CN103628697B - 光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有土木工程结构受力与自监测双重功能的光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板及其制备方法。该智能板包括由纤维原纱及基体树脂组成的板材主体,所述的板材主体内沿纤维方向填充有含有光纤光栅传感器及传输光纤的传感光纤,所述的传感光纤的根数为m根,m≥1的整数;所述的单根传感光纤上设置有n个光纤光栅传感器,n≥1的整数,该智能板是采用拉挤连续成型工艺制得,该智能板的纤维体积含量不低于60%。该智能板更便于纤维板、特别是预应力纤维板加固修复混凝土结构、钢结构时进行纤维板的张拉控制应力的精确控制、预应力损失后的弥补以及加固后的结构实施实时监测。

Description

光纤光栅纤维増强复合材料拉挤连续成型智能板
技术领域
[0001]本发明涉及的是一种土木工程结构受力和监测的智能土木工程材料及其制备方法,具体地说是一种具有土木工程结构受力与自监测双重功能的光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板及其制备方法。
背景技术
[0002] 纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP),是由碳纤维(CarbonFiber)、玻璃纤维(Glass Fiber)和芳纟仑纤维(Aramid Fiber)等高性能纤维与基体,主要是树脂(Polymer)体系按一定比例、并按照一定加工工艺制成的一种高性能复合材料。因其具有极好的耐腐蚀性、抗疲劳性、比强度高、施工便捷等优点而广泛应用于土木工程领域。其加固修复混凝土结构、钢结构已成为我国土木工程界新的研究热点。
[0003]纤维复合材料形式有很多种,目前在长纤维的复合材料中,用于结构加固修复最多的材料形式是纤维增强复合材料片材,包括布与板。与纤维布相比较而言,纤维板具有均质性及整体性好,截面面积大,弹性模量低、施工更为方便等优点。随着预应力纤维板加固修复混凝土结构、钢结构技术的推广与普及,纤维增强复合材料板的应用前景会越来越广阔。
[0004]拉挤成型工艺是纤维增强复合材料板材成型工艺中的一种特殊工艺,其优点是:生产过程连续进行,制品质量稳定,重复性好;增强材料含量可根据要求进行调整,产品强度高;能够调整制品的纵向强度和横向强度,满足不同的使用要求;能够生产截面形状复杂的制品,满足特殊场合使用的要求;制品具有良好的整体性,原材料的利用率高;设备的投资费用低,利于形成产业化。
[0005]但由于纤维增强复合材料是线弹性材料,其破坏过程中没有屈服,破坏形式为脆性破坏,在使用过程中破坏没有预兆,这降低了材料使用的安全性。并且纤维增强复合材料、特别是预应力纤维增强复合材料加固修复混凝土结构、钢结构技术尚在摸索阶段,其耐久性有待时间的检验,亟需在加固时进行纤维增强复合材料的张拉控制应力的精确控制、预应力损失后的弥补以及加固后的结构实施实时监测,为纤维增强复合材料、预应力纤维增强复合材料加固修复混凝土结构、钢结构的成套技术的提供基础性保障。
[0006]目前公开的专利中,公开了含有光纤光栅传感器的光纤光栅纤维增强复合智能筋,该智能筋仅可够感知线型应变,无法通过单根智能筋感知面型应变。该智能筋与本发明智能板在结构构造本质、应用领域本质和加固效率本质上均不相同。目前公开的文献中,《FRP-FBG智能复合板的制作及其传感器特性研究》中提及“FRP- FBG智能复合板”,但是该智能复合板与本发明智能板在结构和制备方法上存在本质的区别。
发明内容
[0007]本发明要解决的技术问题是:提供一种具自监测功能的光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板及其制备方法,该智能板更便于纤维板特别是预应力纤维板加固修复混凝土结构、钢结构时,对纤维板进行的张拉时的精确控制、预应力损失后的补偿以及加固后的结构实施实时监测,解决了上述现有技术中存在的问题。
[0008]解决上述技术问题的技术方案是:一种光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板,包括由纤维原纱及基体树脂组成的板材主体,其特征在于:所述的板材主体内沿纤维方向填充有含有光纤光栅传感器及传输光纤的传感光纤,所述的传感光纤的根数为m根,m2 I的整数;所述的单根传感光纤上设置有η个光纤光栅传感器,η 2 I的整数,该智能板是采用拉挤连续成型工艺制得,该智能板的纤维体积含量不低于60%。
[0009]所述的板材主体端部引出有用于连接补偿光纤光栅的一段传输光纤。
[00Ί0] 所述的传感光纤的根数m和光纤光栅传感器的个数η的取值分别为:10 > m > I的整数,60 2 n M的整数。
[0011]所述的传感光纤的根数m为:10 > m > 3的整数,所述的相邻2根传感光纤在垂直纤维方向的距离dl相同或不相同。
[0012]所述的光纤光栅传感器的个数η的取值为:60 >η> 3的整数,所述的单根传感光纤上相邻2个光纤光栅传感器沿纤维方向的距离d2相同或不相同。
[0013]该智能板的长度1^、宽度0和厚度!1分别为:20011121^0.5111,500_2 02 10111111,10_> H > Imnin
[0014]所述的纤维原纱是碳纤维原纱、玻璃纤维原纱或芳纶纤维原纱中的一种、两种、三种,所述的基体树脂是不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基醋树脂、热固性甲丙烯酸树脂、改性酚醛树脂或阻燃性树脂中的一种、两种或多种。
[0015]本发明的另一技术方案是:一种光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板的制备方法,包括以下步骤:
[0016] (I)计算光纤光栅纤维增强复合材料智能拉挤连续成型板的下料长度,确定传感光纤的根数及其在垂直纤维方向的距离、位置,确定每根传感光纤上光纤光栅传感器的个数及其在光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板沿纤维方向的的位置并串接在传输光纤上,并预算板材定长切断的损耗长度;
[0017] (2)确定各根传感光纤在光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板断面的位置,与纤维原纱一起准确定位并导入排纱器;
[0018] (3)经过排纱器进入浸胶槽浸透基体树脂胶液,然后进入预成型模,将多余树脂和气泡排出,逐步形成近似成型模控形状和尺寸的预成型体,然后进入成型模;
[0019] (4)预成型体进入成型模凝胶、固化,并连续拉挤成型,成型后的光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板由牵引机连续不断地从模具拔出;
[0020] (5)根据步骤⑴确定的位置,由切断机定长切断;
[0021] (6)利用纤维的各向异性的特点在端部将光纤剥离出来,制成本发明之光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板。
[0022]本发明之光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板与现有含有光纤光栅传感器的光纤光栅纤维增强复合智能筋的本质区别如下。
[0023] (I)结构构造不一致
[0024]智能筋的光纤光栅及传输光纤沿纤维增强塑料筋长度方向布设,受制于筋材固有的细长形式,智能筋只能感知线型应变,无法通过单根智能筋感知面型应变。
[0025]智能板的光纤光栅及传输光纤沿纤维方向填充在纤维增强塑料板材料内部,并可根据需要沿宽度方向布设大于等于I根,可通过I块智能板实现对结构任意的点、线、面的应变监测及感知功能。
[0026] (2)应用领域不一致
[0027]智能筋主要应用领域:替换钢绞线的中丝,制成智能钢绞线;替换拉索的部分高强钢丝制成智能拉索;部分或者全部替代钢筋用于一些处于特殊环境中的建筑物、构筑物,形成FRP筋混凝土结构或预应力混凝土结构。在加固方面:筋材无法直接体外粘贴受力,可嵌入表面开槽的混凝土结构中,形成嵌入式预应力或非预应力加固混凝土结构;可替代钢绞线、钢索,进行结构受拉区预应力加固。
[0028]智能板主要应用领域:用于各类结构加固;属于板状结构,与结构接触面积大,适用于任意封闭结构和形状复杂等特殊结构形状加固;可根据需要选择粘贴非预应力加固、无粘结非预应力加固或粘结预应力加固等多种组合加固方式;既可嵌入式加固也可体外加固;智能板不但可以用于受拉区加固,还可以用于防止结构受压失稳的加固。
[0029] (3)加固效率不一致
[0030]智能筋横截面形式主要为圆形或方形,截面积较小,而智能板可根据需要设计截面尺寸形成不同厚度和宽度板材。在承载力贡献相同的情况下,智能板比智能筋需用的锚夹具数量要少、成本要低,布设更容易,加固效率更高。
[0031]本发明之光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板与目前已公开文献《FRP-FBG智能复合板的制作及其传感器特性研究》中提及的“FRP- FBG智能复合板”本质区别如下。
[0032] (I)uFRP- FBG智能复合板”由6层缝编毡构成,FBG传感器顺0°纤维方向埋入在第3层和第4层间,FRP-FBG智能复合板的最终铺层结构为正交对称层合板。该复合板采用手糊方式制作,为防止FBG在制作过程中滑移,可利用胶粘剂将FBG粘结在缝编毡上。该智能复合板采用手糊工艺通过分层铺设纤维布制成的具有层状结构的层合板,在纤维布层间埋入单个FBG传感器,实质上是纤维布的层叠,是光纤光栅传感器的一种封装形式,属于低压接触成型工艺,具有手糊工艺固有缺陷,单独使用不具备受力特性,不能单独承载,不能作为结构材料用于结构加固,其光纤光栅传感器位置为特定,通常作为传感器使用。其制作效率低,不能大批量生产;产品重复性差,质量不稳定;纤维含量低,受力性能差;光栅布设数量与位置只能特定,应用受到局限。
[0033] (2)本发明之光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板,其制备方法如技术方案中所述。本发明智能板的制备采用的是拉挤工艺,自动化程度高,质量稳定,光纤光栅能自由选择空间位置,是一种一次性成型的整体板材;可根据需要生产不同尺寸截面形状的连续板材;纤维含量高,受力性能好,纤维强度能得到充分发挥,可用于预应力加固;本发明之光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板本身就是一种有良好受力性能的承载材料,同时可根据不同的光纤光栅布置形式实现对结构点、线、面的应变监测,是集受力与自感知、自监测于一体的结构智能加固材料,根据智能板中光纤光栅波长的变化规律来获得加固修复部位的应变信息,并可推求得知相应的应力数据,进而实现对结构的安全预警与健康诊断。
[0034]综上所述,本发明之光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板既具有极好的耐腐蚀性及抗疲劳性、比强度高、施工便捷等碳纤维增强塑料固有特点,是一种先进的集受力与自感知、自监测于一体的结构智能加固材料,更便于纤维板特别是预应力纤维板加固修复混凝土结构、钢结构时,对纤维板进行的张拉时的精确控制、预应力损失后的补偿以及加固后的结构实施实时监测,更便于推广应用。
[0035] FRP修补技术是将FRP材料通过普通粘贴或施加预应力的方式加固到结构破坏损伤部位以完成结构修复的一种高效率、低成本的先进结构修复方法。纤维增强复合材料(FRP)依靠其优异的性能成为土木工程结构、航空航天器、武器设备、船体结构、压力容器、钢质储罐、输送管道、电子设备、体育器械等领域先进的缺陷主导修复技术。FRP材料自重轻,比强度和比刚度高,修复后基本不增加原结构的自重和原构件的尺寸;具有良好的抗疲劳性能和耐腐蚀性能,能够有效改善动荷载环境下缺陷构件应力集中和承载情况,对酸、碱、盐等腐蚀介质具有很好的抗腐蚀能力;修复中不需在母材的损伤部位区域开孔,对母材承载截面基本无削弱。
[0036]与传统的结构修复方法相比,本发明之光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板修复结构技术具有明显的优势,详细分述如下:
[0037] (I)本发明之光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板本身就是集受力与自感知、自监测于一体的结构智能加固材料,根据补强光纤光栅波长的变化规律来获得加固修复部位的应变及应力信息,实现对结构的安全预警与健康诊断。
[0038] (2)FRP材料自重轻,力学性能优越,比强度和比刚度高,自身密度小,修复后基本不增加原结构的自重和原构件的尺寸。
[0039] (3)FRP具有可设计性、可成形性,用于修复压力容器、管道、安全壳等复杂曲面结构具有特别的优势;
[0040] (4)FRP具有良好的抗疲劳性能,能够改善动荷载环境下缺陷构件应力集中和承载情况,有效地阻止裂纹的继续扩展,从而提高结构的抗疲劳性能;
[0041] (5)对母材损伤小,不需要对母材钻孔,对母材承载截面基本无削弱,不破坏原结构的整体性,不会形成新的应力集中源,避免了新的孔边裂纹的产生。不增加新的焊缝,不会产生残余应力,不会形成新的裂纹疲劳源;
[0042] (6)FRP本身对酸、碱、盐等腐蚀介质具有很好的耐腐蚀性能,柔性的FRP修复任意封闭结构和形状复杂的被修复结构表面,与金属表面有良好的界面粘结性能、密封性,减少了渗漏甚至腐蚀的隐患,很少出现二次腐蚀破坏现象。
[0043] (7)该方法无需大型专用设备施工,简便易行,成本低,效率高,特别适合于现场修复,施工过程中无焊接明火,现场主要采用常温固化工艺施工,安全可靠,对生产影响小。
[0044]因此,粘贴FRP修复钢结构技术是一种很有发展前途的新型结构修复技术,具有广阔的应用前景,它可以应用到飞机机身的裂纹修复、钢结构桥梁和建筑物的修复以及船体结构、压力容器、输送管道和钢储罐等的结构缺陷修复。
[0045]下面,结合附图和实施例对本发明之一种光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板及其制备方法的技术特征作进一步的说明。
附图说明
[0046]图1-图4:本发明之光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板沿长度方向剖视图。
[0047]图1:单根传感光纤上设置有I个光纤光栅传感器。
[0048]图2:单根传感光纤上设置有2个光纤光栅传感器。
[0049]图3:单根传感光纤上设置有3个光纤光栅传感器(单根传感光纤上相邻2个光纤光栅传感器沿纤维方向的距离d2相同)。
[0050]图4:单根传感光纤上设置有3个光纤光栅传感器(单根传感光纤上相邻2个光纤光栅传感器沿纤维方向的距离d2不相同)。
[0051]图5-图8:本发明之光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板沿宽度方向剖视图。
[0052]图5:设置有I根传感光纤。
[0053]图6:设置有2根传感光纤(2根传感光纤至板面的距离不同)。
[0054]图7:设置有3根传感光纤(相邻2根传感光纤在垂直纤维方向的距离dl相同,3根传感光纤至板面的距离不同)。
[0055]图8:设置有3根传感光纤(相邻2根传感光纤在垂直纤维方向的距离dl不相同)。
[0056]图9-图11:本发明之光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板结构示意图。
[0057]图9:相邻2根传感光纤在垂直纤维方向的距离d I和单根传感光纤上相邻2个光纤光栅传感器沿纤维方向的距离d2均相同。
[0058]图10:相邻2根传感光纤在垂直纤维方向的距离dl相同,单根传感光纤上相邻2个光纤光栅传感器沿纤维方向的距离d2不相同。
[0059]图11:相邻2根传感光纤在垂直纤维方向的距离dl和单根传感光纤上相邻2个光纤光栅传感器沿纤维方向的距离d2均不相同。
[0060]图中:1_板材主体,2-传感光纤,21-光纤光栅传感器,22-传输光纤。
具体实施方式
[0061]实施例1:一种光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板,如图9所示,包括由纤维原纱及基体树脂组成的板材主体I,所述的板材主体内沿纤维方向填充有含有光纤光栅传感器21及传输光纤22的传感光纤2,所述的传感光纤的根数为m根,m=3;所述的单根传感光纤上设置有η个光纤光栅传感器,n=3,即光纤光栅传感器为熔接的具有一定长度间隔的光栅传感器串。相邻2根传感光纤在垂直纤维方向的距离dl和单根传感光纤上相邻2个光纤光栅传感器沿纤维方向的距离d2均相同。所述的板材主体端部引出有用于连接补偿光纤光栅的一段传输光纤。该智能板是采用拉挤连续成型工艺制得,该智能板的纤维体积含量不低于60%。
[0062]实施例2:—种光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板,如图10所示,包括由纤维原纱及基体树脂组成的板材主体I,所述的板材主体内沿纤维方向填充有含有光纤光栅传感器21及传输光纤22的传感光纤2,所述的传感光纤的根数为m根,m=3;所述的单根传感光纤上设置有η个光纤光栅传感器,n=2或3。相邻2根传感光纤在垂直纤维方向的距离dl相同,单根传感光纤上相邻2个光纤光栅传感器沿纤维方向的距离d2不相同。所述的板材主体端部引出有用于连接补偿光纤光栅的一段传输光纤。该智能板是采用拉挤连续成型工艺制得,该智能板的纤维体积含量不低于60%。
[0063]实施例3:—种光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板,如图11所示,包括由纤维原纱及基体树脂组成的板材主体I,所述的板材主体内沿纤维方向填充有含有光纤光栅传感器21及传输光纤22的传感光纤2,所述的传感光纤的根数为m根,m=3;所述的单根传感光纤上设置有η个光纤光栅传感器,n=2或3。相邻2根传感光纤在垂直纤维方向的距离dl和单根传感光纤上相邻2个光纤光栅传感器沿纤维方向的距离d2均不相同。所述的板材主体端部引出有用于连接补偿光纤光栅的一段传输光纤。该智能板是采用拉挤连续成型工艺制得,该智能板的纤维体积含量不低于60%。
[0064]实施例1-实施例3所述的纤维原纱是碳纤维原纱、玻璃纤维原纱或芳纶纤维原纱中的一种、两种或三种,所述的基体树脂是不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基醋树脂、热固性甲丙烯酸树脂、改性酚醛树脂或阻燃性树脂中的一种、两种或多种。
[0065]实施例1-实施例3所述的智能板的长度L、宽度D和厚度H可根据实际情况任意决定,一般为:200m > L > 0.5m,500mm > D > 1mm, 1mm > H > Imm0
[0066]作为本实施例1-实施例3的一种变换,所述的传感光纤的根数m和所述的单根传感光纤上设置的光纤光栅传感器个数η可以根据实际情况增加或减少,只要满足m2 I的整数,η 2 I的整数即可,一般为10 2 m2 I的整数,60 2 I的整数。所述的传感光纤在垂直纤维方向的距离、位置(即传感光纤至板面的距离可以相同也可以不相同)可任意决定,所述的单根传感光纤上设置的光纤光栅传感器沿纤维方向的间距可任意决定。传感光纤和光纤光栅传感器的布置主要是根据实际使用时需要监测的位置确定。
[0067]实施例4:一种光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板的制备方法,包括以下步骤:
[0068] (I)计算光纤光栅纤维增强复合材料智能拉挤连续成型板的下料长度,确定传感光纤的根数及其在垂直纤维方向的距离、位置,确定每根传感光纤上光纤光栅传感器的个数及其在光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板沿纤维方向的的位置并串接在传输光纤上,并预算板材定长切断的损耗长度;
[0069] (2)确定各根传感光纤在光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板断面的位置,与纤维原纱一起准确定位并导入排纱器;
[0070] (3)经过排纱器进入浸胶槽浸透基体树脂胶液,然后进入预成型模,将多余树脂和气泡排出,逐步形成近似成型模控形状和尺寸的预成型体,然后进入成型模;
[0071] (4)预成型体进入成型模凝胶、固化,并连续拉挤成型,成型后的光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板由牵引机连续不断地从模具拔出;
[0072] (5)根据步骤⑴确定的位置,由切断机定长切断;
[0073] (6)利用纤维的各向异性的特点在端部将光纤剥离出来,制成本发明之光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板。

Claims (2)

1.一种光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板,包括由纤维原纱及基体树脂组成的板材主体,其特征在于:所述的板材主体内沿纤维方向填充有含有光纤光栅传感器及传输光纤的传感光纤,所述的传感光纤的根数为m根;所述的单根传感光纤上设置有η个光纤光栅传感器,该智能板是采用拉挤连续成型工艺制得,该智能板的纤维体积含量不低于60%;所述的板材主体端部引出有用于连接补偿光纤光栅的一段传输光纤;所述的传感光纤的根数m为:10 >m> 3的整数,所述的相邻2根传感光纤在垂直纤维方向的距离dl相同或不相同;所述的光纤光栅传感器的个数η的取值为:60 >η> 3的整数,所述的单根传感光纤上相邻2个光纤光栅传感器沿纤维方向的距离d2相同或不相同;所述的单根传感光纤上设置的光纤光栅传感器沿纤维方向的间距可任意决定,传感器光纤和光纤光栅传感器的布置主要是根据实际使用时需要监测的位置确定;该智能板的长度L、宽度D和厚度H分别为:200m > L > 0.5m,500mm > D > 10mm? 1mm > H> 1mm; 该光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板的制备方法包括以下步骤: (1)计算光纤光栅纤维增强复合材料智能拉挤连续成型板的下料长度,确定传感光纤的根数及其在垂直纤维方向的距离、位置,确定每根传感光纤上光纤光栅传感器的个数及其在光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板沿纤维方向的的位置并串接在传输光纤上,并预算板材定长切断的损耗长度; (2)确定各根传感光纤在光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板断面的位置,与纤维原纱一起准确定位并导入排纱器; (3)经过排纱器进入浸胶槽浸透基体树脂胶液,然后进入预成型模,将多余树脂和气泡排出,逐步形成近似成型模控形状和尺寸的预成型体,然后进入成型模; (4)预成型体进入成型模凝胶、固化,并连续拉挤成型,成型后的光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板由牵引机连续不断地从模具拔出; (5)根据步骤⑴确定的位置,由切断机定长切断; (6)利用纤维的各向异性的特点在端部将光纤剥离出来,制成本发明之光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅纤维增强复合材料拉挤连续成型智能板,其特征在于:所述的纤维原纱是碳纤维原纱、玻璃纤维原纱或芳纶纤维原纱中的一种、两种、三种,所述的基体树脂是不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基醋树脂、热固性甲丙烯酸树脂、改性酚醛树脂或阻燃性树脂中的一种、两种或多种。
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