CN105547538A - 一种混凝土结构物应力应变传感器及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土结构物应力应变传感器及其监测方法，包括环氧树脂机敏材料基体，所述环氧树脂机敏材料基体内部按设定间距布设若干内置电极，内置电极与环氧树脂机敏材料基体的受力面相平行，环氧树脂机敏材料基体表面均匀包裹有外部封装层；所述内置电极与外接导线连接，外接导线延伸至外部封装层外部。本发明传感器与混凝土结构物具有很好的相容性，能够与混凝土结构物共同工作。本发明传感器性能稳定，使用寿命长，植入存活率高，能用来长期监测混凝土结构物内部应力应变状况。

Description

一种混凝土结构物应力应变传感器及其监测方法

技术领域

本发明属于土木工程领域，具体涉及一种混凝土结构物应力应变传感器及其监测方法。

背景技术

在土木工程领域，结构的应力、应变监测对结构物破坏预测、灾害预警等具有十分重要的意义，对结构物的维修养护具有指导作用。

混凝土材料是当今使用最为普遍和广泛的建筑材料。混凝土材料具有高强度、高模量、高耐久性等优点，在土木工程各个领域都得到了广泛的应用。而混凝土作为一种脆性材料，其破坏具有突变性，这使得其破坏具有不可预测性，易造成大量人员伤亡和财产损失。因而对于混凝土结构物，结构健康监测尤为重要。目前常见的做法是在混凝土结构物中预埋传感器，例如电磁致伸缩材料传感器、光纤传感器等，这类传感器的缺点是寿命短、抗干扰能力差、造价高且植入在混凝土结构物中后成活率较低。此外，这类材料一般与混凝土结构物相容性不高，因而会影响混凝土结构物自身的性能。

在混凝土结构物中，也有采用水泥基材料作为基体的机敏材料来制作传感器，这种传感器的缺陷在于：水泥基材料本身由于水分散失等问题会致使基体产生收缩裂缝从而导致基体内部缺陷，降低传感器的品质；采用水泥基材料制作传感器需要进行长时间的养护，周期较长，使用不便；由于水泥基材料基体存在由水分蒸发产生的毛细孔以及内部缺陷，其电阻率易受到水分的影响，传感器存在稳定性问题。

而采用机敏材料与树脂基体组成的复合结构作为传感器，由于构造复杂，制作繁琐，不利于传感器的推广使用。

现有技术中，一般常将导电填料加入到环氧树脂等聚合物中以改善其导电性能，在恶劣环境下，这种复合材料可作为金属材料的替代品，既能起到导电作用，又能抵抗各种环境的侵蚀作用。在土木工程领域，常采用环氧树脂作为结构粘接材料或者各种涂层，而这种由导电填料和环氧树脂组成的导电填料在土木工程领域中应用较少。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种混凝土结构物应力应变传感器及其监测方法，该传感器性能稳定可靠、使用寿命长、与混凝土结构物相容性好、制作简单、造价低、埋设简便、成活率高。本发明采用环氧树脂作为基体材料，相比于水泥基基体材料的有点在于固化迅速，强度形成时间快，无需长时间养护，且基体材料本身不含毛细孔结构，因此不受水分的影响；本发明所提供的传感器基体由整块机敏材料构成，避免了复合结构造成的构造复杂以及制作繁琐的问题。本发明中利用环氧树脂-导电填料复合材料的机敏性，将其作为一种传感器，引用到土木工程领域，用以监测各种土木结构物的应力应变状态，为环氧树脂材料在土木工程领域中的应用提供了一条新思路。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种混凝土结构物应力应变传感器，包括环氧树脂机敏材料基体，所述环氧树脂机敏材料基体内部按设定间距布设若干内置电极，内置电极与环氧树脂机敏材料基体的受力面相平行，环氧树脂机敏材料基体表面均匀包裹有外部封装层；所述内置电极与外接导线连接，外接导线延伸至外部封装层外部。

所述内置电极为金属丝纵横垂直交错布置形成的网格状结构；采用这种网络状结构的内置电极便于制作，且埋设方便。环氧树脂与大多数金属之间具有较好的粘结强度，采用金属丝制成网格状结构作为电极有利于传感器的整体性。

所述内置电极的横向金属丝之间的间距与竖向金属丝之间的间距相等。

优选的，所述内置电极的横向金属丝之间的间距为2～15mm；间距太大会降低电极的有效性，间距太小会导致传感器内部出现断层，影响传感器的性能。

优选的，所述内置电极的竖向金属丝之间的间距为2～15mm；间距太大会降低电极的有效性，间距太小会导致传感器内部出现断层，影响传感器的性能。

组成所述网格状结构的金属丝的直径为0～1mm；金属丝过粗易影响传感器的性能。

所述外接导线包括金属丝导线，所述金属丝导线外部包裹有绝缘层。

所述环氧树脂机敏材料基体由环氧树脂和纳米导电填料的混合物制成；纳米导电填料可采用碳纳米管以及石墨烯，采用纳米导电填料能够提高环氧树脂基体的性能。纳米导电填料与环氧树脂的比例关系要根据所采用环氧树脂以及纳米导电填料的种类进行选用，例如对于双酚A型环氧树脂以及多壁碳纳米管，导电填料与环氧树脂一般采用0.5:100～10：100的比例。

所述外部封装层由不含导电填料的环氧树脂固化物制成；外部封装层的环氧树脂以及固化剂采用与环氧树脂机敏材料基体同样的材料类型以及混合比例，以保证整个传感器的协调统一。

一种混凝土结构物应力应变传感器的监测方法，包括以下步骤：

步骤1：对环氧树脂机敏材料基体的机敏性进行测试，得出应力应变传感器电阻的变化率与应力应变传感器受到应力和应变的定量关系；

步骤2：确定混凝土结构物中需要监测应力应变的位置；

步骤3：根据监测范围和监测要求，确定应力应变传感器的尺寸及内置电极的结构形式；

步骤4：将应力应变传感器埋设于混凝土结构物中，确保应力应变传感器受力良好；

步骤5：采集应力应变传感器内置电极之间的电阻值，通过应力应变传感器电阻的变化率对混凝土结构物内部的应力和应变进行监测。

所述步骤3的具体步骤为：

根据混凝土结构物中需要监测的范围确定应力应变传感器的外形尺寸，所选外形尺寸要保证不影响混凝土结构物本身的整体性；

根据混凝土结构物的监测要求及应力应变传感器的外形尺寸，确定内置电极的布设层数以及内置电极之间的布设间距；

所述步骤4的具体步骤为：

对混凝土结构物进行卸载和支护，保证混凝土结构物处于零外荷载的状态下；

在混凝土结构物的监测位置按照应力应变传感器的外形尺寸以及受力方向进行开槽，应力应变传感器与开槽的槽壁之间留有间隙；开槽的位置要保证精确，以保证应力应变传感器能够良好受力；开槽的大小要保证传感器能够埋入，并留有空隙，以便传感器与混凝土结构物的粘接；

配制环氧树脂胶，并将环氧树脂胶涂抹于开槽的内表面；所涂胶量要保证传感器与混凝土结构物的结合之间不留空隙；

将应力应变传感器按照受力方向，外接导线所在面朝外，嵌入开槽内，使应力应变传感器与开槽之间不留空隙；保证传感器按预定位置准确埋入，并使传感器被环氧树脂胶充分包裹

待环氧树脂胶完全凝固且达到强度要求后，去除混凝土结构物的支护。

本发明的工作原理为：

环氧树脂本身是一种热塑性低聚物，性能较差，但与固化剂进行固化反应形成三维交联网络后可呈现一系列优异的性能。环氧树脂固化后具有优良的力学性能、尺寸稳定性、化学稳定性以及耐久性，能够抵抗各种酸、碱、溶剂以及霉菌的侵蚀作用，而且这种环氧树脂固化物能够通过掺入增塑剂、增韧剂等进行改性，因而与很多不同力学性能的的建筑材料都具有很好的相容性。环氧树脂固化物与混凝土材料具有很好的相容性。

将碳纳米管、纳米石墨烯等导电材料掺入并分散于环氧树脂(可采用双酚A型环氧树脂)中，并采用固化剂(可采用多元胺类固化剂)进行固化所得到的复合材料具有较好的导电性和机敏性，将其作为传感器，并植入混凝土结构物内部能够很好地感应结构物内部的应力应变的变化，可作为混凝土结构物健康监测的一种传感器。这种传感器既具有常规传感器的感应能力，又与混凝土结构物有很好的相容性，并且具有很好的力学性能，耐久性好，性能稳定，造价低，因而可作为混凝土结构物中一种很好的应力应变传感器，长期监测混凝土内部应力应变的状况。

本发明的有益效果为：

1、本发明传感器与混凝土结构物具有很好的相容性，能够与混凝土结构物共同工作。

2、本发明传感器性能稳定，使用寿命长，植入存活率高，能用来长期监测混凝土结构物内部应力应变状况。

3、本发明传感器制作灵活简便，可根据监测要求灵活调整传感器的外形以及内部结构，适用性较强。

4、本发明传感器埋设简单，易于使用。

5、本发明传感器成本较低，有益于推广使用。

附图说明

图1是本发明混凝土结构物应力应变传感器的典型外形示意图；

图2是本发明混凝土结构物应力应变传感器的内外结构示意图；

图3是本发明混凝土结构物应力应变传感器在混凝土结构物中的布设过程准备示意图；

图4是本发明混凝土结构物应力应变传感器在混凝土结构物中布设完成后的示意图。

图中，1：环氧树脂机敏材料基体；2：内置电极；3：外接导线；4：外部封装层；5：混凝土结构物，6：开槽，7：应力应变传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示的是混凝土结构物应力应变传感器典型外形，图2所示的混凝土结构物应力应变传感器的内外结构图，混凝土结构物应力应变传感器，包括环氧树脂机敏材料基体1、内置电极2、外接导线3和外部封装层4；内置电极2按一定间距平行排列于环氧树脂机敏材料基体1内部，并与应力应变传感器7受力面平行；外接导线3焊接于所述内置电极2上并延伸至环氧树脂机敏材料基体1外；所述外部封装层4均匀包裹在所述环氧树脂机敏材料基体1表面；应力应变传感器7在投入使用前需要对环氧树脂机敏材料基体的机敏性进行测试，确定其在拉力以及压力作用下，内部应力与应力应变传感器7电阻变化率的定量关系。

环氧树脂机敏材料基体1为环氧树脂(可采用双酚A型环氧树脂)和纳米导电填料(可采用碳纳米管)均匀混合，并采用固化剂(可采用多元胺类固化剂)进行固化后得到的复合材料。环氧树脂与纳米导电填料混合可采用机械搅拌配合超声分散法，也可采用高速乳化剪切法进行，环氧树脂与固化剂的比例可根据环氧树脂与固化剂的化学反应式进行计算，导电填料的用量要同时考虑传感器造价、工程要求以及传感器本身的灵敏性(例如多壁碳纳米管采用0.5wt％～10wt％)进行确定。

内置电极2可采用导电性较好的金属网，金属网表面要平整，表面洁净无钝化，金属网丝的直径不超过1mm，金属网丝过粗易影响传感器的性能。金属网丝的间距一般为2mm～15mm，间距太大会降低电极的有效性，间距太小会导致传感器内部出现断层，影响传感器的性能。具体的间距要根据传感器的大小以及金属网丝的直径确定，传感器尺寸较大可采用较大间距，金属网丝直径较小可采用较小的间距，所述内置电极之间的间距根据混凝土结构物内部应力应变监测所需的精细程度确定，监测越精细所述内置电极的分部间距越小。

外接导线3可采用常规金属丝导线，外部包裹绝缘皮，通过焊锡焊接到所述内置电极2上。

外部封装层4为环氧树脂固化物，与所述环氧树脂机敏材料基体1采用同样的材料类型以及混合比例，以保证整个传感器的协调统一。

本发明应力应变传感器可直接在混凝土结构物浇筑时进行预埋，也可以在已建混凝土结构物中进行直接埋设。以后者为例，本发明应力应变传感器的埋设步骤为：

1.确定混凝土结构物中需要监测应力应变的位置；

2.根据所需监测的范围确定传感器的外形尺寸，所选外形尺寸要保尽量不影响混凝土结构物本身的整体性；

3.根据混凝土结构物的监测要求以及传感器的外形尺寸确定传感器内电极的形式以及排列间距；

4.对混凝土结构物进行卸载和支护保证混凝土结构物处于零外荷载的状态下；

5.在混凝土结构物监测位置按照传感器外形尺寸以及受力方向进行开槽，如图3,，槽的位置要足够精确，以保证传感器能够良好受力，槽的大小要保证传感器能够正好埋入，并留有一定空隙，以便传感器与混凝土结构物的粘接；

6.配制环氧树脂胶，环氧树脂胶由环氧树脂与固化剂混合而成，二者的材料和配比与传感器基体一致；

7.将环氧树脂胶涂抹于所开槽的内表面，所涂胶量要保证传感器与混凝土结构物的结合之间不留空隙；

8.将传感器按照受力方向，外接导线所在面朝外，嵌入所开槽内，如图3，保证传感器按预定位置准确埋入，并使传感器被环氧树脂胶充分包裹，如图4；

9.待环氧树脂胶体完全凝固且达到强度要求后，去除混凝土结构物的支护。此时可开始对结构物的应力和应变进行监测；

10.混凝土结构物内部应力应变的变化可以通过传感器两个内置电极之间的电阻率的变化率来表征，并可通过电阻变化率与应力、应变的对应关系找出相应的应力和应变，传感器监测的位置即两电极之间的基体所连接的混凝土部分。

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 (10)

1.一种混凝土结构物应力应变传感器，其特征是，包括环氧树脂机敏材料基体，所述环氧树脂机敏材料基体内部按设定间距布设若干内置电极，内置电极与环氧树脂机敏材料基体的受力面相平行，环氧树脂机敏材料基体表面均匀包裹有外部封装层；所述内置电极与外接导线连接，外接导线延伸至外部封装层外部。

2.如权利要求1所述的应力应变传感器，其特征是，所述内置电极为金属丝纵横垂直交错布置形成的网格状结构。

3.如权利要求2所述的应力应变传感器，其特征是，所述内置电极的横向金属丝之间的间距与竖向金属丝之间的间距相等。

4.如权利要求3所述的应力应变传感器，其特征是，所述内置电极的横向金属丝之间的间距为2～15mm；所述内置电极的竖向金属丝之间的间距为2～15mm。

5.如权利要求2所述的应力应变传感器，其特征是，组成所述网格状结构的金属丝的直径为0～1mm。

6.如权利要求1或2所述的应力应变传感器，其特征是，所述外接导线包括金属丝导线，所述金属丝导线外部包裹有绝缘层。

7.如权利要求1或2所述的应力应变传感器，其特征是，所述环氧树脂机敏材料基体由环氧树脂和纳米导电填料的混合物制成；所述外部封装层由不含导电填料的环氧树脂固化物制成。

8.利用权利要求1-7任一项所述的应力应变传感器的监测方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：对环氧树脂机敏材料基体的机敏性进行测试，得出应力应变传感器电阻的变化率与应力应变传感器受到应力和应变的定量关系；

步骤2：确定混凝土结构物中需要监测应力应变的位置；

步骤3：根据监测范围和监测要求，确定应力应变传感器的尺寸及内置电极的结构形式；

步骤4：将应力应变传感器埋设于混凝土结构物中，确保应力应变传感器受力良好；

步骤5：采集应力应变传感器内置电极之间的电阻，通过应力应变传感器电阻的变化率对混凝土结构物内部的应力和应变进行监测。

9.如权利要求8所述的应力应变传感器的监测方法，其特征是，所述步骤3的具体步骤为：

根据混凝土结构物中需要监测的范围确定应力应变传感器的外形尺寸，所选外形尺寸要保证不影响混凝土结构物本身的整体性；

根据混凝土结构物的监测要求及应力应变传感器的外形尺寸，确定内置电极的布设层数以及内置电极之间的布设间距。

10.如权利要求8所述的应力应变传感器的监测方法，其特征是，所述步骤4的具体步骤为：

对混凝土结构物进行卸载和支护，保证混凝土结构物处于零外荷载的状态下；

在混凝土结构物的监测位置按照应力应变传感器的外形尺寸以及受力方向进行开槽，应力应变传感器与开槽的槽壁之间留有间隙；

配制环氧树脂胶，并将环氧树脂胶涂抹于开槽的内表面；

将应力应变传感器按照受力方向，外接导线所在面朝外，嵌入开槽内，使应力应变传感器与开槽之间不留空隙；

待环氧树脂胶完全凝固且达到强度要求后，去除混凝土结构物的支护。