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题目：
雅宝题库答案：
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雅宝题库解析：
建筑结构的使用寿命长达百年，一旦发生破坏会造成巨大的生命、财产损失，因此人们希望用监测装置对建筑结构的耐久性进行在线实时监测，以实现对建筑结构寿命的预测和破坏前的报警。建筑物超长的使用寿命对应用于建筑结构的监测装置的耐久性提出了较高的要求。用具有一种或几种机敏特性的建筑材料制成传感器埋入结构中，配合外部装置可以监测结构的受力状态、耐久性，预测结构的破坏。水泥是主要建筑材料混凝土的重要组成部分，其耐久性与建筑结构相当，以水泥基为载体的机敏材料制成传感器后能与结构较好的结合并长期服役于结构之中，因此基于水泥基进行研究的机敏材料受到了学者们的关注。石墨作为颗粒类碳质导电相材料之一，工业制备方法简单，造价低廉。将石墨掺入水泥基材料可形成具有机敏特性的石墨水泥基材料，显示出一定的压敏特性，即材料的阻抗在受压过程中随着应力状态、应力水平的不同会产生相应的变化。低掺量石墨水泥基材料的强度与水泥材料接近，适于制成传感器进行实际应用。 石墨水泥基材料的制备方式为先用减水剂将石墨分散在水中，再以此混合液代替水按水泥胶砂的制备方法制备石墨水泥基材料。随着石墨掺量的增加材料的强度会产生下降。试验表明，石墨掺量大于5%（本文中无特殊说明时石墨掺量均表示占水泥质量分数）后材料的强度大幅下降。当砂率、水灰比相同时，石墨掺量为9%的试样强度仅为水泥胶砂试样的40%左右；石墨掺量为3%时材料的压敏特性较明显且强度满足使用要求，因此综合压敏特性与强度因素考虑，本文选定以石墨掺量3%、砂率2.5 、水灰比0.5 为配比制备试样进行压敏特性的研究。 低掺量石墨水泥基材料制成传感器后阻抗较大，给测量工作带来一定的困难。目前常用的测量水泥基材料阻抗的方法有“万用表直接测量法”和“伏安法”，两种方法各有优劣。万用表直接测量法操作简便，但准确性差；伏安法测量结果较准确，但操作复杂，不易于实际应用。因此需要设计一种简单实用的测量方法对大阻抗的传感器进行实时监测并且能准确反映其阻抗变化。这涉及到测量方法本身和电极数量、电极形式的确定。作者设计交流分压电路法对预埋两个铜电极的试样进行阻抗的测量，利用串联电路分压原理测量电路中分压电阻的电压，而后计算出待测试样的电阻。分压电路法在测量中只使用一个仪表，简化了操作，消除了多块仪表因读数不同步而造成的误差；通过对分压电阻的阻值进行调节，可以让测量读数在不同的范围内进行调整，以适合不同量程的仪表，使测量工作得到简化并适用于实际工程。试验结果表明此方法不受测量通电时间的影响，通电20分钟的时间内得到的结果稳定，并且测量电压在0-20V之内变化时所测得的结果一致，具有较稳定的伏安特性。分压电路法的测量特点要求试样须采用两电极的形式，所以此方法主要用于测量试样的相对阻抗或反映试样阻抗的变化。 石墨水泥基材料除压敏特性外还显示出一定程度的seebeck效应，当材料两端存在温度差时，可测得材料两端的电动势随着温度的增加而增加。试验结果表明石墨掺量9%的试样在两端有温差时会产生较明显的电势差，并且电势差随着温差的升高而增大，约为1-4mV/℃。 石墨水泥基材料具有压敏特性，本文中对石墨掺量分别为0、1%、3%、5%、7%、9%的试样进行一次性破坏加载，试验结果表明少量石墨加入水泥基材料中后会引起材料在高应力下明显的压敏特性。石墨掺量为3%的试样在一次加载至破坏的过程中其阻抗呈现“三段式”的下降过程。当试样所受应力小于破坏应力的50%时，试样的阻抗在初始值附近处于波动状态，无明显变化；当试样所受应力处于破坏应力的约50%-80%之间时，其阻抗随压力的增大而发生缓慢平稳的下降；当试样所受应力处于破坏应力的约80%以上时，其阻抗随压力的增大发生明显迅速的下降。未加石墨的水泥胶砂试样无此现象，在加载的全过程中阻抗无明显变化。这说明少量石墨加入到水泥基材料中后，在低应力下没有引起明显的变化，但在高应力下产生了明显的压敏特性。这对于材料寿命预测与破坏前的报警十分有利。试样压敏特性的“三段式”变化规律与水泥基材料在加载过程中的损伤的发展与积累有相关性。 对低掺量石墨水泥基材料试样进行不同应力区间的循环加载试验，应力范围分别为0至破坏应力的50%以下、0至破坏应力的50%-80%和0至破坏应力的80%以上，试验结果表明在进行某些预加载后试样的阻抗不再随着应力的变化而变化，即试样的阻抗变化并不完全是对其所受应力变化的反映，而是始终与材料内部损伤的发展与积累状况相对应。无论压力（应力）如何变化，材料所经历的加载历史是什么，当材料内部有新的损伤发生时其阻抗会减小，内部无新损伤发生时其阻抗无明显变化。通过这一结论可对低掺量石墨水泥基材料制成传感器进行实际应用提出设计思路。 利用水泥材料的导电模型及相关试验可以建立起低掺量石墨水泥基材料的导电模型。交流阻抗谱试验结果表明低掺量石墨水泥基材料的导电模型与水泥材料的相似。在对低掺量石墨水泥基材料进行研究时，将水泥基材料包裹着的石墨颗粒假设为一复合晶粒。通过对处于不同应力水平下的试样进行交流阻抗谱的测定可以看到，材料的压敏特性产生的主要原因是其晶界容抗的变化，而晶界容抗的变化主要来自于材料内部损伤的积累，这使得材料的阻抗变化与其内部损伤建立了联系，即材料的压敏特性可以反映出材料内部的损伤情况。 |
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发表于 2022-8-29 18:57:10
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