CN101428993A - 光纤智能透明混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种智能透明混凝土及其制备方法。本发明透明混凝土基于大直径塑料光纤良好的透光性能、延性以及柔韧性和光纤传感器良好的感知特性等优点，将一定量的大直径塑料光纤和光纤传感探头(光纤光栅或光纤)布设于普通混凝土结构中实现混凝土的透光性和感知性。该新型混凝土材料既能很好的透射不同波段的可见光和红外光，大大节约了普通照明损耗，也能提供良好的应变感知性能，可结构安全评定提供全面和直接的信息。该智能混凝土适于美学(艺术)建筑、节能建筑以及安全等级要求较高的特殊结构。具体地说提供了一种具有美观、透明、环保以及感知等特性的透明混凝土材料。

Description

光纤智能透明混凝土及其制备方法
(一)技术领域
木发明涉及结构损伤监测和功能型建筑材料，具体涉及一种建筑用混凝土。
(二)背景技术
近年来，节约能源、保护环境已成为世界各国共同关注的问题，建筑节能已成为了全球建筑界的共识。随着科学技术发展和经济动力促进下世界各国出现了众多鳞次栉比的高层与超高层建筑以及地下建筑，这些建筑，尤其是地下建筑基本上依靠人工照明来维持室内环境光亮，极大消耗了能源。我国建筑耗能占到世界建筑总耗能的25％，其中因为照明消耗的电力资源占电力使用的13％。目前节能建筑的关注焦点主要集中在于室内热环境方面，而在建筑光环境设计方面国际上研究较少，从结构材料本征特性改性方向尚处于起步阶段。
光纤由于其良好的导光性能，被广泛应用于通信和传感领域。目前光纤传感元件由于其抗电磁干扰、尺寸小、分布式测量、耐腐蚀、绝对测量等优点，是结构长期健康监测的首选敏感元件。为了充分利用太阳能，减少照明所需的电能，光纤良好的传光性能也逐渐被建筑学家所关注。2001年，匈牙利建筑学家Aron Losonczi首次提出了透明混凝土的概念，并在2003年应用普通光纤成功研制了透光的混凝土(Litracon)。但是由于他采用的石英光纤纤细轻柔，难以达到表面平整和布设困难，大部分光纤满足不了光导数值孔径要求，所以传光率较低；此外，他没有从智能特性上挖掘光纤的感知特性。塑料光纤具有变形量大(大于15％)、传感器制作方便、布设不易损坏等优点，越来越得到关注，已成为热点研究技术。结合光纤的导光性能和感知性能，将大直径塑料光纤(直径为1-3mm)和少量的光纤光栅或光纤布设于混凝土中，研制开发具有良好透光性和感知性的智能透明混凝土，大直径塑料光纤具有良好的透光性和延性，光纤光栅或光纤作为感知元件，可以对混凝土结构进行局部高精度或全尺度应变、温度监测。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种集节能与感知于一体，将大直径塑料光纤和光纤或光纤光栅感知元件埋入混凝土中，具有透光性、美观、环保节能以及本征感知等特性的光纤智能透明混凝土。
本发明的目的是这样实现的：它包括埋入混凝土中的大直径塑料光纤和传感探头，大直径塑料光纤纤芯为聚合物材料，数值孔径大于普通光纤，受光角达60°，传感探头采用光纤或光纤光栅作为敏感元件。
本发明还有这样一些技术特征：
1、所述的传感探头采用布里渊光纤探头。
本发明光纤智能透明混凝土的制备方法为：在浇注混凝土构件前，根据透光率在混凝土模板中预先埋入一定量的塑料光纤，在结构的易损点或受力最不利位置布设高精度的光纤光栅或全尺度光纤传感器，通过大直径塑料光纤达到良好的透光性，通过光纤或光纤光栅传感探头对结构进行全尺度或局部高精度应变/温度监测，实现结构损伤定位和定量，为结构长期健康监测和安全评定提供直接、可靠的信息。
本发明主要包括以下特点：1)采用大直径塑料光纤(Plastic Optical Fiber，简称POF)，其纤芯为聚合物材料，数值孔径大于普通光纤，受光角高达60°，因此塑料光纤具有透光性能好、延性大、柔韧性好等优点，特别适于粗放式的环境，如抵抗混凝土振捣能力，混凝土结构大变形(如大裂缝)；2)采用光纤或光纤光栅作为敏感元件，光纤传感器具有纤细轻柔、体积小、耐潮湿、传输距离长以及绝对测量等优点，其中光纤光栅具有局部高精度测量的特点，光纤传感具有全尺度，较低精度测量的特点，两者结合可以实现结构局部高精度损伤定位定量和全尺度定位和较低精度定量分析，此外光纤传感元件同样具有透光性能。
本发明的有益效果在于：
1、将大直径塑料光纤和光纤传感探头(如光纤光栅或布里渊光纤探头)，埋入混凝土中，形成具有良好透光性和感知功能的新型混凝土材料，是一种具有环保、美观、感知等特性的智能透明混凝土；
2、在混凝土中布设一定量的大直径塑料光纤，克服混凝土粗放式的施工环境，利用塑料光纤良好的透光性能和延性以及柔韧性等特点，实现混凝土透光功能，满足结构在大变形或大裂缝环境下的透光性；
3、利用抽管法布设光纤传感器，布设时采用高强度毛细金属管保护光纤传感器，实现透明混凝土的本征感知功能；
4、传感光纤可以选用布里渊光纤或光纤光栅，利用光纤感知元件对结构进行应变/温度监测，为结构损伤监测和评价提供基础。
本发明提供的是一种具有美观、环保、良好透光和感知等特性的新型智能透明混凝土。透明混凝土基于大直径塑料光纤良好的透光性能、延性以及柔韧性和光纤传感器良好的感知特性等优点，将一定量的大直径塑料光纤和光纤传感探头(光纤光栅或光纤)布设于普通混凝土结构中实现混凝土的透光性和感知性。该新型混凝土材料既能很好的透射不同波段的可见光和红外光，大大节约了普通照明损耗，也能提供良好的应变感知性能，可结构安全评定提供全面和直接的的信息。该智能混凝土适于美学(艺术)建筑、节能建筑以及安全等级要求较高的特殊结构。具体地说提供了一种具有美观、透明、环保以及感知等特性的透明混凝土材料，本发明还包括综合大直径塑料光纤和光纤光栅或光纤感知元件的智能透明混凝土的制作工艺。
(四)附图说明
图1为“L”型光纤智能透明混凝土模型和光纤布设示意图；
图2为图1“L”型试件剖面图；
图3为立方体光纤智能透明混凝土模型和光纤布设示意图；
图4为图3立方体试件剖面图
图5为光纤传感器(光纤或光纤光栅)埋入混凝土的工艺流程示意图；
图6为抽管法光纤传感元件(光纤或光纤光栅)布设示意图。
(五)具体实施方案
下面结合附图对本发明的实施方案做具体的描述：
结合图1和图2，附图中：1-塑料光纤，2-光纤光栅或光纤传感器，3-混凝土，4-“L”透明混凝土试件，5-透明混凝土立方体标准件，6-模具，7-高强度钛合金毛细管。
根据预定光纤总面积和混凝土试件横截面面积的比值5％以下，在混凝土模板中布设大直径塑料光纤1，塑料光纤均匀布设，塑料光纤用多孔不锈钢钢板定位；在构件的易损位置或应力热点位置布设光纤传感元件2：局部高精度光纤光栅或全尺度光纤传感探头；浇注混凝土成型，通过光纤光栅和光纤传感探头结构沿传感探头位置的应变进行全尺度监测，实现结构损伤定位和较低精度定量，同时对结构易损位置高精度准确定量测量。
结合图3，智能透明混凝土的制作工艺流程为：依据塑料光纤和混凝土横截面的面积比以及塑料光纤的直径制作相应的不锈钢带孔钢板(模具6钻孔)；在混凝土模板中布设塑料光纤，塑料光纤通过带孔钢板定位(塑料光纤布设)；浇注部分混凝土，振捣使混凝土密实(混凝土轻微振捣)；在待监测的易损部位或应力热点位置布设光纤传感探头(光纤光栅或光纤)，由于玻璃光纤传感探头抗剪差，布设前用高强度钛合金毛细管7保护，即把光纤传感探头穿入毛细管中，埋入混凝土中(金属导管7置于模具6)；浇注全部混凝土，振捣使混凝土密实(全部混凝土浇注)；抽出毛细管(抽出金属管)。
图4为抽管法光纤传感探头的布设工艺示意图，结合图3和图4，智能透明混凝土制备的时候，光纤传感器套上大小合适、强度很高的金属导管，将光纤与导管一起埋入混凝土结构的待测部位，导管口伸出混凝土表面一定长度。混凝土经捣实以后，在混凝土还没有固结前，再将金属导管小心取出(抽管法)。抽管法可能出现的问题有三个：一是可能在振捣过程中造成金属导管变形，导致光纤光栅偏离预先设定的位置，甚至折断；二是金属导管抽出后，水泥浆在回填过程中出现离析现象，导致只有水流入孔内，无法保证光纤光栅与水泥浆的协同变形，即出现滑移现象；三是金属导管的内外表面必须很光滑，否则无法对传感器定位，甚至在抽管过程中将传感器带出构件。为避免以上问题，金属导管材料的选择与加工很重要，必须保证1)材料具有足够的刚度；2)尺寸在满足光纤光栅穿过的条件下，尽量小；3)在保证加工精度的条件下，涂上少量的润滑油(金属导管涂润滑油)。

Claims (4)

1、一种光纤智能透明混凝土，其特征在于它包括埋入混凝土中的大直径塑料光纤和传感元件，光纤总面积和混凝土试件横截面面积的比值不大于5％，大直径塑料光纤纤芯为聚合物材料，数值孔径大于普通光纤，受光角达60°，传感元件采用光纤或光纤光栅。
2、根据权利要求1所述的一种光纤智能透明混凝土，其特征在于所述的传感探头采用局部高精度光纤光栅或全尺度布里渊光纤探头。
3、一种光纤智能透明混凝土的制备方法，其特征在于制作工艺流程为：在浇注混凝土构件前，根据透光率在混凝土模板中预先埋入大直径塑料光纤，光纤总面积和混凝土试件横截面面积的比值不大于5％，塑料光纤均匀布设，采用多孔不锈钢钢板定位；在构件的易损位置或应力热点位置布设光纤传感元件，浇注混凝土成型。
4、一种光纤智能透明混凝土的制备方法，其特征在于制作工艺流程为：依据塑料光纤和混凝土横截面的面积比以及塑料光纤的直径制作相应的不锈钢带孔钢板；在混凝土模板中布设塑料光纤，塑料光纤通过带孔钢板定位；浇注部分混凝土，混凝土轻微振捣；在待监测的易损部位或应力热点位置布设光纤传感探头，由于玻璃光纤传感探头抗剪差，布设前用高强度钛合金毛细管保护，即把光纤传感探头穿入毛细管中，埋入混凝土中；浇注全部混凝土，全部混凝土浇注；抽出毛细管。
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