错误。如果每个传感元件的随机误差 ,应变分量的随机误差可以得到如下:

5。性能测试和分析的三维应变传感器

5.1。测试的3 d接线盒

因为良好的线性度和灵敏度高的B6/2 RGO-CNF / WEP复合,这是选择制造SEs的三维应变传感器。如图8,准备传感器的性能进行了测试。轴向压力被应用压力测试机(tya - 300 b,无锡Xinluda仪器设备,中国),加载速度是0.5毫米/分钟。两个聚四氟乙烯薄膜放置在机器的上、下表面减少传感器和机器之间的摩擦。SEs的电阻是衡量DMM6500源表。垂直应变仪(VSG)和横向应变仪(次数)连接到传感器的一边,和一个静态电阻应变仪(JM3841,扬州郭敬明科技有限公司,中国)被用来测量垂直和横向VSG菌株和次数。在加载过程中,位移、电阻和应变同步收集每10秒60秒。接线盒的坐标系统设置如图6。

图9(一个)随着时间的推移显示SEs的阻力。SEs略有不同的初始电阻由于制造的差异。GF示例B6/2 34, E3的压力可根据方程(1),如图9 (b)。的垂直位移传感器是一样的乐器。然后,位移转化为应变(VDS)及其随时间变化如图9 (b)。VSG的应变也显示在图9 (b)。我们可以看到在图9 (b)VDS VSG,和几乎一致,而E3的线偏离他们但具有相同的趋势。可以推断,VSG的压力接近真正的垂直压力,而紧张的E3需要修改。菌株的E1, E2, E4从他们的抗性由方程(1)如图9 (c)。的压力次数也显示在图9 (c)。他们都代表的横向应变传感器。菌株的E1, E2和E4接近,但他们已经偏离的次数。它类似于垂直应变分析。测量菌株之间的差异造成的SEs和应变仪主要由GF值用于计算应变电阻。这是因为shape-dependent女友复合。SEs的length-thickness比率是不同的与测试标本。所以 不是真正的价值( )SEs。根据方程(1),计算出应变的比值( )真正的应变( )如下:

VSG的菌株和次数可以视为真正的压力,和它们的值可以用来修改SEs的女朋友。在数据8(b)和8(c)、VSG的次数,和SEs几乎线性变化,和表4显示相应的数据拟合线的斜率。根据方程(14), 。此外,从表中可以看出,VSG次数的比率是0.385,这是符合泊松比的WEP矩阵(0.39,公司提供的材料)。

图9 (d)使用修改后的显示SEs的应变计算 。图10显示了3 d点的应变状态根据方程(SEs应变的计算10)。可以看出,纵向和横向的点配合VSG和次数,其剪切应变非常小,相对。测量三维应变点的状态符合其实际的应变状态,验证的正确性和可行性三维应变传感器。

5.2。测试的三维应变花嵌在混凝土中

测试性能的3 d接线盒在混凝土应变监测、棱镜的大小 使用C30混凝土倒(标准轴向抗压强度的价值吗 )。3 d接线盒是嵌入在棱镜,及其表面抛光,以便它可以债券与混凝土。标准养护后,加载测试在棱镜上执行了一个压力测试机(帕- 600,上海华龙测试仪器,中国)。垂直应变仪(V1)和横向应变仪(T1)粘贴棱镜的一侧。垂直地带电影(V2)和横条电影(T2)由B6/2复合应用于对边。传感器布置和负载测试图所示11。轴向压力逐步应用和卸载后一步一步达到预定值。两次装货。图12显示了加载历史。JM3841静态电阻应变仪是用来测量压力的三维应变和应变仪。修改后的 是用于3 d接线盒。

数据(13日)和13 (c)显示SEs的菌株的3 d接线盒。数据13 (b)和13 (d)显示V1的菌株,T1, V2, T2。两个加载过程中,纵向应变,应变的E3 L1的接近,而对于横向应变,株E1, E2和E4接近T1。这表明有一个很好的纽带SEs和3 d之间的WEP矩阵和接线盒和混凝土。所以他们可以同步变形。

根据方程(2),3 d点的应变状态在混凝土,在图所示14。可以看出三个正常菌株都接近相应的L1和菌株T1,和三个剪切应变很小,这与实际的一致点的应变状态 。但也有一些微小的差异,可能是由于以下原因:(i)混凝土是不完全的均质材料的应力转移并非完全一致。(2)在制造业有错误,如在SEs之间的角度和尺寸偏差。也有在接线盒的放置角度偏转。(3)矩阵材料的泊松比(0.39)的应变花不同于混凝土(0.19)。这将导致不同的变形SE嵌在混凝土应变花时。然而,由于大长细比的SE, SE的宽度方向的变形长度方向的变形的影响不大。

从两个加载过程,第一次加载的压力很小,混凝土在弹性变形阶段,应力-应变关系接近一条直线,和应变几乎恢复卸载后为零;第二次加载的压力较大,微裂隙扩展,卸载后塑性应变。这是符合三维应变花测量结果,这表明三维应变花可以用来测量混凝土的内部压力。此外,L1的菌株和T1接近L2和T2的菌株,分别。它表明,复合膜还可以用于测量混凝土表面应变。

6。结论

改性高分子材料的压阻效应可以用来准备新的混凝土结构健康监测传感器。基于应变理论,设计、制备三维应变传感器使用RGO-CNF / WEP复合材料在混凝土结构获得的菌株。首先,复合制备使用RGO作为导电填料,CNF分散剂和结构框架,和WEP聚合物矩阵。这时,一个WEP立方和六槽被保留在其成立六个不同的方向。随后,RGO-CNF / WEP复合填充凹槽形成六维传感元素。最后,一个立方体表面涂层和保护层三维应变花完了。纳米材料RGO, CNF高强度和模量形成一个稳定和连续的三维强化和导电网络的WEP矩阵,大大提高了机械和电气性能的复合材料。复合材料的GFs 16-52,比传统金属应变仪的女朋友。在应变4%,复合材料的传感性能稳定和良好的线性度和重复性。三维应变测试,测量压力接近实际的应变测量的状态点。 The RGO-CNF/WEP composite has excellent mechanical and piezoresistive properties, which enable the fabricated 3D strain rosette to be used as an embedded sensor to measure the internal strain of concrete structures accurately. Moreover, the composite with good plasticity also can be made into film sensors to replace the traditional metal or semiconductor strain gauges for strain measurement on concrete surface.

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(项目号。51778628和51778628)。