CN104494167A - 纤维增强复合筋智能网格及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维增强复合筋智能网格及其制作方法，是在网格的经纬向丝束的铺设过程中，将光纤光栅传感器埋设在同向的纤维丝束中；该光纤光栅传感器用纤维套管封装，并在铺设后与经纬向纤维丝束一同浸渍树脂、固化成型，对光纤光栅传感器与经纬向纤维丝束起始接触部位采用金属软管保护，形成具有自监测功能的智能网格。本发明提供的制作方法可根据要求制作经纬向任意方向具有光栅光纤自监测功能的网格，适合工业化批量生产，制成的网格信号传输稳定，监测精度高。

Description

纤维增强复合筋智能网格及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种智能结构材料及其制作方法，具体涉及一种纤维增强复合筋智能网格及其制作方法。

背景技术

现有技术中的纤维增强复合筋网格是将碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等高性能连续纤维浸渍于环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂等形成网格状的整体复合材料。这种纤维增强复合筋网格具有轻质、高强、双向受力、施工方便、适用于普通环境、恶劣环境的优点，并能克服传统建筑材料的缺点，具有更多的应用优势，具体表现在：

由纤维增强复合筋网格同时具有两个方向的增强效果，其可以方便地应用于混凝土板的增强加固，有效提高其混凝土板的承载能力，加固试件延性较好，破坏前有明显征兆；纤维增强复合筋网格通过砂浆或树脂粘贴于砌体墙体侧面，可以显著提高墙体的抗剪承载力，增强墙体的整体性，低周反复荷载试验表明了其对延性、耗能的明显提高；纤维增强复合筋网格可弯成适宜形状，并易于保持，其用于加固修复隧道顶部混凝土结构老化、混凝土脱落等病害具有很好的适用性；当然，纤维增强复合筋网格也可用于普通梁的抗剪、抗弯加固，效果及成本优于粘贴纤维布加固分布式光纤传感技术因其测试的分布性、网络性、稳定性等优点，近年来在被不断应用于结构健康监测。目前国际上分布式光纤传感技术一句其测试原理的差异主要分为强度型、干涉型和散射型等。其中基于布里渊散射机理的BOTDR、BOTDA等传感技术由于其在温度、应变测试精度高，测试距离长等方面的巨大优势，受到国内外学者的青睐。

将分布式传感光纤复合进纤维复合筋网格中，可以形成一种智能结构材料。这样不仅使得脆弱的光纤在实际使用时得到很好的保护，同时在用这种纤维增强复合筋智能网格加固土木领域结构时，在实现结构补强的同时还能对结构实时监测，更好的评价结构的安全性能。开发一种保证精度、适合工业化批量生产的纤维增强智能网格制作方法已成为亟待解决的技术问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种纤维增强复合筋智能网格及其制作方法。以发挥纤维复合筋网格在结构补强中的优势，同时实现对用该智能网格加固的结构实时监测，从而对结构安全性能进行可靠评价。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的纤维增强复合筋智能网格，包括纤维丝束、树脂和光纤传感器，所述纤维丝束形成纵横交错的纤维网格，所述树脂包覆于纤维网格上，所述光纤传感器与包裹于其外的纤维套管形成高精度光纤传感器，所述纤维套管的端部具有与光纤传感器粘接的锚固段。

作为优选，为了保护传感器引线的信号的良好传输，所述高精度光纤传感器与纤维丝束端部的接触部位套设有金属软管。

作为优选，所述金属软管埋入纤维丝束的长度不小于2cm，露出纤维丝束的长度不小于2cm。

作为优选，为了使传感器对网格的形变量进行高精度的监测，所述高精度光纤传感器位于纤维网格横断面的中心位置。并在高精度光纤传感器放置过程中对其牵拉绷紧。

作为优选，为了使整个传感器柔软，易于弯曲，所述高精度光纤传感器表面的纤维套管不浸渍树脂。

作为优选，所述高精度光纤传感器呈S型布设在纤维网格内。

所述光纤优选为无滑移光纤光纤或长标距光纤。

制造时，将纤维套管封装的光纤作为高精度光纤传感器，再使用真空模压法将其与纤维丝束和树脂制成纤维筋智能网格，包括以下步骤：

1）制作底模，并在底模上涂刷脱模剂；

2）根据所设计纤维增强复合筋网格的间距，选择填充模尺寸，并将填充模通过螺栓安装于底模上，形成网格槽道；

3）在所述底模周围，网格槽道延长线上确定纤维丝束固定卡；

4）调配树脂，将纤维丝束浸渍树脂；

5）沿网格槽道铺设经纬向纤维丝束，并将端部固定于所述的固定卡上；

6）在纤维丝束铺设到设计量的一半时，放置高精度光纤传感器；

7）铺设剩余的一半纤维丝束；

8）采用树脂将形成的网格状纤维丝束完全浸润，并覆盖脱模布；

9）在上述脱模布上方纤维丝束位置安放压条；

10）在上述纤维网格范围内铺设导流网与导流管；

11）在底模固定卡的外围不少于5cm处设置密封胶泥；

12）将整个模具覆盖真空袋，且真空袋四周与密封胶泥粘结密实，开始抽真空；

13）真空度达到规定值后，在真空袋表面铺设电加热毯，设置加热温度；

14）持续加热与抽真空1~2小时，树脂固化，网格制作完成。

有益效果：本发明通过用纤维套管对光纤进行封装，制成光纤传感器克服了光纤的实际操作过程中容易脆断的问题，大大提高了在工程应用、生产过程中存活率。本发明生产的制品具有分布式的传感和稳定的长期监测性能，具有很高的性价比。同时利用真空成型工艺，体系中不留有多余的树脂，气泡少，纤维含量高强度更高，性能更加稳定；同一制品在真空作用下，不同部分的压力是相等的，纤维丝束与光纤传感器界面粘结密实，树脂含量比较均衡，性能比较稳定；树脂的流动及固化过程在相对密闭的空间内进行，不会有大量的刺激性气味散出，比较环保；制作工艺操作简单，便于掌握，适合工业化批量生产。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的纤维增强复合筋智能网格及其制作方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明实施例中光纤传感器结构示意图；

图2是本发明实施例中底模及填充模的结构示意图；

图3是本发明实施例中纤维丝束在槽道中的铺设示意图；

图4是本发明实施例中光纤传感器的布置示意图；

图5是本发明实施例中纤维丝束铺设完成的示意图；

图6是本发明真空模压工艺辅助材料安装示意图；

图7是图5的剖视图；

图8是成型智能网格示意图；

图中：1底模、2定位卡、3填充模、4螺栓、5纤维丝束、5-1纤维丝束卷、6光纤传感器、6-1光纤、6-2纤维套管、6-3锚固段、6-4弯曲段金属软管、6-5光纤传感器与纤维丝束接触部位金属软管、7-1横向压条、7-2纵向压条、8导流网、9导流管、10密封胶泥、11真空膜、12电加热毯、13树脂收集器、14真空泵、15脱模布。

具体实施方式

实施例：

为了对本发明的工艺特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明对本发明的具体实施方式进行说明。

图1是光纤传感器封装结构示意图，光纤6-1外围包裹纤维套管6-2，锚固段用树脂6-3将光纤与纤维套管牢固粘结，制成高精度光纤传感器。

图2是底模1与填充模3的连接结构示意图，填充模3通过螺栓4固定在底模1上，形成用于铺设纤维丝束的网格槽道。槽道中线上设置定位卡2。

图3是纤维丝束5在槽道中的铺设示意图。纤维丝束5在填充模3阵列布置形成的槽道中经纬向间隔铺设，始终保持连续绷紧铺设。

图4是光纤传感器的布置示意图。纤维丝束5缠绕到设计用量的一半时，停止缠绕。在网格槽道内布置传感器6，保证传感器居中放置在槽道内。传感器呈S型弯曲布设时以及在传感器与纤维丝束接触的始末位置，须安装弯曲段金属软管6-4和光纤传感器与纤维丝束接触部位金属软管6-5。在传感器保持拉直绷紧状态下，缠绕余下的纤维丝素。缠绕完成后矫正金属软管在纤维丝束中的埋置长度，埋入长度不能低于2cm，外露长度不能低于2cm，以确保光纤传感器的信号线不被折断，能很好的保护。

图5是铺设脱模布15，铺设完成后将压条铺设在槽道中，压条包括横向压条7-1和纵向压条7-2。以便于经纬向纤维丝束5在真空状体下自由调节压缩量，保证纤维丝素的均匀性、密实性。

图6是真空模压工艺辅助材料安装示意图。先铺设导流网8，，再铺设导流管9，用于将多于树脂及气泡排出真空膜。,真空膜11粘结在密封胶泥10上，完成整个工艺辅材的安装。整个装备连接完成后开启真空泵14，多余树脂导入树脂收集器13，待真空压力表读数接近0时，铺设电加热毯12，快速固化。

图7作为图6的剖视图，能够比较清晰的反映在网格制作过程中各步骤的材料铺设位置，制作步骤如下：

第一步：先制作一平整光洁、不透环氧树脂的底模1，底模1上设计有螺栓孔与填充模3螺栓孔4对应，底模表面涂刷一层脱模剂；

第二步：根据纤维增强复合筋网格的大小设计填充模3。填充模3的长宽尺寸与复合筋网格的大小趋于一致，厚度为1~2cm，材质为钢板，形状根据制作的网格尺寸，可以是正方形也可以是长方形。填充模3中心线两侧打两个对称锚孔，位置与底模1上的螺栓孔对应。

第三步：固定填充模3。通过螺栓4将底模1的和填充模3连接成一整体，填充模3前后左右阵列式布置，相邻两填充模边到边之间预留0.8~1cm的槽道，形成网格槽道，用于铺设经纬向纤维丝束5。

第四步：设置定位卡2。槽道中心线上，且距离最外圈填充模5~10cm，设置定位卡2。

第五步：铺设纤维丝束5。纤维丝束5先浸渍树脂，浸渍过程中重复多次按压，以保证树脂浸透完全。槽道中连续铺设经纬向纤维丝束5，一层径向一层纬向交叉铺设。铺设时纤维丝束5应牵拉绷紧，沿某一槽道铺设到达终点后纤维丝束5绕过定位卡2，转至相邻槽道铺设，以此方法逐层铺设纤维丝束5至完成设计层数的一半。

第六步：放置光纤传感器6，使其居中摆放在槽道中，保持传感器绷直状态，继续缠绕余下的纤维丝束到设计层数。

第七步：铺设脱模布15。经纬向纤维丝束5铺设完成后，在其上表面覆盖一层脱模布15，脱模布15的大小以覆盖住槽道内纤维丝束5为宜。

第七步：放置压条7在脱模布15的上表面，铺设经纬向纤维丝束5的槽道内放置压条。第八步：铺设导流网8。压条铺设完成后铺设一层导流网8，导流网大小以覆盖住槽道内纤维为准。

第九步：铺设导流管9。导流网8上表面铺设导流管9，一根导流管9的辐射宽度15~20cm，根据导流网8的面积选择导流管铺设长度及间距。

第十步：铺设密封胶泥10。底模1四周距离定位卡2所在直线5cm的周长上粘贴一圈密封胶泥10。

第十一步：铺设真空膜11。真空膜11各边长大于底模1各边长不小于10cm，四条边粘贴于密封胶泥10上，并按压密实。

第十二步：抽真空模压。连接真空泵14、树脂收集器13及导流管9，树脂收集器13的一端连接导流管9，一端连接真空空压机14。

第十三步：铺设电加热毯12。待真空压力表读书接近0时，在真空膜11表面铺设一层电加热毯12，设定加热温度上限值。边加热边抽真空，直至树脂完全固化，停止抽真空，网格制作完成。制作完成的智能网格如图8所示。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种纤维增强复合筋智能网格，包括纤维丝束、树脂和光纤传感器，所述纤维丝束形成纵横交错的纤维网格，所述树脂包覆于纤维网格上，其特征在于：所述光纤传感器与包裹于其外的纤维套管形成高精度光纤传感器，所述纤维套管的端部具有与光纤传感器粘接的锚固段。

2.根据权利要求1所述的纤维增强复合筋智能网格，其特征在于：所述高精度光纤传感器与纤维丝束端部的接触部位套设有金属软管。

3.根据权利要求2所述的纤维增强复合筋智能网格，其特征在于：所述金属软管埋入纤维丝束的长度不小于2cm，露出纤维丝束的长度不小于2cm。

4.根据权利要求1所述的纤维增强复合筋智能网格，其特征在于：所述高精度光纤传感器位于纤维网格横断面的中心位置。

5.根据权利要求1所述的纤维增强复合筋智能网格，其特征在于：所述高精度光纤传感器表面的纤维套管不浸渍树脂。

6.根据权利要求2所述的纤维增强复合筋智能网格，其特征在于：所述高精度光纤传感器呈S型布设在纤维网格内。

7.根据权利要求1所述的纤维增强复合筋智能网格，其特征在于：所述光纤传感器是无滑移光纤或长标距光纤。

8. 一种纤维增强复合筋智能网格的制作方法，是将纤维套管封装的光纤作为高精度光纤传感器，再使用真空模压法将其与纤维丝束和树脂制成纤维筋智能网格，其特征在于包括以下步骤：

1）制作底模，并在底模上涂刷脱模剂；

2）根据所设计纤维增强复合筋网格的间距，选择填充模尺寸，并将填充模通过螺栓安装于底模上，形成网格槽道；

3）在所述底模周围，网格槽道延长线上确定纤维丝束固定卡；

4）调配树脂，将纤维丝束浸渍树脂；

5）沿网格槽道铺设经纬向纤维丝束，并将端部固定于所述的固定卡上；

6）在纤维丝束铺设到设计量的一半时，放置高精度光纤传感器；

7）铺设剩余的一半纤维丝束；

8）采用树脂将形成的网格状纤维丝束完全浸润，并覆盖脱模布；

9）在上述脱模布上方纤维丝束位置安放压条；

10）在上述纤维网格范围内铺设导流网与导流管；

11）在底模固定卡的外围不少于5cm处设置密封胶泥；

12）将整个模具覆盖真空袋，且真空袋四周与密封胶泥粘结密实，开始抽真空；

13）真空度达到规定值后，在真空袋表面铺设电加热毯，设置加热温度；

14）持续加热与抽真空1~2小时，树脂固化，网格制作完成。