CN111995314A

CN111995314A - 用于桥梁检测与监控的方法及使用的复合材料

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Publication number: CN111995314A
Application number: CN202010869844.5A
Authority: CN
Inventors: 李晋; 李翔; 刘广波; 纪续; 袁凯; 董旭; 崔新壮
Original assignee: Shandong Jiaotong University
Current assignee: Shandong Jiaotong University
Priority date: 2020-08-26
Filing date: 2020-08-26
Publication date: 2020-11-27
Anticipated expiration: 2040-08-26
Also published as: CN111995314B

Abstract

本发明公开了用于桥梁检测与监控的方法及使用的复合材料，分别称2‑4重量份的取粉煤灰、2‑4重量份异氰酸酯、2‑4重量份份聚醚、0.1‑0.3重量份消泡剂、0.4‑1.4重量份碳纤维及15‑28重量份水泥；将称取的水泥、粉煤灰、消泡剂和异氰酸酯进行机械搅拌，使其散热均匀后，将聚醚缓缓倒入，继续进行搅拌一直到温度在35℃‑45℃时，用异氰酸酯的剪切分散作用确保碳纤维分布均匀；最后将碳纤维倒入，搅拌均匀后放入支护好的模板中。该复合材料含有导电性的碳纤维，可以根据桥梁所受外荷载产生变形引起碳纤维聚氨酯水泥复合材料电阻发生变化，通过采集电流实现对实体桥梁检测与监控的目的。

Description

用于桥梁检测与监控的方法及使用的复合材料

技术领域

本发明涉及桥梁工程领域，具体地说是一种用于桥梁检测与监控的方法及使用的复合材料。

背景技术

随着中国经济与社会的快速发展，人民生活水平也日益提高。居民的交通出行需求迅速增加。我国交通建设的迅速发展，交通运输量大幅度增加，行车密度及车辆载重越来越大，这也会造成桥梁结构的损伤继而加剧其自然老化。桥梁损伤的原因可能是人为因素，也可能是自然灾害。因此对桥梁进行科学、合理、定期的检测，有利于保证桥梁在使用过程中的稳定性和安全性。目前，我国对桥梁工作状态评定普遍采用荷载试验，荷载试验成本较高，工作量巨大，同时对设备和人员要求较高；对桥梁只能定期检测，无法实现监控的目的。

近年来碳纤维聚氨酯水泥复合材料具有耐腐蚀、密度小、成型速度快等优点，可应用于桥梁维修与加固中。碳纤维聚氨酯水泥复合材料因含具有导电相的短切碳纤维，不仅可以改善其力学性能，还可以显著降低电阳率，在外力作用下电阻发生变化，通过采集碳纤维聚氨酯水泥复合材料的电流变化来监控及检测桥梁结构的稳定性。目前桥梁检测业务投入大，检测过程复杂及方法不科学，检测数据不精确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于桥梁检测与监控的方法及使用的复合材料，该检测方法检测过程简单且能保证检测数据的精确，检测成本低，清洁环保。该复合材料含有导电性的碳纤维，可以根据桥梁所受外荷载产生变形引起碳纤维聚氨酯水泥复合材料电阻发生变化，通过采集电流实现对实体桥梁检测与监控的目的。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：用于桥梁检测与监控的复合材料，包括2-4重量份的粉煤灰、2-4重量份异氰酸酯、2-4重量份聚醚、0.1-0.3重量份消泡剂、0.4-1.4重量份碳纤维和15-28重量份水泥，具体制作步骤如下：

(1)、分别称取粉煤灰、异氰酸酯、份聚醚、消泡剂、碳纤维及水泥；

(2)、将称取的水泥、粉煤灰、消泡剂和异氰酸酯进行机械搅拌，使其散热均匀后，将聚醚缓缓倒入，继续进行搅拌一直到温度在35℃-45℃时，用异氰酸酯的剪切分散作用确保碳纤维分布均匀；

(3)、最后将碳纤维倒入，搅拌均匀后放入支护好的模板中。

进一步，包括3重量份的粉煤灰、3重量份的异氰酸酯、3重量份的聚醚、0.2重量份的消泡剂、0.8重量份的碳纤维和21重量份的水泥，具体制作步骤如下：

(1)、用千分之一电子天平分别称取粉煤灰，异氰酸酯，聚醚，消泡剂，碳纤维及水泥；

(2)、将称取的水泥、粉煤灰、消泡剂、异氰酸酯进行机械搅拌，搅拌2min后使其散热均匀后，将聚醚缓缓倒入，继续进行搅拌3min，一直到温度在40℃时，用异氰酸酯的剪切分散作用确保碳纤维分布均匀；

(3)、最后将碳纤维倒入，搅拌均匀后放入支护好的模板中。

使用权利1或2所述的复合材料进行桥梁检测与监控的方法，包括底部桥面板、碳纤维聚氨酯水泥复合材料、模板、蓄电池、电流采集器、报警装置、碳纤维聚氨酯水泥复合材料固定装置和桥梁支座，所述底部桥面板的底面四角处分别设有桥梁支座，所述模板设于底部桥面板顶面，所述蓄电池、电流采集器和报警装置通过连接导线电联；

使用步骤如下：

(1)、底部桥面板跨中截面及相应检测位置处用砂纸打磨，清除桥梁在使用过程中附着物，必要时可用水枪冲洗；

(2)、在桥梁支座、1/4跨以及跨中截面处各支护三道模板，支护前可在模板上沿处涂一层油脂，防止下一步碳纤维聚氨酯水泥复合材料在灌注时渗漏出模板；

(3)、借助小型喷漆设备，将搅拌均匀后的碳纤维聚氨酯水泥复合材料灌注到模板中：

(4)、将灌注过程中渗漏出的碳纤维聚氨酯水泥复合材料用小刀和小铲清除，防止与外部水分等接触，影响采集导电数据的准确性；

(5)、待碳纤维聚氨酯水泥复合材料养护成型后，在两端涂刷1.2mm-1.4mm厚导电银胶，同时将导线一端与导电银胶相连，待二者固化后引出导线电极，施加电源提供电流，采用电压表采集电压，将蓄电池，电流表与碳纤维聚氨酯水泥复合材料相连，供电；

(6)、依据《公路桥梁荷载试验规程》(JTG T J21-01-2015)，静载试验效率公式：

以荷载试验效率η＝1.05对桥梁进行加载，并连接电流采集器与报警装置，将荷载试验效率η＝1.05所对应的电流值定为极限电流值；根据报警装置信号判定桥梁损伤情况；

(7)、将电流采集器收集的数据用USB传输至计算机，通过采集的电流值，来分析评定桥梁的运行状态。

进一步，所述的模板是上部无盖的长方体木板，内部涂抹油和脱模剂，模板的两端分别设有便于引出导线的通孔。

进一步，在步骤(3)中为确保灌注均匀，在灌注时候可用橡皮锤轻微敲击模板。

本发明的有益效果是：

本发明能充分发挥碳纤维聚氨酯水泥复合材料的导电性，将复合材料与力学、电学联系在一起，弥补以往桥梁检测的耗时耗力的缺陷，提升桥梁检测效率。利用蓄电池并安装报警装置，便于为碳纤维聚氨酯水泥复合材料提供电源，对桥梁运行状态进行实时监控。利用电流采集器，能时时刻刻获得桥梁的受力状态，分析桥梁结构的本构关系，也能计算分析桥梁的通行量等，为进一步交通规划提供设计依据。相对于定期进行桥梁检测，实时监测能够有效避免桥梁坍塌事故的发生，更好的保证交通运行和人民的财产安全。

附图说明

图1为碳纤维聚氨酯水泥复合材料作用于桥面板底部效果图；

图2为实施电路图；

图3为碳纤维含量与电流关系图。

图中：101-底部桥面板，102-碳纤维聚氨酯水泥复合材料及模板，103-蓄电池，104-电流采集器，105-连接导线，106-报警装置，107-碳纤维聚氨酯水泥复合材料固定装置，108-桥梁支座。

具体实施方式

参照说明书附图对本发明的用于桥梁检测与监控的方法及使用的复合材料作以下详细说明。

本发明的用于桥梁检测与监控的复合材料，包括2-4重量份的粉煤灰、2-4重量份异氰酸酯、2-4重量份聚醚、0.1-0.3重量份消泡剂、0.4-1.4重量份碳纤维和15-28重量份水泥，具体制作步骤如下：

(2)、将称取的水泥、粉煤灰、消泡剂和异氰酸酯进行机械搅拌，搅拌2min后使其散热均匀后，将聚醚缓缓倒入，继续进行搅拌3min，一直到温度在35℃-45℃时，用异氰酸酯的剪切分散作用确保碳纤维分布均匀；

(3)、最后将0.4-1.4重量份碳纤维倒入，搅拌均匀后放入支护好的模板中。

对所述的各组分体积比3：3：3：0.2：0.8：21通过复合材料强度、流动度及表观试验确定，试验如下：试验一：所述的3份异氰酸酯和3份聚醚是通过复合材料强度试验选取，参照规范《水泥胶砂抗折强度试验》(T0506-2005),具体试验步骤如下：

步骤1)、用千分之一电子天平分别称取3重量份的粉煤灰、0.2重量份的消泡剂、0.8重量份的碳纤维及21重量份的水泥，异氰酸酯分别称取2重量份、3重量份、4重量份，聚醚分别称取2重量份、3重量份、4重量份。

步骤2)、将称取的21重量份的水泥、0.2重量份的消泡剂、3重量份的粉煤灰和1.5重量份异氰酸酯进行机械搅拌，搅拌2min后使其散热均匀后，放入0.8重量份碳纤维并将2份聚醚缓缓倒入，继续进行搅拌3min。

步骤3)一直到温度在40℃左右，再用0.5份异氰酸酯的剪切分散作用确保碳纤维分布均匀。

按照以上步骤，分别制作含3份，4份的异氰酸酯和聚醚复合材料抗折试件，其中分别用0.5重量份的异氰酸酯的剪切分散作用确保碳纤维分布均匀。制作完成后按照规范养护。

步骤4)对养护完成后的试件进行复合材料抗折强度试验，试验结果如下：

通过以上试验数据，采用2重量份的异氰酸酯和2重量份聚醚抗折强度相对较低；采用3重量份的异氰酸酯和3重量份的聚醚与采用4重量份的异氰酸酯和4重量份的聚醚抗折效果相近，考虑材料成本及注射时复合材料的流动度，采用3重量份异氰酸酯和3重量份聚醚的复合材料更适用于桥梁底部检测。

试验二：所述的3重量份的粉煤灰是通过复合材料流动度试验选取，参照规范《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T2419-2005),具体试验步骤如下：

步骤1)、用千分之一电子天平分别称取3重量份异氰酸酯、3重量份聚醚、0.2重量份的消泡剂、0.8重量份的碳纤维及21重量份的水泥，粉煤灰分别称取2重量份、3重量份、4重量份。

步骤2)、将称取的21重量份的水泥、0.2重量份的消泡剂、2重量份的粉煤灰、2.5重量份的异氰酸酯进行机械搅拌，搅拌2min后使其散热均匀后，放入0.8重量份的碳纤维并将3重量份的聚醚缓缓倒入，继续进行搅拌3min。

步骤3)、一直到温度在40℃左右，再用0.5重量份的异氰酸酯的剪切分散作用确保碳纤维分布均匀。

步骤4)将复合材料分两次倒入试模，第一次倒入截锥圆模高度的三分之二处，用小刀在相互垂直的两个方向各划4-6次，用捣棒由边缘至中心均匀捣压10-20次；随后装入第二层，装至高出截锥圆模约20mm，用小刀在相互垂直的两个方向各划4-6次，用捣棒由边缘至中心均匀捣压5-15次。

步骤5)捣压完毕取下模套，抹去高出截锥圆模的复合材料，提起截锥圆模，开动跳桌，25s完成25次跳动。

步骤6)在6min内，完成从复合材料加水开始到测量扩散直径。按照以上步骤，分别完成含3份和4份的粉煤灰复合材料流动度试验，试验结果如下：

通过以上试验数据，采用2份粉煤灰流动度较大；采用4重量份流动度较小，流动度小于230mm注射时存在一定的困难；采用3重量份粉煤灰流动度适宜，便于注射，同时与采用2重量份相比更能提升复合材料强度。

试验三：所述的0.2重量份消泡剂是通过观测制备复合材料抗折强度试件表面气泡数量选取，具体试验步骤如下：

步骤1)用千分之一电子天平分别称取3重量份的粉煤灰、3重量份的异氰酸酯、3重量份的聚醚、0.8重量份的碳纤维及21重量份的水泥，消泡剂分别称取0.1重量份、0.2重量份、0.3重量份。

步骤2)将称取的21重量份的水泥、0.1重量份的消泡剂、3重量份的粉煤灰、2.5重量份的异氰酸酯进行机械搅拌，搅拌2min后使其散热均匀后，放入0.8重量份的碳纤维并将3重量份的聚醚缓缓倒入，继续进行搅拌3min。

步骤3)一直到温度在40℃左右，再用0.5重量份的异氰酸酯的剪切分散作用确保碳纤维分布均匀。

按照以上步骤，分别制作含0.2重量份、0.3重量份消泡剂的复合材料抗折试件，制作完成后观察试件上表面气泡数量。观察结果如下：

通过以上试验数据，采用0.1重量份的消泡剂试件上表面气泡较多；采用0.2重量份、0.3重量份消泡剂产生的气泡数量相近，存在零星气泡，消泡效果明显。考虑材料成本及防止影响注射时复合材料的流动度，采用0.2重量份的消泡剂更适用于复合材料的制备。

如图3所示，0.8重量份的碳纤维为最优选的重量份数，通过复合材料导电试验选取，具体试验步骤如下：

a、将碳纤维含量分为8重量份，其他成分含量不变，各份掺量比例为0：0.2：0.4：0.6：0.8：1.0：1.2：1.4,制成160mm×40mm×40mm的导电试件。

b、用导线将电流表、开关、电池、电压表连接，电池输出电压60V。

c、连接完毕后闭合开关，通过电流表示数，记录各组试件通过的电流，并绘制电流随碳纤维含量变化关系图，如图3所示。

d、分析图3知，0.8重量份的碳纤维为最优添加量。

根据上述试验可知，用于桥梁检测与监控的复合材料，最优选的包括3重量份的粉煤灰、3重量份的异氰酸酯、3重量份的聚醚、0.2重量份的消泡剂、0.8重量份的碳纤维和21重量份的水泥，具体制作步骤如下：

(1)、用千分之一电子天平分别称取3重量份粉煤灰，3重量份异氰酸酯，3重量份聚醚，0.2重量份消泡剂，0.8重量份碳纤维及21重量份的水泥。

(2)、将称取的水泥、粉煤灰、消泡剂和异氰酸酯进行机械搅拌，搅拌2min后使其散热均匀后，将聚醚缓缓倒入，继续进行搅拌3min，一直到温度在40℃时，用异氰酸酯的剪切分散作用确保碳纤维分布均匀。

(3)、最后将0.8重量份的碳纤维倒入，搅拌均匀后放入支护好的模板中。

如图1、图2所示，使用上述的复合材料进行桥梁检测与监控的方法，包括底部桥面板101、碳纤维聚氨酯水泥复合材料及模板102、蓄电池103、电流采集器104、连接导线105、报警装置106、碳纤维聚氨酯水泥复合材料固定装置107和桥梁支座108；所述底部桥面板101的底面四角处分别设有桥梁支座108，所述模板设于底部桥面板顶面，所述蓄电池103、电流采集器104和报警装置106通过连接导线电联。

使用方法如下：

(1)、底部桥面板跨中截面及其他相应检测位置处用砂纸打磨，相应位置一般是桥梁的1/4跨，对于大桥或特大桥可根据实际检测需要设置1/8跨和1/16跨等。清除桥梁在使用过程中附着物，必要时可用水枪冲洗。

(2)、在桥梁支座、1/4跨以及跨中截面处各支护三道模板，支护前可在模板上沿处涂一层油脂，防止下一步碳纤维聚氨酯水泥复合材料在灌注时渗漏出模板。

(3)、借助专业的小型喷漆设备，将搅拌均匀后的碳纤维聚氨酯水泥复合材料灌注到模板中，为确保灌注均匀，在灌注时候可用橡皮锤轻微敲击模板。

(4)、将灌注过程中渗漏出的碳纤维聚氨酯水泥复合材料用小刀和小铲清除，防止与外部水分等接触，影响采集导电数据的准确性。

(5)、待碳纤维聚氨酯水泥复合材料养护成型后，在两端涂刷1.2mm-1.4mm厚导电银胶，同时将导线一端与导电银胶相连，待二者固化后引出导线电极，施加60V稳压电源提供电流，采用UT61E数字万用表采集电压，将蓄电池，电流表与碳纤维聚氨酯水泥复合材料相连，供电。能时时刻刻获得桥梁的受力状态，分析桥梁结构的本构关系，也能计算分析桥梁的通行量等，为进一步交通规划提供设计依据。

以荷载试验效率η＝1.05对桥梁进行加载，并连接电流采集器与报警装置，将荷载试验效率η＝1.05所对应的电流值定为极限电流值；根据报警装置信号判定桥梁损伤情况。若增加荷载，桥梁发生变形，实测电流值小于极限电流值时，发出报警信号；若荷载消失，桥梁恢复变形，实测电流值大于极限电流值时，报警停止；若一直发出报警信号，说明桥梁损伤较大，无法恢复变形，桥梁存在重大安全隐患。利用蓄电池并安装报警装置，便于为碳纤维聚氨酯水泥复合材料提供电源，对桥梁运行状态进行实时监控。

(8)、将电流采集器收集的数据用USB传输至计算机，通过采集的电流值，来分析评定桥梁的运行状态。

其中，所述的模板是上部无盖的长方体木板，内部涂抹油和脱模剂，模板的两端分别设有便于引出导线的通孔。模板长为桥宽，宽为2cm，高为1.5cm。由于每道模板质量较小，灌注的碳纤维聚氨酯水泥复合材料质量也较小，可在模板两端及中间固定在桥底。

实施例：

对于用于水泥胶砂抗折试验的混凝土试件，参照规范《水泥胶砂抗折强度试验》(T0506-2005)进行制得3组试件并养护。

制作步骤：

步骤1)、用千分之一电子天平分别称取3重量份粉煤灰，3重量份异氰酸酯，3重量份聚醚，0.2重量份消泡剂，0.8重量份碳纤维及21重量份水泥。

步骤2)、将称取的水泥、粉煤灰、消泡剂、异氰酸酯进行机械搅拌，搅拌2min后使其散热均匀后，将聚醚缓缓倒入，继续进行搅拌3min一直到温度在40℃左右，确保碳纤维分布均匀。

步骤3)、最后将0.8份碳纤维倒入，搅拌均匀后放入支护好的模板中。

对于碳纤维聚氨酯水泥复合材料固结于水泥胶砂抗折试件底部，进行模拟荷载作用于桥面板的试验包括几个步骤：

步骤1)、对抗折试件用小木板进行模板支护，模板尺寸为160mm×40mm×40mm。

步骤2)、用医用注射器将碳纤维聚氨酯水泥复合材料注射模板中，并清除渗漏材料。

步骤3)、采用60V稳压电源，为碳纤维聚氨酯水泥复合材料提供电流。并安装电压表、电流表记录某刻的电压与电流。

步骤4)、参照规范《水泥胶砂抗折强度试验》(T0506-2005)对试件进行加压，同时开通电源，分别记录3组试件每隔10s时电压与电流值。

表一 1号电流随时间变化

表二 2号电阻随时间变化

表三 3号电阻随时间变化

可知，电阻逐渐增加，电流逐渐减小。在整个抗折加载过程中，试件底部的碳纤维聚氨酯水泥复合材料与水泥胶砂试件固结良好，并未出现明显剥离。因此，一种用于桥梁检测与监控的复合材料及方法是切实可行，值得在桥梁检测领域推广使用的。

本发明的碳纤维聚氨酯水泥复合材料含有导电性的碳纤维，利用碳纤维的导电性可以根据桥梁所受外荷载产生变形引起碳纤维聚氨酯水泥复合材料电阻发生变化，通过采集电流实现对实体桥梁检测与监控的目的。碳纤维聚氨酯水泥复合材料与桥梁底部能较好的连结，且制备工艺简便易操作，相对于普通桥梁检测仪器成本更低，清洁环保。对于严重超载车辆能做出报警反馈，在5G迅速到来之际，能有效与公安系统实现桥梁安全联网实时监控，能有效保证桥梁安全的同时，对超载车辆也能起到最大程度上的遏制。

以上所述，只是用图解说明本发明的一些原理，本说明书并非是要将本发明局限在所示所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

除说明书所述技术特征外，其余技术特征均为本领域技术人员已知技术。

Claims

1.用于桥梁检测与监控的复合材料，其特征是，包括2-4重量份的粉煤灰、2-4重量份异氰酸酯、2-4重量份聚醚、0.1-0.3重量份消泡剂、0.4-1.4重量份碳纤维和15-28重量份水泥，具体制作步骤如下：

(3)、最后将碳纤维倒入，搅拌均匀后放入支护好的模板中。

2.根据权利要求1所述的用于桥梁检测与监控的复合材料，其特征是，包括3重量份的粉煤灰、3重量份的异氰酸酯、3重量份的聚醚、0.2重量份的消泡剂、0.8重量份的碳纤维和21重量份的水泥，具体制作步骤如下：

(3)、最后将碳纤维倒入，搅拌均匀后放入支护好的模板中。

3.使用权利要求1或2所述的复合材料进行桥梁检测与监控的方法，其特征是，包括底部桥面板、碳纤维聚氨酯水泥复合材料、模板、蓄电池、电流采集器、报警装置、碳纤维聚氨酯水泥复合材料固定装置和桥梁支座，所述底部桥面板的底面四角处分别设有桥梁支座，所述模板设于底部桥面板顶面，所述蓄电池、电流采集器和报警装置通过连接导线电联；

使用步骤如下：

4.根据权利要求3所述的用于桥梁检测与监控的方法，其特征是，所述的模板是上部无盖的长方体木板，内部涂抹油和脱模剂，模板的两端分别设有便于引出导线的通孔。

5.根据权利要求3所述的用于桥梁检测与监控的方法，其特征是，在步骤(3)中为确保灌注均匀，在灌注时候可用橡皮锤轻微敲击模板。