一種混凝土結(jié)構(gòu)物應(yīng)力應(yīng)變傳感器及其監(jiān)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于土木工程領(lǐng)域，具體涉及一種混凝土結(jié)構(gòu)物應(yīng)力應(yīng)變傳感器及其監(jiān)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在土木工程領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)對(duì)結(jié)構(gòu)物破壞預(yù)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警等具有十分重要的意義，對(duì)結(jié)構(gòu)物的維修養(yǎng)護(hù)具有指導(dǎo)作用。
[0003]混凝土材料是當(dāng)今使用最為普遍和廣泛的建筑材料。混凝土材料具有高強(qiáng)度、高模量、高耐久性等優(yōu)點(diǎn)，在土木工程各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。而混凝土作為一種脆性材料，其破壞具有突變性，這使得其破壞具有不可預(yù)測(cè)性，易造成大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因而對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)物，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)尤為重要。目前常見(jiàn)的做法是在混凝土結(jié)構(gòu)物中預(yù)埋傳感器，例如電磁致伸縮材料傳感器、光纖傳感器等，這類(lèi)傳感器的缺點(diǎn)是壽命短、抗干擾能力差、造價(jià)高且植入在混凝土結(jié)構(gòu)物中后成活率較低。此外，這類(lèi)材料一般與混凝土結(jié)構(gòu)物相容性不高，因而會(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu)物自身的性能。
[0004]在混凝土結(jié)構(gòu)物中，也有采用水泥基材料作為基體的機(jī)敏材料來(lái)制作傳感器，這種傳感器的缺陷在于:水泥基材料本身由于水分散失等問(wèn)題會(huì)致使基體產(chǎn)生收縮裂縫從而導(dǎo)致基體內(nèi)部缺陷，降低傳感器的品質(zhì);采用水泥基材料制作傳感器需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的養(yǎng)護(hù)，周期較長(zhǎng)，使用不便；由于水泥基材料基體存在由水分蒸發(fā)產(chǎn)生的毛細(xì)孔以及內(nèi)部缺陷，其電阻率易受到水分的影響，傳感器存在穩(wěn)定性問(wèn)題。
[0005]而采用機(jī)敏材料與樹(shù)脂基體組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)作為傳感器，由于構(gòu)造復(fù)雜，制作繁瑣，不利于傳感器的推廣使用。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)中，一般常將導(dǎo)電填料加入到環(huán)氧樹(shù)脂等聚合物中以改善其導(dǎo)電性能，在惡劣環(huán)境下，這種復(fù)合材料可作為金屬材料的替代品，既能起到導(dǎo)電作用，又能抵抗各種環(huán)境的侵蝕作用。在土木工程領(lǐng)域，常采用環(huán)氧樹(shù)脂作為結(jié)構(gòu)粘接材料或者各種涂層，而這種由導(dǎo)電填料和環(huán)氧樹(shù)脂組成的導(dǎo)電填料在土木工程領(lǐng)域中應(yīng)用較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種混凝土結(jié)構(gòu)物應(yīng)力應(yīng)變傳感器及其監(jiān)測(cè)方法，該傳感器性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長(zhǎng)、與混凝土結(jié)構(gòu)物相容性好、制作簡(jiǎn)單、造價(jià)低、埋設(shè)簡(jiǎn)便、成活率高。本發(fā)明采用環(huán)氧樹(shù)脂作為基體材料，相比于水泥基基體材料的有點(diǎn)在于固化迅速，強(qiáng)度形成時(shí)間快，無(wú)需長(zhǎng)時(shí)間養(yǎng)護(hù)，且基體材料本身不含毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)，因此不受水分的影響;本發(fā)明所提供的傳感器基體由整塊機(jī)敏材料構(gòu)成，避免了復(fù)合結(jié)構(gòu)造成的構(gòu)造復(fù)雜以及制作繁瑣的問(wèn)題。本發(fā)明中利用環(huán)氧樹(shù)脂-導(dǎo)電填料復(fù)合材料的機(jī)敏性，將其作為一種傳感器，引用到土木工程領(lǐng)域，用以監(jiān)測(cè)各種土木結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，為環(huán)氧樹(shù)脂材料在土木工程領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了一條新思路。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0009]—種混凝土結(jié)構(gòu)物應(yīng)力應(yīng)變傳感器，包括環(huán)氧樹(shù)脂機(jī)敏材料基體，所述環(huán)氧樹(shù)脂機(jī)敏材料基體內(nèi)部按設(shè)定間距布設(shè)若干內(nèi)置電極，內(nèi)置電極與環(huán)氧樹(shù)脂機(jī)敏材料基體的受力面相平行，環(huán)氧樹(shù)脂機(jī)敏材料基體表面均勻包裹有外部封裝層;所述內(nèi)置電極與外接導(dǎo)線連接，外接導(dǎo)線延伸至外部封裝層外部。
[0010]所述內(nèi)置電極為金屬絲縱橫垂直交錯(cuò)布置形成的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu);采用這種網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)置電極便于制作，且埋設(shè)方便。環(huán)氧樹(shù)脂與大多數(shù)金屬之間具有較好的粘結(jié)強(qiáng)度，采用金屬絲制成網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)作為電極有利于傳感器的整體性。
[0011 ]所述內(nèi)置電極的橫向金屬絲之間的間距與豎向金屬絲之間的間距相等。
[0012]優(yōu)選的，所述內(nèi)置電極的橫向金屬絲之間的間距為2?15mm;間距太大會(huì)降低電極的有效性，間距太小會(huì)導(dǎo)致傳感器內(nèi)部出現(xiàn)斷層，影響傳感器的性能。
[0013]優(yōu)選的，所述內(nèi)置電極的豎向金屬絲之間的間距為2?15mm;間距太大會(huì)降低電極的有效性，間距太小會(huì)導(dǎo)致傳感器內(nèi)部出現(xiàn)斷層，影響傳感器的性能。
[0014]組成所述網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)的金屬絲的直徑為O?Imm;金屬絲過(guò)粗易影響傳感器的性會(huì)K。
[0015]所述外接導(dǎo)線包括金屬絲導(dǎo)線，所述金屬絲導(dǎo)線外部包裹有絕緣層。
[0016]所述環(huán)氧樹(shù)脂機(jī)敏材料基體由環(huán)氧樹(shù)脂和納米導(dǎo)電填料的混合物制成;納米導(dǎo)電填料可采用碳納米管以及石墨烯，采用納米導(dǎo)電填料能夠提高環(huán)氧樹(shù)脂基體的性能。納米導(dǎo)電填料與環(huán)氧樹(shù)脂的比例關(guān)系要根據(jù)所采用環(huán)氧樹(shù)脂以及納米導(dǎo)電填料的種類(lèi)進(jìn)行選用，例如對(duì)于雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂以及多壁碳納米管，導(dǎo)電填料與環(huán)氧樹(shù)脂一般采用0.5:100?10:100的比例。
[0017]所述外部封裝層由不含導(dǎo)電填料的環(huán)氧樹(shù)脂固化物制成;外部封裝層的環(huán)氧樹(shù)脂以及固化劑采用與環(huán)氧樹(shù)脂機(jī)敏材料基體同樣的材料類(lèi)型以及混合比例，以保證整個(gè)傳感器的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。
[0018]一種混凝土結(jié)構(gòu)物應(yīng)力應(yīng)變傳感器的監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟:
[0019]步驟1:對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂機(jī)敏材料基體的機(jī)敏性進(jìn)行測(cè)試，得出應(yīng)力應(yīng)變傳感器電阻的變化率與應(yīng)力應(yīng)變傳感器受到應(yīng)力和應(yīng)變的定量關(guān)系；
[0020]步驟2:確定混凝土結(jié)構(gòu)物中需要監(jiān)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變的位置；
[0021]步驟3:根據(jù)監(jiān)測(cè)范圍和監(jiān)測(cè)要求，確定應(yīng)力應(yīng)變傳感器的尺寸及內(nèi)置電極的結(jié)構(gòu)形式；
[0022]步驟4:將應(yīng)力應(yīng)變傳感器埋設(shè)于混凝土結(jié)構(gòu)物中，確保應(yīng)力應(yīng)變傳感器受力良好；
[0023]步驟5:采集應(yīng)力應(yīng)變傳感器內(nèi)置電極之間的電阻值，通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變傳感器電阻的變化率對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)物內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
[0024]所述步驟3的具體步驟為:
[0025]根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)物中需要監(jiān)測(cè)的范圍確定應(yīng)力應(yīng)變傳感器的外形尺寸，所選外形尺寸要保證不影響混凝土結(jié)構(gòu)物本身的整體性；
[0026]根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)物的監(jiān)測(cè)要求及應(yīng)力應(yīng)變傳感器的外形尺寸，確定內(nèi)置電極的布設(shè)層數(shù)以及內(nèi)置電極之間的布設(shè)間距；
[0027]所述步驟4的具體步驟為:
[0028]對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)物進(jìn)行卸載和支護(hù)，保證混凝土結(jié)構(gòu)物處于零外荷載的狀態(tài)下；
[0029]在混凝土結(jié)構(gòu)物的監(jiān)測(cè)位置按照應(yīng)力應(yīng)變傳感器的外形尺寸以及受力方向進(jìn)行開(kāi)槽，應(yīng)力應(yīng)變傳感器與開(kāi)槽的槽壁之間留有間隙;開(kāi)槽的位置要保證精確，以保證應(yīng)力應(yīng)變傳感器能夠良好受力;開(kāi)槽的大小要保證傳感器能夠埋入，并留有空隙，以便傳感器與混凝土結(jié)構(gòu)物的粘接；
[0030]配制環(huán)氧樹(shù)脂膠，并將環(huán)氧樹(shù)脂膠涂抹于開(kāi)槽的內(nèi)表面;所涂膠量要保證傳感器與混凝土結(jié)構(gòu)物的結(jié)合之間不留空隙；
[0031]將應(yīng)力應(yīng)變傳感器按照受力方向，外接導(dǎo)線所在面朝外，嵌入開(kāi)槽內(nèi)，使應(yīng)力應(yīng)變傳感器與開(kāi)槽之間不留空隙；保證傳感器按預(yù)定位置準(zhǔn)確埋入，并使傳感器被環(huán)氧樹(shù)脂膠充分包裹
[0032]待環(huán)氧樹(shù)脂膠完全凝固且達(dá)到強(qiáng)度要求后，去除混凝土結(jié)構(gòu)物的支護(hù)。
[0033]本發(fā)明的工作原理為:
[0034]環(huán)氧樹(shù)脂本身是一種熱塑性低聚物，性能較差，但與固化劑進(jìn)行固化反應(yīng)形成三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)后可呈現(xiàn)一系列優(yōu)異的性能。環(huán)氧樹(shù)脂固化后具有優(yōu)良的力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性以及耐久性，能夠抵抗各種酸、堿、溶劑以及霉菌的侵蝕作用，而且這種環(huán)氧樹(shù)脂固化物能夠通過(guò)摻入增塑劑、增韌劑等進(jìn)行改性，因而與很多不同力學(xué)性能的的建筑材料都具有很好的相容性。環(huán)氧樹(shù)脂固化物與混凝土材料具有很好的相容性。
[0035]將碳納米管、納米石墨烯等導(dǎo)電材料摻入并分散于環(huán)氧樹(shù)脂(可采用雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂)中，并采用固化劑(可采用多元胺類(lèi)固化劑)進(jìn)行固化所得到的復(fù)合材料具有較好的導(dǎo)電性和機(jī)敏性，將其作為傳感器，并植入混凝土結(jié)構(gòu)物內(nèi)部能夠很好地感應(yīng)結(jié)構(gòu)物內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變的變化，可作為混凝土結(jié)構(gòu)物健康監(jiān)測(cè)的一種傳感器。這種傳感器既具有常規(guī)傳感器的感應(yīng)能力，又與混凝土結(jié)構(gòu)物有很好的相容性，并且具有很好的力學(xué)性能，耐久性好，性能穩(wěn)定，造價(jià)低，因而可作為混凝土結(jié)構(gòu)物中一種很好的應(yīng)力應(yīng)變傳感器，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的狀況。
[0036]本發(fā)明的有益效果為:
[0037]1、本發(fā)明傳感器與混凝土結(jié)構(gòu)物具有很好的相容性，能夠與混凝土結(jié)構(gòu)物共同工作。
[0038]2、本發(fā)明傳感器性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，植入存活率高，能用來(lái)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)物內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變狀況。
[0039]3、本發(fā)明傳感器制作靈活簡(jiǎn)便，可根據(jù)監(jiān)測(cè)要求靈活調(diào)整傳感器的外形以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，適用性較強(qiáng)。
[0040]4、本發(fā)明傳感器埋設(shè)簡(jiǎn)單，易于使用。
[0041 ] 5、本發(fā)明傳感器成本較低，有益于推廣使用。
【附圖說(shuō)明】
[0042]圖1