CN101845814A - 具有自监测功能的复合材料智能锚具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有自监测功能的复合材料智能锚具及其制备方法，涉及新型建筑复合材料锚具和传感器技术领域。本智能锚具包括传感光纤(10)、锚杯(20)和夹片(30)；夹片(30)和锚杯(20)沿中轴线内外连接，在锚杯(20)和夹片(30)内分别埋设有传感光纤(10)。本智能锚具的制备方法是：①备模和备料；②将备料在树脂中浸透；③填模；④合模；⑤脱模打磨；⑥焊接传感光纤的连接端口。本智能锚具结构简单，制造成本低；在建筑结构施工中，安全可靠，耐久性好，灵活性强；用于预应力混凝土结构中预应力筋的锚固；广泛适用于房屋建筑、桥梁、地下结构、坑道、矿井、隧道、边坡等建筑中。
Description
技术领域
本发明涉及新型建筑复合材料锚具和传感器技术领域，尤其涉及一种具有自监测功能的复合材料智能锚具及其制备方法。
背景技术
传统的钢绞线锚具是用钢铁材料制成的；其缺点是容易锈蚀。
新型的FRP(Fiber Reinforced Polymer，纤维增强高分子材料)预应力筋材和绳材用于预应力混凝土，解决了锈蚀问题，其关键技术在于采用了同样不会锈蚀的FRP质锚具。《一种FRP制筋材锚具》(专利申请号：200920289624.4；专利申请日：2009年12月29日)满足了这方面的工程需求。
现有的预应力钢绞线挤压锚具和其它锚具，存在无法直接应用于预应力筋或绳索的锚具来检查和监测建筑结构的受力状况问题。
现阶段，应用较多的传统传感器有电阻应变片和震弦传感器，均属于外贴式传感器，它们除了在稳定性、耐久性及测量精度上远不能满足对锚具在工程结构中的受力状况进行长期在线监测的需要外，测试时传感器在复合材料锚具上的布设也很不方便，无法大规模应用于建筑结构的自监测与监控。
光纤智能型复合材料锚具传感器的出现为解决预应力工程结构锚具的长期监测问题提供了一种新的途径。它可以测量如应变、应力、温度、抗剪和抗压强度等很多物理量；与传统的电测式传感器相比，它有许多的优点：稳定性好、耐腐蚀、抗电磁干扰、不需对传感器施加电能、体积小、重量轻、精度高等。但是裸光纤和套管式光纤比较脆，极易折断，给布设带来了很大难题。为解决这一问题，如何在不改变光纤传感器优良的传感性能的前提下对光纤进行封装，同时又能方便地使用十分必要。国内外不少学者都对光纤传感器的封装技术做过研究，如将传感器封装于薄金属套管中或是埋于FRP片材层间，再粘贴在锚具上进行捡测，但封装后的传感器粘贴的牢固性、稳定性、耐久性还有待研究，生产工艺还不成熟，无法实现大规模的生产和使用。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种具有自监测功能的复合材料智能锚具及其制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
主要是将传感器和锚具融合为一体，达到既有锚固功能又有传感器功能的目的。
本智能锚具中因设置有分布式光纤作为传感器，使锚具成为一种智能锚具。该智能锚具不是简单的两种功能的复合，而是赋予锚具一种前所未有的功能。在这以前，只能采用附着式的检测，得到构件表面的物理参数。而本发明赋予构件感知内部应力、应变、温度等物理量的能力；而且，由于光线很细，在测量构件(锚具)内部物理量的时候，对内部物理场的影响甚微。这是传感器技术的一种新的突破。
具体地说，本发明包括智能锚具及其制备方法。
一、一种具有自监测功能的复合材料智能锚具(简称智能锚具)
本智能锚具包括包括传感光纤、锚杯和夹片；
夹片和锚杯沿中轴线内外连接，在锚杯和夹片内分别埋设有传感光纤。
二、一种具有自监测功能的复合材料智能锚具的制备方法(简称制备方法)
本制备方法包括下列步骤：
①备模和备料；
②将备料在树脂中浸透；
③填模；
④合模；
⑤脱模打磨；
⑥焊接传感光纤的连接端口。
本发明的工作原理：
因为是将传感光纤与碳纤维、玄武岩纤维无捻粗纱一起浸渍高强树脂后再挤压成型为复合材料锚具，传感光纤“埋入”于锚具的芯材中心，其中锚具两端预留出一定长度的光纤以备和外接光缆相连接，光缆成为测试仪器的连接线，这种传感光纤因为其布里渊散射或拉曼散射频率与温度或应变呈线性关系，所以可以通过检测散射光而测量温度或应力、应变等物理量，从而形成一种具有自监测、自诊断功能的智能型复合材料锚具。它具有优良的力学和传感性能，能够适应酸碱盐等各种恶劣环境条件。
本发明具有下列优点和积极效果：
①本发明具有锚具的承载能力，其本身具有较高的抗拉强度和抗压强度，又实现了预应力锚具的智能化，在施工和使用中可以对锚具部位进行实时监测和连续监视，达到便于检测、保证建筑物施工过程和使用阶段的安全，并在达到设计寿命以后，便于判断是否可以延长使用的目的。
②与粘贴电阻应变片和震弦传感器、光纤光栅传感器等相比，本智能锚具结构简单，制造成本低。
③在建筑结构施工中，安全可靠，耐久性好，灵活性强。
④用于预应力混凝土结构中预应力筋的锚固；广泛适用于房屋建筑、桥梁、地下结构、坑道、矿井、隧道、边坡等建筑中。
附图说明：
图1.1是本智能锚具的结构示意图(主视)；
图1.2是本智能锚具的结构示意图(右视)；
图2.1是锚杯的结构示意图(主视)；
图2.2是锚杯的结构示意图(右视)；
图3.1是夹片的结构示意图(主视)；
图3.2是夹片的结构示意图(右视)。
其中：
10-传感光纤；
20-锚杯；
30-夹片，31-螺纹。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明：
一、智能锚具
1、总体
如图1.1、1.2，本智能锚具包括包括传感光纤10、锚杯20和夹片30；
夹片30和锚杯20沿中轴线内外连接，在锚杯20和两个夹片30内分别埋设有传感光纤10。
2、功能部件
1)传感光纤10
如图1.1、1.2、2.1、2.2、3.1、3.2，所述的传感光纤(10)是一种经过标定的可根据其散射光进行测量的光纤；
传感光纤10以串联方式沿着轴向并随后呈螺旋状地粘贴在锚杯20的碳纤维布上；
传感光纤10以串联方式沿着轴向并呈直线地粘贴在两个夹片(30的碳纤维布上。
本传感光纤10作为智能锚具的传感器元件，是一种经过标定的可根据其散射光进行测量的光纤，它能与热固性树脂有很好的亲合力，将其浸渍热固性树脂后螺旋状地粘贴在锚杯20的碳纤维布上，或直线地粘贴在两个夹片30的碳纤维布上。
传感光纤10的两端留有接头，接头从锚具引出槽口处引出，套上1-2mm保护套，避免折断。
传感光纤10通过接头连接在光缆上，使用时可以将光缆接在光缆接线盒上，接线盒与光纤测试仪相连接。
2)锚杯20和夹片30
如图2.1、2.2，锚杯20是一种FRP外为圆柱内为圆锥的结构；
如图3.1、3.2，夹片30是一种FRP外为圆锥内为圆柱的结构，沿中心轴线一分为二，圆柱内设置有螺纹31。
锚杯20和夹片30均由碳纤维布、玄武岩纤维、玻璃纤维和热固性树脂复合而成，内、外层为碳纤维布作为增强材料，中层为玄武岩纤维和玻璃纤维起加筋作用；
重量百分比是：玄武岩纤维为25-35％，玻璃纤维为20-30％，碳纤维15-25，热固性树脂为20-30％；
光导纤维为1束。
(1)所述的碳纤维布是一种由12K碳纤维编织成的双向或单向布，与热固性树脂有很好的亲合力，能快速被复合成为智能锚具；
碳纤维布作为智能锚具的增强材料，按200克/M2将其浸渍热固性树脂后，粘贴在浸渍玄武岩纤维的外层上。
(2)所述的短切玄武岩纤维是13μm/2400tex，长度50-70mm。
(3)所述的短切玻璃纤维是2400tex，长度50-70mm。
短切玄武岩纤维和短切玻璃纤维都能与热固性树脂有很好的亲合力，将其浸渍热固性树脂后，填充在内外层碳纤维布之间作为锚具的骨架层增强材料。
(4)所述的热固性树脂同时起粘结和增强材料作用，如环氧树脂等。
二、制备方法
1、步骤①
所述的备模是按锚杯和夹片的结构形状制备锚杯模具和夹片模具；
所述的备料包括：传感光纤、碳纤维布、短切玄武岩纤维、短切玻璃纤维和中温固化的乙烯基环氧树脂(也可根据需要采用其它树脂)。
2、步骤②
所述的浸透是将传感光纤、碳纤维布、短切玄武岩纤维和短切玻璃纤维在中温固化的乙烯基环氧树脂中浸透。
3、步骤③
所述的填模是将各种浸透树脂的材料按照以下办法填入模具：
a、先填入少量短切纤维，短切纤维为总重量的20％到25％，其中玄武岩纤维占总纤维总重量的50％到90％；
b、随后敷设碳纤维布，再填充一层上述短切纤维，重复敷设达到4层以上；
c、在碳纤维布上粘贴传感光纤。
短切纤维采取杂乱取向，使锚具在各个截面都具有较强的抗拉、抗剪切强度；
传感光纤是先埋于构件内部，在使用中既可以避免损伤传感光纤，保证了检测的准确性、可靠性以及耐久性。
4、步骤④
所述的合模是在气动热压机上合模，施压20-100吨，加温110-135摄氏度，持续10-15分钟，以上三个参数视中温固化环氧树脂的技术指标而定。
模具的设计要使多余的树脂被挤出，成品中纤维总含量在85％以上。
5、步骤⑤
所述的脱模打磨是将锚杯和夹片脱模后打磨光滑，其中夹片需要一分为二锯开。
6、步骤⑥
所述的焊接传感光纤连接端口是用石英熔接机焊接传感光纤的连接端口，检验光纤通道，验证其光路畅通。
在产品上标明传感光纤的标定系数，做锚具的常规质量检验。
Claims (8)
1.一种具有自监测功能的复合材料智能锚具，其特征在于：
包括传感光纤(10)、锚杯(20)和夹片(30)；
夹片(30)和锚杯(20)沿中轴线内外连接，在锚杯(20)和两个夹片(30)内分别埋设有传感光纤10。
2.按权利要求1所述的智能锚具，其特征在于：
所述的传感光纤(10)是一种经过标定的可根据其散射光进行测量的光纤；
传感光纤(10)以串联方式沿着轴向并随后呈螺旋状地粘贴在锚杯(20)的碳纤维布上；
传感光纤(10)以串联方式沿着轴向并呈直线地粘贴在两个夹片(30的碳纤维布上。
3.按权利要求1所述的智能锚具，其特征在于：
锚杯(20)是一种FRP外为圆柱内为圆锥的结构；
夹片(30)是一种FRP外为圆锥内为圆柱的结构，沿中心轴线一分为二，圆柱内设置有螺纹(31)；
锚杯(20)和夹片(30)均由碳纤维布、玄武岩纤维、玻璃纤维和热固性树脂复合而成。
4.按权利要求1所述的智能锚具的制备方法，其特征在于包括下列步骤：
①备模和备料；
②将备料在树脂中浸透；
③填模；
④合模；
⑤脱模打磨；
⑥焊接传感光纤的连接端口。
5.按权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤③中，所述的填模是将各种浸透树脂的材料按照以下办法填入模具：
a、先填入少量短切纤维，短切纤维为总重量的20％到25％，其中玄武岩纤维占总纤维总重量的50％到90％；
b、随后敷设碳纤维布，再填充一层上述短切纤维，重复敷设达到4层以上；
c、在碳纤维布上螺旋状粘贴传感光纤。
6.按权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤④中，所述的合模是在气动热压机上合模，施压20-100吨，加温110-135摄氏度，持续10-15分钟。
7.按权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤⑤中，所述的脱模打磨是将锚杯和夹片脱模后打磨光滑，并将夹片一分为二锯开。
8.按权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤⑥中，所述的焊接传感光纤连接端口是用石英熔接机焊接传感光纤的连接端口，检验光纤通道，验证其光路畅通。
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