CN103399049B - 基于导电聚合物拉敏效应的混凝土开裂监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于导电聚合物拉敏效应的混凝土开裂监测方法，具体步骤为：步骤一：在导电聚合物表面涂上一层保护涂层；步骤二：测得导电聚合物的拉应变值与聚合物的电阻率的关系式，并测得的导电聚合物的拉应变值即为导电聚合物的容许拉应变值，步骤三：将导电聚合物和混凝土浇筑成所需要的形状，并从导电聚合物中引出导线；步骤四：引出的导线与电阻测量装置连接，实时采集导电聚合物的实际电阻值；步骤五：确定导电聚合物的实际拉应变值，并与导电聚合物容许拉应变值做比较，若导电聚合物的实际拉应变高于聚合物的容许拉应变，混凝土有开裂危险。使用本发明，具有加筋补强的作用，能有效地降低混凝土开裂的风险。

Description

基于导电聚合物拉敏效应的混凝土开裂监测方法

技术领域

本发明涉及一种基于导电聚合物拉敏效应的混凝土开裂监测方法，属于土木工程领域。

背景技术

混凝土作为工程施工中的一种重要材料可以应用于几乎所有建设项目中，但混凝土本身由于种种原因有发生开裂的风险，若作为结构物的混凝土一旦开裂，其承载力将迅速下降，继而引发断裂，导致建筑物破坏，造成巨大社会经济损失甚至引发生命危险。然而，混凝土的开裂是一个长时间的过程，实践表明只有混凝土内部损伤状态发展到一定程度时，开裂才会在表面显现出来，这样往往延误了修复和预警的最佳时机。因此，对混凝土的开裂进行监测具有重要意义。近年来,由高分子聚合物合成的土工材料(如土工格栅等),因其强度高、耐腐蚀、柔性大、运输方便等优点，被广泛应用于工程中。然而现今尚未有可以自检测的加固土工材料。本发明将基于导电聚合物的拉敏效应，提出一种混凝土变形分布式自检测技术。机敏导电聚合物强度高、柔性大、耐久性好、成本低，自检测技术不需要在材料内部埋入传感器，避免因为外部传感器的植入引起材料的强度和性能下降等现象，而且检测准确及时，性能稳定。本方案不仅具有重要的理论创新价值和工程意义，而且研究成果有着广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于导电聚合物拉敏效应的混凝土开裂监测方法，它具有为混凝土工程持久稳定设计及全寿命周期监测与预警提供理论依据与技术支持的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于导电聚合物拉敏效应的混凝土开裂监测方法，具体步骤为：

步骤一：在导电聚合物表面涂上一层保护涂层；

步骤二：测得导电聚合物的拉应变值与聚合物的电阻率的关系式为：当导电聚合物的电阻率不再发生变化时，测得的导电聚合物的拉应变值即为导电聚合物的容许拉应变值，其中Ω₀为聚合物的标准电阻值，Ω为聚合物的实际电阻值，ε为导电聚合物的拉应变值，a、b、c为系数；

步骤三：将导电聚合物和混凝土浇筑成所需要的形状，并从导电聚合物中引出导线；

步骤四：引出的导线与电阻测量装置连接，实时采集导电聚合物的实际电阻值；

步骤五：根据导电聚合物的电阻率与导电聚合物的拉应变值ε的关系，确定导电聚合物的实际拉应变值ε_ti，并与导电聚合物容许拉应变值做比较；

步骤六：设导电聚合物的容许拉应变值为ε_ai，安全系数若有K>1，即导电聚合物的实际拉应变ε_ti高于聚合物的容许拉应变，混凝土有开裂危险，否则，混凝土没有开裂危险。

所述步骤三中的导线外包上一层绝缘保护层。

所述步骤四中电阻测量装置为欧姆表。

本发明的有益效果：使用本发明，具有加筋补强的作用，能有效地降低混凝土开裂的风险，不仅可以避免混凝土开裂后才被发现的情况，可提前疏散建筑物内的人员，保证了建筑物内人员的安全，延长结构物的寿命。

附图说明

图1为导电聚合物渗滤现象示意图；

图2为混凝土拉伸应力-应变曲线；

图3为导电聚合物的铺设示意图。

其中，1.导线，2.导电聚合物，3.钢筋，4.混凝土梁。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

机敏导电聚合物本身有较高的强度，植入混凝土中具有加筋补强作用，能有效地降低混凝土开裂的风险；导电高分子材料目前已在能源、光电子器件、信息、传感器、分子导线和器件，以及电磁屏蔽、金属防腐和隐身技术等领域得到了广泛应用，填充复合型导电高分子材料是应用最广泛的导电复合材料，它是在基体聚合物中加入炭黑、碳纤维、石墨、碳纳米管等导电填料复合而成。导电复合材料的导电行为一般呈现典型的渗滤现象，如图1所示。当填料含量增加到某一阈值时,在某一区域内复合材料电阻率急剧下降，这一区域被称作渗滤区域。机敏材料具有感知和驱动功能，某些导电高分子复合材料也具有机敏性，经过特殊设计后表现出一些特殊效应，如拉敏效应。拉敏效应是指在外部拉力作用下导电性发生转变的过程(低阻→高阻)，拉敏效应的出现是由于当复合材料变形超过某临界值时，导电通路被部分破坏而呈高阻态。

在实际应用中可通过电阻率的变化来确定材料的各性能指标的变化规律。当导电聚合物受到外力作用时，材料本身发生形变。已知混凝土应变，即可得到混凝土的损伤状态。拉伸状态，混凝土的应力-应变曲线如图2所示，图中σ_f为应力峰值，ε_f为应力峰值对应的应变值。单轴受拉损伤方程为：

D＝0                  x≤1             （1）

$D=1-\sqrt{\frac{1}{[{\mathrm{\α}}_t{(x-1)}^{1.7}+x]}}$ x≥1        （2）

x＝ε/ε_f，y＝σ/σ_f                 （3）

式中：D为损伤值，α_t为损伤系数，x轴为应力比，y轴为相对应的应变比。

根据式（2），可由筋材的变形得到混凝土的损伤状态，若已知混凝土变形大于破坏预警对应的临界形变值，这对混凝土开裂进行预警，通过对采集到的实时数据的分析来规避混凝土的开裂风险。

实施例一：混凝土梁的开裂安全预警监测

在使用轻混凝土进行梁施工时，轻混凝土干容重小于1950kg/m³，强度等级范围CL15～CL50。将以碳纤维为填料的导电聚合物2制成与混凝土梁4相匹配的形状，与钢筋3平行埋入混凝土中，如图3所示。为防止导电聚合物2表面受到非外力的其他因素影响而导致电阻率发生显著变化，致使监测结果不精准，在导电聚合物2表面加涂一层保护涂层。根据混凝土梁4的长度按比例引出与导电聚合物2接触良好且牢固的导线1，为防止导线1被破坏，包上一层绝缘防腐包层。将导线1与兆欧表连接，当混凝土梁4有开裂趋向时，导电聚合物2会因此受到外力作用，自身电阻率发生显著变化，通过观测不同位置处的导电聚合物2的电阻率变化，从而对潜在裂缝位置进行定位并判断混凝土开裂4的风险程度，以此为依据，做好养护检修工作。对这样不仅可以避免混凝土梁4开裂后才被发现的情况，可提前疏散建筑物内的人员，保证了建筑屋内人员的安全，同时，也使得结构物的寿命尽可能的延长。

实时例二：混凝土板的开裂安全预警检测

桥梁等工程施工时，在桥面板中埋入以炭黑为填料的导电聚合物2，为防止导电聚合物2表面受到非外力的其他因素影响而导致电阻率发生显著变化，致使监测结果不精准，在导电聚合物2表面加涂一层保护涂层。每隔一定距离引出与导电聚合物2接触良好且牢固的导线1，使用兆欧表采集实时数据，如条件允许，也可采用由无线数据采集仪组成的网络拓扑结构系统进行无间断实时采集。当混凝土板有开裂迹象时，导电聚合物具体表现为：导电聚合物受到外力作用，本身发生变形，导致自身电阻率发生变化，监测人员通过观测不同位置处的导电聚合物的电阻率变化，从而对潜在裂缝位置进行定位并判断混凝土板开裂的风险程度，以此为依据，做好养护检修工作。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种基于导电聚合物拉敏效应的混凝土开裂监测方法，其特征是，具体步骤为：

步骤一：在导电聚合物表面涂上一层保护涂层；

步骤二：测得导电聚合物的拉应变值与聚合物的电阻率的关系式为：当导电聚合物的电阻率不再发生变化时，测得的导电聚合物的拉应变值即为导电聚合物的容许拉应变值，其中Ω₀为聚合物的标准电阻值，Ω为聚合物的实际电阻值，ε为导电聚合物的拉应变值，a、b、c为系数；

步骤三：将导电聚合物和混凝土浇筑成所需要的形状，并从导电聚合物中引出导线；

步骤四：引出的导线与电阻测量装置连接，实时采集导电聚合物的实际电阻值；

步骤五：根据导电聚合物的电阻率与导电聚合物的拉应变值ε的关系，确定导电聚合物的实际拉应变值ε_ti，并与导电聚合物容许拉应变值做比较；

步骤六：设导电聚合物的容许拉应变值为ε_ai，安全系数若有K>1，即导电聚合物的实际拉应变ε_ti高于聚合物的容许拉应变，混凝土有开裂危险，否则，混凝土没有开裂危险；

已知混凝土应变，即可得到混凝土的损伤状态，σ_f为应力峰值，ε_f为应力峰值对应的应变值，单轴受拉损伤方程为：

D＝0 x≤1   (1)

$\begin{array}{cc}D=1-\sqrt{\frac{1}{[{\mathrm{\α}}_t{(x-1)}^{1.7}+x]}}& x\≥1\end{array}---\left(2\right)$

x＝ε/ε_f，y＝σ/σ_f   (3)

式中：D为损伤值，α_t为损伤系数，x轴为应力比，y轴为相对应的应变比；

根据式(2)，可由筋材的变形得到混凝土的损伤状态，若已知混凝土变形大于破坏预警对应的临界形变值，则对混凝土开裂进行预警，通过对采集到的实时数据的分析来规避混凝土的开裂风险。

2.如权利要求1所述一种基于导电聚合物拉敏效应的混凝土开裂监测方法，其特征是，所述步骤三中的导线外包上一层绝缘保护层。

3.如权利要求1所述一种基于导电聚合物拉敏效应的混凝土开裂监测方法，其特征是，所述步骤四中电阻测量装置为欧姆表。