CN109577558A - 一种新型具有形状记忆功能的筋材 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型具有形状记忆功能的筋材，其中心纤维束包括有由若干热致感应型形状记忆纤维排列成圆柱体形状的纤维束主体，纤维束主体的中心位置放置光纤传感器，中心纤维束外表面设置内衬层，内衬层外表面缠绕电阻发热丝，内衬层外围套装有位于电阻发热丝外围的绝热保护层，中心纤维束、内衬层、电阻发热丝、绝热保护层组成该新型具有形状记忆功能的筋材的筋材主体结构；筋材主体结构的两端部设置锚固端，各锚固端分别设置金属触点，电阻发热丝的前、后端部分别与相应侧金属触点电性连接。本发明的新型具有形状记忆功能的筋材具有设计新颖、耐久性和抗腐蚀性好、使用寿命长的优点，且具有变形恢复能力并能有效对筋材内部应变分布进行监测。

Description

一种新型具有形状记忆功能的筋材

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种新型具有形状记忆功能的筋材。

背景技术

钢筋混凝土结构为现今应用最为广泛的建筑材料，在社会发展各个层面均具有重要地位。传统钢筋混凝土结构在使用过程中，混凝土的脆性极易引起开裂，进而造成混凝土保护层失效并引起钢筋锈蚀，从而影响结构正常使用功能并降低结构使用寿命。

另外，对于钢筋混凝土结构而言，钢筋与混凝土协同受力，以实现结构功能，在正常使用过程中，钢筋受力变形小于屈服应变，具有较为理想的协同工作性能。但是，在地震荷载、外力撞击等偶然荷载作用下，钢筋超过拉伸屈服应变会引起结构功能退化，进而使得构件出现不可恢复形变。

综合上述情况可知，对于现有的钢筋混凝土结构而言，其存在以下缺陷，具体的：

1、钢筋混凝土结构中，钢筋变形不可恢复，为永久变形损伤；

2、钢筋混凝土结构受力变形，混凝土开裂能够引起钢筋损伤锈蚀，进一步降低结构正常使用功能；

3、钢筋应变关系到构件内部应力分布，同时是反映构件使用状态的重要指标，但普通钢筋不能通过有效手段反映内部应变分布。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足而提供一种新型具有形状记忆功能的筋材，该新型具有形状记忆功能的筋材设计新颖、耐久性和抗腐蚀性好，使用寿命长，且具有变形恢复能力并能够有效地对筋材内部应变分布进行监测。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现。

一种新型具有形状记忆功能的筋材，包括有中心纤维束，中心纤维束包括有由若干热致感应型形状记忆纤维排列成圆柱体形状的纤维束主体，纤维束主体中的各热致感应型形状记忆纤维分别呈直线长条形状且所有热致感应型形状记忆纤维平行分布，各热致感应型形状记忆纤维的直径值分别为0.05mm-2mm，纤维束主体的外径值为8mm-30mm；中心纤维束还包括有位于纤维束主体的中心位置且沿着纤维束主体轴向延伸的光纤传感器，光纤传感器的前端部延伸至纤维束主体的前端侧，光纤传感器的后端部延伸至纤维束主体的后端侧，光纤传感器、纤维束主体中的所有热致感应型形状记忆纤维在放置于盛放有树脂的浸胶槽中进行充分浸胶之后粘合成一体结构并形成中心纤维束；

中心纤维束的外表面于纤维束主体的外围设置有由高强树脂喷涂而成的内衬层，内衬层的外表面缠绕有沿着中心纤维束的轴线方向螺旋延伸的电阻发热丝，内衬层的外围套装有由复合硅酸铝镁材料制备而成且位于电阻发热丝外围的绝热保护层，中心纤维束、内衬层、电阻发热丝、绝热保护层组成该新型具有形状记忆功能的筋材的筋材主体结构；

该新型具有形状记忆功能的筋材还包括有封装锚固于筋材主体结构前端部的前侧锚固端、封装锚固于筋材主体结构后端部的后侧锚固端，前侧锚固端、后侧锚固端分别由树脂增强玻璃纤维材料制备而成，前侧锚固端、后侧锚固端对应光纤传感器分别开设有光纤通道，光纤传感器的前端部穿过前侧锚固端的光纤通道并延伸至前侧锚固端的前端侧，光纤传感器的后端部穿过后侧锚固端的光纤通道并延伸至后侧锚固端的后端侧；前侧锚固端、后侧锚固端分别设置有朝外凸出延伸的金属触点，电阻发热丝的前端部与前侧锚固端的金属触点电性连接，电阻发热丝的后端部与后侧锚固端的金属触点电性连接，前侧锚固端、后侧锚固端的金属触点分别电性连接有朝外延伸的供电导线。

其中，该新型具有形状记忆功能的筋材采用以下制备方法制备而成，具体的，一种新型具有形状记忆功能的筋材的制备方法，其包括有以下步骤：

a、生产加工热致感应型形状记忆纤维；

b、将光纤传感器、热致感应型形状记忆纤维放置于盛放有树脂的浸胶槽中进行充分浸胶，成束后经干燥固化形成中心纤维束，所有热致感应型形状记忆纤维排列成中心纤维束的纤维束主体，光纤传感器位于纤维束中体的中心位置，光纤传感器的前端部延伸至纤维束主体的前端侧，光纤传感器的后端部延伸至纤维束主体的后端侧；

c、将高强树脂喷涂于中心纤维束的外表面，以形成内衬层；

d、将电阻发热丝螺旋缠绕于内衬层的外围；

e、于内衬层的外围套装绝热保护层，且绝热保护位于电阻发热丝外围；

f、于筋材主体结构前端部封装锚固前侧锚固端，于筋材主体结构后端部封装锚固后侧锚固端，并使得光纤传感器的前端部穿过前侧锚固端的光纤通道以及光纤传感器的后端部穿过后侧锚固端的光纤通道，同时使得电阻发热丝的前端部与前侧锚固端的金属触点电性连接以及电阻发热丝的后端部与后侧锚固端的金属触点电性连接；

g、于前侧锚固端、后侧锚固端的金属触点分别电性连接供电导线；

h、安装浇筑混凝土，并使得连接各金属触点的供电导线以及光纤传感器的两端部分别伸出混凝土表面。

其中，对于浇筑有该新型具有形状记忆功能的筋材的混凝土而言，当混凝土出现裂缝时，采用以下施工方法进行施工，该施工方法包括有以下步骤，具体的：

a、将光纤传感器的两端部分别与解调仪连接，解调仪采集光纤内部激光的衍射和反射，以确定筋材沿长度方向的变形量，同时监控筋材结构的工作状态；

b、将两个供电导线分别连接24V工业级直流电源，其中一供电导线连接24V工业级直流电源的正极端，另一供电导线连接24V工业级直流电源的负极端；

c、通过24V工业级直流电源为电阻发热丝供电，电阻发热丝通电后产生热量，该热量经由内衬层传导至纤维束主体，由热致感应型形状记忆纤维组成的纤维束主体在温度刺激下收缩变形，纤维束主体的收缩变形作用力作用于混凝土并使得裂缝宽度减小。

其中，其中一所述供电导线与所述24V工业级直流电源之间电性连接有一用于控制所述电阻发热丝供电电量的电量采集控制装置。

其中，所述绝热保护层的厚度值小于1mm。

其中，所述热致感应型形状记忆纤维为PE纤维。

其中，所述热致感应型形状记忆纤维为PVC纤维。

本发明的有益效果为：本发明所述的一种新型具有形状记忆功能的筋材，其包括有中心纤维束，中心纤维束包括有由若干热致感应型形状记忆纤维排列成圆柱体形状的纤维束主体，纤维束主体中的各热致感应型形状记忆纤维分别呈直线长条形状且所有热致感应型形状记忆纤维平行分布，各热致感应型形状记忆纤维的直径值分别为0.05mm-2mm，纤维束主体的外径值为8mm-30mm；中心纤维束还包括有位于纤维束主体的中心位置且沿着纤维束主体轴向延伸的光纤传感器，光纤传感器的前端部延伸至纤维束主体的前端侧，光纤传感器的后端部延伸至纤维束主体的后端侧，光纤传感器、纤维束主体中的所有热致感应型形状记忆纤维在放置于盛放有树脂的浸胶槽中进行充分浸胶之后粘合成一体结构并形成中心纤维束；中心纤维束的外表面于纤维束主体的外围设置有由高强树脂喷涂而成的内衬层，内衬层的外表面缠绕有沿着中心纤维束的轴线方向螺旋延伸的电阻发热丝，内衬层的外围套装有由复合硅酸铝镁材料制备而成且位于电阻发热丝外围的绝热保护层，中心纤维束、内衬层、电阻发热丝、绝热保护层组成该新型具有形状记忆功能的筋材的筋材主体结构；该新型具有形状记忆功能的筋材还包括有封装锚固于筋材主体结构前端部的前侧锚固端、封装锚固于筋材主体结构后端部的后侧锚固端，前侧锚固端、后侧锚固端分别由树脂增强玻璃纤维材料制备而成，前侧锚固端、后侧锚固端对应光纤传感器分别开设有光纤通道，光纤传感器的前端部穿过前侧锚固端的光纤通道并延伸至前侧锚固端的前端侧，光纤传感器的后端部穿过后侧锚固端的光纤通道并延伸至后侧锚固端的后端侧；前侧锚固端、后侧锚固端分别设置有朝外凸出延伸的金属触点，电阻发热丝的前端部与前侧锚固端的金属触点电性连接，电阻发热丝的后端部与后侧锚固端的金属触点电性连接，前侧锚固端、后侧锚固端的金属触点分别电性连接有朝外延伸的供电导线。通过上述设计，本发明的新型具有形状记忆功能的筋材具有设计新颖、耐久性和抗腐蚀性好、使用寿命长的优点，且具有变形恢复能力并能够有效地对筋材内部应变分布进行监测。

附图说明

下面利用附图来对本发明进行进一步的说明，但是附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的内部结构示意图。

图3为于混凝土出现裂缝时的结构示意图。

图4为于混凝土在裂缝收缩减小施工后的结构示意图。

在图1至图4中包括有：

1——中心纤维束 11——纤维束主体

111——热致感应型形状记忆纤维 12——光纤传感器

2——内衬层 3——电阻发热丝

4——绝热保护层 51——前侧锚固端

52——后侧锚固端 53——金属触点

6——筋材 7——混凝土。

具体实施方式

下面结合具体的实施方式来对本发明进行说明。

如图1和图2所示，一种新型具有形状记忆功能的筋材，包括有中心纤维束1，中心纤维束1包括有由若干热致感应型形状记忆纤维111排列成圆柱体形状的纤维束主体11，纤维束主体11中的各热致感应型形状记忆纤维111分别呈直线长条形状且所有热致感应型形状记忆纤维111平行分布，各热致感应型形状记忆纤维111的直径值分别为0.05mm-2mm，纤维束主体11的外径值为8mm-30mm；中心纤维束1还包括有位于纤维束主体11的中心位置且沿着纤维束主体11轴向延伸的光纤传感器12，光纤传感器12的前端部延伸至纤维束主体11的前端侧，光纤传感器12的后端部延伸至纤维束主体11的后端侧，光纤传感器12、纤维束主体11中的所有热致感应型形状记忆纤维111在放置于盛放有树脂的浸胶槽中进行充分浸胶之后粘合成一体结构并形成中心纤维束1。

进一步的，中心纤维束1的外表面于纤维束主体11的外围设置有由高强树脂喷涂而成的内衬层2，内衬层2的外表面缠绕有沿着中心纤维束1的轴线方向螺旋延伸的电阻发热丝3，内衬层2的外围套装有由复合硅酸铝镁材料制备而成且位于电阻发热丝3外围的绝热保护层4，中心纤维束1、内衬层2、电阻发热丝3、绝热保护层4组成该新型具有形状记忆功能的筋材的筋材6主体结构。

更进一步的，该新型具有形状记忆功能的筋材还包括有封装锚固于筋材6主体结构前端部的前侧锚固端51、封装锚固于筋材6主体结构后端部的后侧锚固端52，前侧锚固端51、后侧锚固端52分别由树脂增强玻璃纤维材料制备而成，前侧锚固端51、后侧锚固端52对应光纤传感器12分别开设有光纤通道，光纤传感器12的前端部穿过前侧锚固端51的光纤通道并延伸至前侧锚固端51的前端侧，光纤传感器12的后端部穿过后侧锚固端52的光纤通道并延伸至后侧锚固端52的后端侧；前侧锚固端51、后侧锚固端52分别设置有朝外凸出延伸的金属触点53，电阻发热丝3的前端部与前侧锚固端51的金属触点53电性连接，电阻发热丝3的后端部与后侧锚固端52的金属触点53电性连接，前侧锚固端51、后侧锚固端52的金属触点53分别电性连接有朝外延伸的供电导线。

优选的，绝热保护层4的厚度值小于1mm，热致感应型形状记忆纤维111为PE纤维或者PVC纤维。

其中，该新型具有形状记忆功能的筋材采用以下制备方法制备而成，具体的，一种新型具有形状记忆功能的筋材的制备方法，其包括有以下步骤：

a、生产加工热致感应型形状记忆纤维111；

b、将光纤传感器12、热致感应型形状记忆纤维111放置于盛放有树脂的浸胶槽中进行充分浸胶，成束后经干燥固化形成中心纤维束1，所有热致感应型形状记忆纤维111排列成中心纤维束1的纤维束主体11，光纤传感器12位于纤维束中体的中心位置，光纤传感器12的前端部延伸至纤维束主体11的前端侧，光纤传感器12的后端部延伸至纤维束主体11的后端侧；

c、将高强树脂喷涂于中心纤维束1的外表面，以形成内衬层2；

d、将电阻发热丝3螺旋缠绕于内衬层2的外围；

e、于内衬层2的外围套装绝热保护层4，且绝热保护位于电阻发热丝3外围；

f、于筋材6主体结构前端部封装锚固前侧锚固端51，于筋材6主体结构后端部封装锚固后侧锚固端52，并使得光纤传感器12的前端部穿过前侧锚固端51的光纤通道以及光纤传感器12的后端部穿过后侧锚固端52的光纤通道，同时使得电阻发热丝3的前端部与前侧锚固端51的金属触点53电性连接以及电阻发热丝3的后端部与后侧锚固端52的金属触点53电性连接；

g、于前侧锚固端51、后侧锚固端52的金属触点53分别电性连接供电导线；

h、安装浇筑混凝土7，并使得连接各金属触点53的供电导线以及光纤传感器12的两端部分别伸出混凝土7表面。

另外，如图3和图4所示，对于浇筑有该新型具有形状记忆功能的筋材的混凝土7而言，当混凝土7出现裂缝时，采用以下施工方法进行施工，该施工方法包括有以下步骤，具体的：

a、将光纤传感器12的两端部分别与解调仪连接，解调仪采集光纤内部激光的衍射和反射，以确定筋材6沿长度方向的变形量，同时监控筋材6结构的工作状态；

b、将两个供电导线分别连接24V工业级直流电源，其中一供电导线连接24V工业级直流电源的正极端，另一供电导线连接24V工业级直流电源的负极端；

c、通过24V工业级直流电源为电阻发热丝3供电，电阻发热丝3通电后产生热量，该热量经由内衬层2传导至纤维束主体11，由热致感应型形状记忆纤维111组成的纤维束主体11在温度刺激下收缩变形，纤维束主体11的收缩变形作用力作用于混凝土7并使得裂缝宽度减小。

4、根据权利要求3的一种新型具有形状记忆功能的筋材，其特征在于：其中一供电导线与24V工业级直流电源之间电性连接有一用于控制电阻发热丝3供电电量的电量采集控制装置。

对于本发明的新型具有形状记忆功能的筋材而言，通过具有变形能力的热致感应型形状记忆纤维111使其具有相应的变形恢复能力；在中心纤维束1成束过程中，在中心纤维束1的中间位置放置一根光纤传感器12，通过光纤传感器12进行筋材6应变采集；中心纤维束1表面包裹内衬层2，用于保证中心纤维束1协同受力，同时能够使得外界温度激励均匀分布；内衬层2外侧螺旋缠绕一根电阻发热丝3，通过控制电阻发热丝3的电通量调控纤维温度，实现激励功能；筋材6最外侧包裹绝热保护层4，使得温度集中于筋材6内部，不影响外侧材料及结构。

对于本发明的新型具有形状记忆功能的筋材而言，其具有以下优势，具体的：

1、由复合硅酸铝镁材料制备而成的绝热保护层4具有良好的耐久性和抗腐蚀性，进而能够有效地提高筋材6的使用寿命；

2、该新型筋材6在使用过程中受力变形，通过形状记忆功能实现结构功能恢复、变形复原；

3、形状记忆纤维能够在温度刺激下收缩变形，温度控制通过电阻电热丝进行控制；

4、中心纤维束1的中心位置放置光纤传感器12，通过光纤应变监测筋材6应变分布；

5、中心纤维束1表面设置内衬层2，以保证电阻发热丝3温度分布均匀，同时保护中心纤维束1；

6、电阻发热丝3螺旋缠绕，以均匀加热形状记忆纤维束，并通过电通量控制发热量大小；

7、电阻发热丝3外侧包裹绝热保护层4，绝热保护层4将升温控制在筋材6内部，不影响混凝土7结构，减少筋材6内部热量损失，同时提高温度控制精度；

8、绝热保护层4进行筋材6封装，形成保护层，延长筋材6寿命，提高筋材6与基体粘结强度；

9、筋材6前后端部通过前侧锚固端51、后侧锚固端52进行封装，以形成有效锚固。

综合上述情况可知，本发明具有设计新颖、耐久性和抗腐蚀性好、使用寿命长的优点，且具有变形恢复能力并能够有效地对筋材6内部应变分布进行监测。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种新型具有形状记忆功能的筋材，其特征在于：包括有中心纤维束（1），中心纤维束（1）包括有由若干热致感应型形状记忆纤维（111）排列成圆柱体形状的纤维束主体（11），纤维束主体（11）中的各热致感应型形状记忆纤维（111）分别呈直线长条形状且所有热致感应型形状记忆纤维（111）平行分布，各热致感应型形状记忆纤维（111）的直径值分别为0.05mm-2mm，纤维束主体（11）的外径值为8mm-30mm；中心纤维束（1）还包括有位于纤维束主体（11）的中心位置且沿着纤维束主体（11）轴向延伸的光纤传感器（12），光纤传感器（12）的前端部延伸至纤维束主体（11）的前端侧，光纤传感器（12）的后端部延伸至纤维束主体（11）的后端侧，光纤传感器（12）、纤维束主体（11）中的所有热致感应型形状记忆纤维（111）在放置于盛放有树脂的浸胶槽中进行充分浸胶之后粘合成一体结构并形成中心纤维束（1）；

中心纤维束（1）的外表面于纤维束主体（11）的外围设置有由高强树脂喷涂而成的内衬层（2），内衬层（2）的外表面缠绕有沿着中心纤维束（1）的轴线方向螺旋延伸的电阻发热丝（3），内衬层（2）的外围套装有由复合硅酸铝镁材料制备而成且位于电阻发热丝（3）外围的绝热保护层（4），中心纤维束（1）、内衬层（2）、电阻发热丝（3）、绝热保护层（4）组成该新型具有形状记忆功能的筋材的筋材（6）主体结构；

该新型具有形状记忆功能的筋材还包括有封装锚固于筋材（6）主体结构前端部的前侧锚固端（51）、封装锚固于筋材（6）主体结构后端部的后侧锚固端（52），前侧锚固端（51）、后侧锚固端（52）分别由树脂增强玻璃纤维材料制备而成，前侧锚固端（51）、后侧锚固端（52）对应光纤传感器（12）分别开设有光纤通道，光纤传感器（12）的前端部穿过前侧锚固端（51）的光纤通道并延伸至前侧锚固端（51）的前端侧，光纤传感器（12）的后端部穿过后侧锚固端（52）的光纤通道并延伸至后侧锚固端（52）的后端侧；前侧锚固端（51）、后侧锚固端（52）分别设置有朝外凸出延伸的金属触点（53），电阻发热丝（3）的前端部与前侧锚固端（51）的金属触点（53）电性连接，电阻发热丝（3）的后端部与后侧锚固端（52）的金属触点（53）电性连接，前侧锚固端（51）、后侧锚固端（52）的金属触点（53）分别电性连接有朝外延伸的供电导线。

2.根据权利要求1所述的一种新型具有形状记忆功能的筋材，其特征在于：该新型具有形状记忆功能的筋材采用以下制备方法制备而成，具体的，一种新型具有形状记忆功能的筋材的制备方法，其包括有以下步骤：

a、生产加工热致感应型形状记忆纤维（111）；

b、将光纤传感器（12）、热致感应型形状记忆纤维（111）放置于盛放有树脂的浸胶槽中进行充分浸胶，成束后经干燥固化形成中心纤维束（1），所有热致感应型形状记忆纤维（111）排列成中心纤维束（1）的纤维束主体（11），光纤传感器（12）位于纤维束中体的中心位置，光纤传感器（12）的前端部延伸至纤维束主体（11）的前端侧，光纤传感器（12）的后端部延伸至纤维束主体（11）的后端侧；

c、将高强树脂喷涂于中心纤维束（1）的外表面，以形成内衬层（2）；

d、将电阻发热丝（3）螺旋缠绕于内衬层（2）的外围；

e、于内衬层（2）的外围套装绝热保护层（4），且绝热保护位于电阻发热丝（3）外围；

f、于筋材（6）主体结构前端部封装锚固前侧锚固端（51），于筋材（6）主体结构后端部封装锚固后侧锚固端（52），并使得光纤传感器（12）的前端部穿过前侧锚固端（51）的光纤通道以及光纤传感器（12）的后端部穿过后侧锚固端（52）的光纤通道，同时使得电阻发热丝（3）的前端部与前侧锚固端（51）的金属触点（53）电性连接以及电阻发热丝（3）的后端部与后侧锚固端（52）的金属触点（53）电性连接；

g、于前侧锚固端（51）、后侧锚固端（52）的金属触点（53）分别电性连接供电导线；

h、安装浇筑混凝土（7），并使得连接各金属触点（53）的供电导线以及光纤传感器（12）的两端部分别伸出混凝土（7）表面。

3.根据权利要求1所述的一种新型具有形状记忆功能的筋材，其特征在于：对于浇筑有该新型具有形状记忆功能的筋材的混凝土（7）而言，当混凝土（7）出现裂缝时，采用以下施工方法进行施工，该施工方法包括有以下步骤，具体的：

a、将光纤传感器（12）的两端部分别与解调仪连接，解调仪采集光纤内部激光的衍射和反射，以确定筋材（6）沿长度方向的变形量，同时监控筋材（6）结构的工作状态；

b、将两个供电导线分别连接24V工业级直流电源，其中一供电导线连接24V工业级直流电源的正极端，另一供电导线连接24V工业级直流电源的负极端；

c、通过24V工业级直流电源为电阻发热丝（3）供电，电阻发热丝（3）通电后产生热量，该热量经由内衬层（2）传导至纤维束主体（11），由热致感应型形状记忆纤维（111）组成的纤维束主体（11）在温度刺激下收缩变形，纤维束主体（11）的收缩变形作用力作用于混凝土（7）并使得裂缝宽度减小。

4.根据权利要求3所述的一种新型具有形状记忆功能的筋材，其特征在于：其中一所述供电导线与所述24V工业级直流电源之间电性连接有一用于控制所述电阻发热丝（3）供电电量的电量采集控制装置。

5.根据权利要求1所述的一种新型具有形状记忆功能的筋材，其特征在于：所述绝热保护层（4）的厚度值小于1mm。

6.根据权利要求1所述的一种新型具有形状记忆功能的筋材，其特征在于：所述热致感应型形状记忆纤维（111）为PE纤维。

7.根据权利要求1所述的一种新型具有形状记忆功能的筋材，其特征在于：所述热致感应型形状记忆纤维（111）为PVC纤维。