JP2004301517A - Damage detecting sensor using inorganic composite material having conductive particles dispersed therein and its use - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、社会基盤構造物の健全性を診断(ヘルスモニタリング)技術に応用することを目指し、、特に、導電性粒子を無機系材料に複合化することにより、自己診断機能材料としての用途を備える無機系複合材料の利用した損傷検出センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、社会基盤構造物の健全性を診断する技術への期待が高まっている。例えば、コンクリート構造物における急速な劣化が社会的問題として顕在化し、コンクリート部材に対する損傷診断技術が求められている。
構造材料や建築構造物においては、材料内部に発生した変形・歪み・損傷の検知(センサ機能)には、光ファイバーを用いることが知られている(特許文献1)。光ファイバーを用いた場合、そのアセンブリ・コスト及び検知用システムコストは高い。また、光ファイバー自身は、損傷を受けやすく、材料内部で損傷する可能性がある。この場合、変形・ひずみ・損傷の検知は不可能となる。また、ひずみゲージを構造物の表面に張り付けて、変形等を検知することもできる。しかし、当該ゲージでは構造物表面の状態しか検知できず、内部状態を検知することができない。
【0003】
また、構造体内あるいは構造体に付与される成形体内に導電性粒子の相を形成し、構造体における変形等を導電性の変化として検知する自己診断材料が開示されている(特許文献2)。また、炭素粉末あるいは炭素繊維を含んだ強化プラスチックを含浸させたガラス繊維束を自己診断材料として用いることも開示されている(特許文献3)。これらの材料は、導電性粒子相等における構造変化による材料自身の電気抵抗変化を利用した損傷検出が可能である。しかしながら、これらの材料は建築構造物の損傷を診断する際、低ひずみ領域(0.2%)における高感度センシング及び累積損傷を診断するのに不十分な電気抵抗の変化特性を表していた。
【0004】
【特許文献1】
特開2001−249035号公報
【特許文献2】
特開平9−100356号公報
【特許文献3】
特開2001−41774号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、低ひずみ領域において高感度センシング可能な損傷センサを提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を解決するべく、従来導電経路を保持するのに用いられてきた弾性変形性や靭性を備えるマトリックスに替えて、敢えて脆性的な破壊挙動を有するマトリックスに着目し、導電性粒子を脆性マトリックスに分散させ、さらに、このマトリックスに繊維を組み合わせることにより、低ひずみ領域から広い範囲にわたり高感度な損傷センサを構築可能であることを見出した。
これらの知見によれば、以下の手段が提供される。
【0007】
(1)損傷検出センサであって、
脆性マトリックスと、
前記脆性マトリックス中に分散される導電性粒子による導電経路と、
前記脆性マトリックス中に配され当該マトリックスを強化する補強材料、
とを備える、センサ。
(2)前記補強材料は、前記脆性マトリックス中に二次元的あるいは三次元的に所定の方向性を有して配されている繊維である、(1)記載のセンサ。
(3)前記補強材料は、前記脆性マトリックス中に無方向性的に分散状に配されている繊維である、(1)記載のセンサ。
(4)前記脆性マトリックスと前記導電性粒子との重量の総和に対して、前記導電性粒子を20wt%以上50wt%以下含有する、(1)〜(3)のいずれかに記載のセンサ。
(5)前記脆性マトリックスは、ガラス質である、(1)〜(4)のいずれかに記載のセンサ。
(6)前記ガラス質マトリックスは、以下の組成;
PbO210wt%以上45wt%以下、
B2O315wt%以上30wt%以下、
SiO220wt%以上40wt%以下及び
Al2O35wt%以上10wt%以下
を有するガラスである、(5)記載のセンサ。
(7)前記導電性粒子は、RuO2、IrO2、RhO2、Bi2Ru2O7、Pb2Ru2O7、Pb2Ru2O6.5及びIn2O−SnO2からなる群から選択される1種あるいは2種以上である、(1)〜(6)のいずれかに記載のセンサ。
(8)前記補強材料を、前記マトリックスと前記導電性粒子の総体積に対して5〜50vol%含有する、(1)〜(7)のいずれかに記載のセンサ。
(9)表面には樹脂を含む被覆相を備える、(1)〜(8)のいずれかに記載のセンサ。
(10)前記導電経路の電気抵抗値の変化を測定することにより、前記センサを装着した構築物のひずみ量、変形量及び損傷度のうち少なくとも1つを検出可能である、(1)〜(9)のいずれかに記載のセンサ。
(11)前記導電経路の電気抵抗の変化と残留電気抵抗を測定することにより、前記センサを装着した構築物の累積損傷を検出可能である、(1)〜(9)のいずれかに記載のセンサ。
(12)構築物の損傷検知方法であって、
構築物の内部あるいは表面に備えられる(1)〜(11)のいずれかに記載のセンサの前記導電経路の導電性を測定する工程を備える、方法。
【0008】
本発明のセンサは、脆性マトリックスと導電性粒子と繊維とを備えることにより、構築物の低ひずみ領域での高感度なセンシングを可能とし、しかも、構築物の損傷履歴並びに寿命予測が可能となる。
本発明のセンサの高度なセンシングは、例えば以下のメカニズムにより説明することができる。図1に、方向性を有するように配された繊維24を有する複合相2の一形態を示しているが、脆性マトリックス4と導電性粒子14とを有する複合相2にあっては、脆性マトリックス4を採用しているため低ひずみ領域においても微細クラック34が発生しやくなっている。微細クラック34は、導電性粒子14同士の接触を低下させる。さらに破壊が進展すると微細クラック14が増加し、導電性粒子14の接触がさらに低下する他、当該粒子14にも微細クラック34を生じさせる。一方、本発明の複合形態によれば、繊維24によりマトリックス4が強化されているため、微細クラック34が発生し増加しても、クラック34の存在を許容して本複合相2を維持することができる。本発明センサは、このようなメカニズムにより、低ひずみ領域で高感度なセンシングが可能である。
また、本発明のセンサは、微細クラックを複合相2中に維持することから、変化したままの導電性を保持することができる。したがって、本センサは、損傷履歴を記憶することができる。
以上のことから、本センサは、脆性マトリックス4を有する複合相2の脆性的な破壊挙動を利用するものということができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図2に本発明のセンサ1の一形態を参照しながら説明する。なお、図2に示す形態は、本センサの好ましい一形態ではあるが本センサは当該例示されるセンサに限定されるものではない。
本センサ1は、導電性粒子14と脆性マトリックス4と繊維などの補強材料24とを備える複合相2を有しており、この複合相2は、図1に示すように、外部から応力がかかると、まず脆性マトリックス4に微細クラック34が生じ、応力の増加によりマトリックス4中の微細クラック34が増大及び/又は増加するという破壊挙動を取り、さらに、高強度を持っている補強材料24自体は損傷せず、補強材料24が緻密に存在する領域のマトリックス4は大きく損傷するという破壊挙動を取るように構成されることが好ましい。すなわち、脆性マトリックス4の脆性破壊挙動を利用して高感度センシングを可能とするとともに、脆性マトリックス4を補強材料24で補強して破壊進行を遅延化できる形態を採用することが望ましい。
【0010】
本センサ1における導電経路は、図1に示すような導電性粒子14の連続的な接触形態(以下、パーコレーション構造ともいう。)を有している。
導電経路自体の形態は、特に限定しない。例えば、線状、面状、チューブ状、あるいはデザインされた二次元あるいは三次元形状を取ることができる。また、これらの形態の導電経路が積層された形態も含むことができる。
検知しようとする、あるいは発生する可能性のある応力の種類、方向などに応じて適宜選択することができる。
導電経路を構成する導電性粒子14は、導電性を有する粒子14であれば特に限定しないで使用できる。例えば、炭素、導電性を持つ金属酸化物、金属窒化物等の導電性セラミックス、金属、導電性プラスチックを使用できる。導電性材料としては、300Kにおける電気抵抗(ρ)(Ωcm)が2.3×10−2以下であることが好ましい。より好ましくは、1.5×10−3以下である。
【0011】
例えば、導電性セラミックスとしては、窒化チタンなどを挙げることができるが、好ましくは、RuO2、IrO2、RhO2、Bi2Ru2O7、Pb2Ru2O7、Pb2Ru2O6.5及びIn2O−SnO2である。これらのセラミックスからなる導電性粒子14は、応力を受ける際、粒子自体にも微細クラックが生じやすいので低い応力に対して、敏感な電気抵抗の変化を持っているからである。好ましくは、RuO2を用い、さらに好ましくは、RuO2のみを用いることもできる。なお、導電性粒子14としては、1種あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。
【0012】
導電性粒子14の形態は特に問わない。粒子14は、球状、フレーク状(薄片状)、ウィスカ状、ファイバー状、棒状等とすることができる。導電性粒子は、このような形態を有する粒子を1種あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。
導電性粒子のサイズも特に限定しないが、好ましくは、10 nm〜0.5μmである。
【0013】
導電性粒子14は、後述する脆性マトリックスと当該導電性粒子との重量の総和に対して、20wt%以上50wt%の範囲で含有されていることが好ましい。20wt%未満であると、パーコレーション構造の形成が困難となり、導電性が低くなりすぎてセンサとしての機能が発揮されにくくなる。また、50wt%を超えると、導電性は良好ではあるが、導電性粒子がマトリックス中において凝集して不均一な分散状態となるとともに、相対的に脆性相の割合が減少するため、不十分な脆性破壊が生じることになり、本発明において得ようとする脆性破壊挙動を発現しにくくなる。
【0014】
導電性粒子14のパーコレーション構造による導電経路は脆性マトリックス4に保持された状態で損傷検出センサとされている。さらに好ましくは、この脆性マトリックス4が、さらに後述する被覆相44に被覆されている。
なお、マトリックス4は、導電性粒子14を直接保持する媒体を意味するものとする。導電経路がマトリックス4に保持されている場合、導電経路は、脆性マトリックス4中に導電性相として存在することになる。
【0015】
マトリックス4は、導電経路における電気抵抗の変化を検知できる程度に、導電性が低いことを要する。好ましくは、導電性粒子14に比較して実質的に導電性がないか、あるいは絶縁性であることが好ましい。特に、絶縁性材料を使用することは、導電経路の精度を確保する上で重要である。
また、マトリックス4は、導電経路による損傷検知能を確保する観点から、導電性に影響を及ぼす成分、特に、水などの導電性成分が非浸透性であることが好ましい。特に、構造体のコンクリートやモルタルなどのセメント系材料部位に本センサを設置する場合には、水非浸透性の樹脂などのマトリックス4中に埋設状に導電経路を備えるようにするか、あるいはこれに替えてもしくはこれに併用して導電経路を水非浸透性材料で被覆するようにすることができる。
【0016】
脆性マトリックス4は、保持された導電経路が構造体の損傷センサ1として機能することを許容する材料で構成されている。
本発明においては、脆性とは、外力の作用により、破壊に至るまでの変形能力の乏しい材料の性質をいうものとする。したがって、脆性マトリックスを構成する材料は、通常、ガラス質材料やセラミックス材料である。
本発明においては、脆性マトリックス4としては、ガラス質であることが好ましい。ガラスは、組成や成分の調整により焼成温度を容易にコントロールでき、低温度で焼成することが出来るので,導電性粒子とガラスとの界面で熱応力がほぼ存在せず,しかも、本センサの固有の電気抵抗の調整や抵抗温度係数を低く(例えば、ゼロに近く)することも可能であるからである。なお、抵抗温度係数をゼロに近くすることにより、構築物へ本センサ1を適用するのにあたり、温度の影響を排除することができることになる。また、ガラスは焼成時においてセラミックス繊維や導電性粒子に対する濡れ性が高いという製造上及び複合形態構成上の利点もある。
【0017】
ガラス質材料としては、特に限定しないものの、1000℃以下で焼成可能な組成であることが好ましい。1000℃を超えると、セラミックス繊維の酸化による劣化可能性が大きくなるからである。当該観点からは、好ましくは、PbO−B2O3−SiO2系ガラスを用いることができる。また、より好ましくは、PbO210wt%以上45wt%以下、B2O315wt%以上30wt%以下、SiO220wt%以上40wt%以下及びAl2O35wt%以上10wt%以下の組成とすることが好ましい。当該組成範囲外においては、ガラス生成温度が1000℃を超えてしまうからである。また、特にPbO2が10wt%未満の場合、RuO2の分散性が低下してしまうからである。
【0018】
本複合相2には、脆性マトリックス4と導電性粒子14との他、マトリックス4あるいは複合相2を補強できるような補強材料24を含んでいる。
材質としては、ガラス、セラミックス、プラスチックなどであるが、導電経路の電気的特性を妨げない材質、配合比率および配合形態であることを要する。好ましくはガラス及びセラミックス絶縁性材料を用いる。例えば、アルミナやムライトの繊維を用いることができる。
このような補強材料24としては、不定形、球状、薄片上、ウイスカー等の粒子状でもよいが、好ましくは、連続繊維(一方向繊維)、長繊維、短繊維などの繊維状体である。より好ましくは、センサの大きさにおおよそ匹敵する程度の長さの連続繊維である。
【0019】
繊維の形態は、単繊維形態でもよいが、繊維束となっていてもよいし、線状体の他、適当な長さの繊維が交絡されるか、織物、あるいは編物などとしてシート状体あるいは細長いテープ状体であってもよい。さらには、繊維束あるいは単繊維によって二次元あるいは三次元状のネット状骨格体、交絡体、および織物を形成していてもよい。繊維が複合化などされて二次元あるいは三次元形態を有している場合には、このような形態であれば、それ自体で検出材の形態を決定することができる。すなわち、センサ1に対して所望の形状を付与できるという機能も備えている。
【0020】
補強材料24のマトリックス4における存在形態は特に限定しないが、マトリックス4中に均一に存在させることもできるし、マトリックス4中に局在させることもできる。好ましくは、繊維材料24は、マトリックス4中に局在させる。当該局在形態によれば、外部から応力がかかるとまず脆性マトリックス4に微細クラック34が生じ、応力の増加により徐々に微細クラック34が増大し、その後、補強材料24あるいは補強材料24の密度が高いマトリックス4の領域が損傷するという破壊挙動を容易に得ることができる。当該破壊挙動が得られれば、高感度な損傷センシングが可能となる。あるいは、マトリックス4において補強材料24の局在領域と存在しない領域とにおいて同時的に微細クラック34が生じるという破壊挙動も生じ得て、センシング機能は向上すると考えられる。
【0021】
また、補強材料24は、マトリックス4中に方向性を持って存在させることが好ましい。好ましくは、外部応力におおよそ沿った方向に、連続する形態の補強材料を配置する。当該形態によれば、外部応力に対して一定の抵抗性を付与しつつ脆性破壊挙動を実現できる。
【0022】
補強材料24の好ましい一存在形態として、それ自体が最終的には外部応力を受けやすい形態(例えば、連続繊維状体)のものを方向性(例えば、応力の方向に沿って)を持って、脆性マトリックス4に配置する形態を挙げることができる。すなわち、本センサ1において補強材料24の好ましい存在形態の1つは、マトリックス4中に二次元的あるいは三次元的に所定の方向性を有して配置されている形態である。当該形態は、図1及び図2に例示されている。これらの形態では、補強材料24として、連続繊維の束状体が、線状に、すなわち、二次元的にマトリックス中に配されている。なお、三次元的に配置されている形態には、このような線状体が三次元ネットワーク状に配置されている形態が含まれる。
このように方向性を持って繊維が配されていることにより、その方向に沿った外力によるひずみを高感度に検知することが可能となる。後述するように、二次元的あるいは三次元的に補強材料を配した構造体を用いる場合、当該繊維に付随して複合相2を容易に形成することができる。したがって、繊維の配置状態により、二次元的あるいは三次的に設計した導電経路及び本複合相2を得ることができる。
【0023】
補強材料24の他の存在形態は、それ自体が応力を受けにくいあるいは受けても損傷しにくいような形態(例えば、短繊維状体)のものを、ランダムな配向で存在させる形態であって、このような補強材料24の脆性マトリックス4における分布を異ならせる。すなわち、当該補強材料24の密度が高い部分と低い部分とをマトリックス4中に形成する。この形態でも、本複合相2における好ましい脆性破壊挙動形態を形成することができる。
【0024】
なお、本センサは、繊維材料24をマトリックス4中に有することを本質とするが、繊維材料24をマトリックス4中に局在させた結果、補強材料24を含まないで、導電性粒子14と脆性マトリックス4とを備える第2の相3を備えることにもなる。既に述べたように、このような第2の相3により、センシングレベル等を調整することができる。
例えば、第2の相3は、図2に示す形態のセンサ1においては、繊維束状体の外周側となる。かかる場合、繊維束状体24の輪郭内部領域及び輪郭外部近傍領域においては本発明の複合相2が存在し、輪郭から離間した外部領域においては、前記第2の相3を備える構成を取っているということができる。
第2の相3は、補強材料を含まないため、脆性破壊的挙動を生じやすく、本発明の複合相2との組み合わせによれば、第2の相3の存在により、低ひずみ領域での損傷や変形を一層高度に検出できるようになる。すなわち、第2の相3において、まず導電性が低下し、次いで、本複合相において導電性が低下するというような順次的な脆性破壊挙動も生じ得るし、あるいは、第2の相と本複合相との複合的(同時的な場合を含む)な脆性破壊挙動も生じ得るため、センシング機能は向上すると考えられる。
【0025】
本センサ1においては、方向性を有する補強材料存在形態と無方向性の補強材料存在形態とを組み合わせて用いることもできる。
かかる補強材料24は、脆性マトリックス4と導電性粒子14との総体積に対して5vol%以上40vol%以下で付与されていることが好ましい。5vol%未満であると、脆性マトリックスの強化特性の発現が難しく、40vol%を超えると、導電性粒子の分散度が低下するとともに、強化特性が高すぎて低ひずみ領域での安定的な脆性破壊が起こりにくくなるからである。好ましくは、10vol%以上30vol%以下とする。
【0026】
本センサ1の備える形態は、特に限定しない。必要に応じて、シート状、棒状、繊維状、細長いテープ状の他、任意の三次元形状とすることができる。検出材の形態は、マトリックス材料自体の外形形態であってもよい。マトリックス材料自体の外形形態を本センサの形態とする場合には、マトリックス材料に当該材料の成形方法によって形態を付与することができる。前述したようにマトリックス4に含有される補強材料によって構築される構造体の形態に準じた形態であってもよい。
【0027】
本センサの大きさは、適用する構築物あるいはその適用箇所に対応させることができる。適用しようとする構築物の立設方向の長さ全体あるいはその一部に対応する長さとすることもできる。
【0028】
このようなセンサは、脆性マトリックス材料の種類に応じて、あるいはマトリックスに含有させる繊維などの種類や形態に応じて、従来公知の各種成形方法を用いることにより取得することができる。
通常、脆性マトリックス材料と導電性粒子とを配合した組成物を成形することにより本検出材を得ることができる。成形方法としては、従来公知の脆性材料の成形方法を採用することができる。また、脆性材料と他の成分との複合化技術を利用することにより、本センサを得ることもできる。
【0029】
また、脆性マトリックスに繊維などの補強材料を含有させるには、例えば、無方向的に配する場合には、マトリックス材料と導電性粒子とを含む組成物に均一に配合して成形することができる。また、連続繊維や二次元あるいは三次元形態を有する繊維構造体の場合には、これらの繊維構造体をマトリックス材料組成物中に埋め込んだり、あるいはこれらの繊維構造体をマトリックス材料と導電性粒子とを含む組成物のスラリーにディッピングすることにより形状を付与することができる。このような手法によると、繊維構造体あるいは繊維材料間にこの組成物が浸透して、本複合相が繊維材料の近傍に形成されることになる。
また、方向性を持って連続する繊維あるいは繊維構造体部分に沿ってマトリックス材料組成物を付与することにより、繊維方向あるいは繊維構造体部分に沿う方向性を有する導電経路を形成できる。
なお、脆性マトリックス材料がガラス質あるいはセラミックスの場合、最終的には焼成により本複合相を得る。補強材料がセラミックス繊維である場合には、当該補強材料の劣化を考慮して1000℃以下で焼成することが好ましい。また、ガラス質材料をマトリックスに採用する場合には、焼成温度は700℃以上であることが好ましい。700℃未満では、十分な焼成状態を得ることが困難であり,ガラスの材料が得られないだからである。
なお、ガラス質マトリックスを採用する場合には、ガラス組成のスラリーの中に繊維構造体をディッピングによる手法が有効である。
【0030】
マトリックス材料としてセラミックス材料を用いる場合には、従来公知の各種セラミックスの成形加工方法を適用することにより、本センサを得ることができる。導電性粒子、あるいは補強材料の複合化に関しても、これらの材料を複合化する従来公知の手法を適用することができる。
【0031】
なお、上記した製造方法は単なる例示であり、本センサの製法はこれに限定するものではなく、これらの材料の種類や形態に応じて、当業者に公知の方法を1種あるいは2種以上を組み合わせて適用することができる。
【0032】
本センサは、それが適用される構造体において有効に損傷検出機能を発揮するためには、含有する導電経路の電気的特性が構造体由来あるいはそれ以外に由来する原因によって妨げられないように防護されていることが好ましい。このような原因としては、水分、アルカリ、酸などを挙げることができるが、特に、水分の侵入が回避されていることが好ましい。また、コンクリート構造部分に適用する場合には、耐アルカリ性が確保されていることが好ましい。
したがって、本センサにおいては、マトリックスの外側にこのような各種原因から検出材を保護する担体(被覆相ともいう。)を備えていることが好ましい。被覆相は、例えば、絶縁性および/または水分の非浸透性との双方を備えていることが好ましい。もっとも好ましくはこれらの双方を備えていることが好ましい。具体的には、加工性に優れる絶縁性樹脂である、ビニルエステル樹脂、耐アルカリ性に優れる絶縁性樹脂であるエポキシ樹脂などを挙げることができる。
【0033】
被覆相は、マトリックスの周囲に1層または2層以上の層状の被覆相として形成することが好ましいが、その形態を層状に限定するものではない。なお、このような被覆相においても、マトリックスに含有させることのできる上記したガラス長繊維などの補強材料を配合することができる。これにより、検出材および/または構造体を補強することもできる。
【0034】
さらに、検出材には、構造体に適用する場合において、構造体中の所定の位置に安定して保持されること、構造体の変形に対してすべりを生じさせないなどの機能を有する材料および/または形態を備える定着材などを付加することができる。かかる定着材としては、絶縁性を有する高分子系材料であることが好ましく、また、ビニロン、アラミド、ガラスなどの絶縁性の繊維(連続繊維、長繊維あるいは短繊維)を含むものであることが好ましい。一例としては、連続繊維あるいは繊維束とビニルエステルなどの絶縁性樹脂とからなる線状体を、検出材の外周の少なくとも一部に凸状に備えるようにすることができる。例えば、細長い棒状体の検出材に対しては、このような線状体を検出材の外周にラセン状に巻きつけることにより、コンクリート相との界面での滑りを防止することができる。
【0035】
本センサの導電経路の端部などには、端子やリード線などを有することができる。このような端子やリード線を介して導電経路における電気抵抗値などの変化を検出することができるようになる。端子などは、導電経路を含有するマトリックスの成形後であって被覆相の形成前に装着加工することができる。
電気抵抗値などの計測方法は、その種類を問わないで用いることができる。電気抵抗値の計測方法として、定電流電圧計測法、低電圧電流計測法、さらにはブリッジ回路を用いる方法などがあるが、本発明ではその種類を限定しない。また、損傷を診断するにあたり、この電気抵抗値の計測方法として、連続計測および定期計測が挙げられる。これらの計測において計測時間、間隔、頻度などは、構造体の形態・規模や推定される損傷の形態・規模に応じて任意に選択できる。
【0036】
本センサを適用する構築物は、特に限定しない。各種構築物に適用することができる。建物、橋、ダム、高架物などの地上あるいは水上構築物、各種地下構築物にも適用することができる。
【0037】
本センサを構築物に適用するにあたっては、構築物の少なくとも一部に本センサを備えるようにすればよい。コンクリート構造体の場合、埋め込みしてもよいし、表面に設置してもよい。好ましくは、吹付けコンクリート、覆工コンクリート,鉄筋コンクリートの金属部品(例,金属ボルト)の部位である。また、補修などのためのセメント系材料適用部位(モルタル部分およびコンクリート部分)に適用することも好ましい。
【0038】
表面に設置する場合には、例えば、エポキシ樹脂系接着剤などの有機系接着剤によりこれらの表面に設置することもできるし、また、接着剤の使用に替えてあるいはこれとともにモルタルやコンクリートなどのセメント系材料で被覆して定着固定することでこれらの表面に設置することができる。さらに、これらの表面に設置する方法では、セメント系材料の吹付け工法などの応用が可能である。
なお、表面に設置する方法は、主に既設の構築物を対象とした方法である。
【0039】
また、コンクリート部分あるいはセメント系材料の適用部位の内部に埋設する場合には、例えば、コンクリートとの定着をとるために検出材の周囲を凹凸形状として、コンクリート打設前の型枠等に固定し、コンクリートの硬化により定着固定する。この方法は、新設構築物に対して有効な方法となる。また、既設構築物のコンクリートに対して補修をする際に、コンクリートの再打設時においても同様の方法により埋設することができる。
さらに、既設構築物のコンクリートに対して補修をする場合以外にも、そのコンクリート表面に線状の溝を形成し、その溝の中に検出材を設置した後にその溝をセメント系材料もしくは樹脂系材料を用いて埋めることにより設置することもできる。
内部に埋設する方法は、主に新設の構築物もしくは補修を要する既設構築物を対象とした方法である。内部埋設の典型的形態は、例えば、検出材を捧形状としてトンネル構造体の進行方向もしくはアーチ方向に対して十分な長さをもつ連続体として埋設する形態である。補強材料を含有する検出材を適用する場合、表面に設置する方法に比べ、内部に埋設する方法においてその効果が高いという特徴がある。
【0040】
構築物における本検出材の配置位置、配置方向、配置数およびその配置間隔等は、自由に設計・施工することができ、構築物の形態もしくは推定される損傷の形態に応じて最適設計が可能である。
【0041】
本センサは、以上の構成を備えるため、ひずみ、変形及び損傷等の外部応力が負荷された場合において、前記導電経路の導電性(電気抵抗値)が変化する。外部応力の大きさと電気抵抗値の変化量とは一定関係にあるため、測定した電気抵抗値からセンサに負荷された外部応力量を知ることができる。
特に、本センサは、導電性粒子の連続的な接触形態が補強材料により補強された脆性マトリックス中に備えられることにより、高感度なセンシング、例えば、鉄筋の変形の検出が可能である0.2%以下の低ひずみ領域でのセンシングが可能となる。
【0042】
さらに、本センサは、変形が作用した際の電気抵抗値変化が除荷後にも初期値に戻らず残留するという不可逆的な変化を示すことができる。この残留抵抗値の評価より過去に与えられた最大変形や損傷履歴を診断することが可能となる。これにより、このセンサを適用した構築物においては、地震などの災害発生後の電気抵抗値変化の計測をもとに災害時の最大損傷を診断できたり、残留抵抗値から損傷履歴を診断することとなり、常時モニタリングではなく定期的なモニタリングでの診断が可能となる。こういった観点から、本センサは、損傷履歴を記憶できるセンサであるといえる。
なお、モニタリングを通信回線などによる利用して行うことができる。例えば、本検出材を利用して計測した電気抵抗値などの関連情報を、遠隔地にある出力装置に通信手段を介して伝達し、出力することにより、遠隔地においても、容易に損傷の検出及びモニタリングが可能となる。
【0043】
本発明によれば、構築物への本センサの適用ならびにその電気抵抗値の計測により、簡便かつ迅速に構築物における劣化・変形の状況を高精度に診断できるだけでなく、複数の検出材の二次元的配置により異常個所の推定も可能とし、さらには電気抵抗変化の不可逆性を応用することにより損傷(最大損傷を含む)の履歴診断を可能となる。
【0044】
【実施例】
以下、本発明を具現化した実施例について、図2〜図6に基づいて説明する。なお、これらの実施例は、本発明を具体的に説明することを意図するものであって、これらの実施例によって本願発明を限定するものでは決してない。
【0045】
(実施例1:センサの作製)
本実施例では、図2に示す形態のセンサを作製した。センサ作製の工程を図3に示す。
RuO2粉末(平均粒径0.02〜0.1μm)と20wt%PbO2−40wt%B2O3−5wt%Al2O3−35wt%SiO2ガラス(具体的なガラス組成を教えてください)とテルピネオールなどの有機溶剤とを混合して、RuO2とガラスと樹脂の重量比が30wt%:40wt%:30wt%である均一なガラススラリーを調製した。
次に、長さ400mmのアルミナ連続繊維の繊維束(フィラメント径10μm、約1000本のモノフィラメントの束状体)を準備し、この連続繊維束の中央部分の約25cmを、調製したスラリー中に浸漬し、連続繊維束の表面および束状体内部にスラリーを浸透させた。
【0046】
ディッピング後の繊維束を、100℃で乾燥後、900℃で40分間焼成した。これにより、ディッピング部分において本発明の複合相が形成された。この複合相は、繊維束内部とその周囲にガラス質マトリックスとこのマトリックス中に分散されるRuO2粒子を含んでいた。
さらに、この焼成体部分に対してその両端に電気抵抗測定用の電極端子を取り付けた。電極加工後に、ビニルエステル樹脂材料とガラス繊維とを含む硬化性組成物中にデッピィングし、130℃で加熱して、ビニルエステル樹脂の被覆相をセンサ表面に形成した。
なお、引張り試験による評価のために試験器による保持用のリングを端部に設けた。
【0047】
(実施例2:引張り試験)
実施例1で作製したセンサを用いて、引張り試験を実施した。
引張り試験においては、荷重を徐々に増加させ、最終破壊までの応力と電気抵抗の変化を検出した。この結果を図4に示す。
さらに、約0.2%ひずみとなる500Nの一定な荷重を1000サイクル繰り返し負荷した場合(1サイクル50秒)時間に対して電気抵抗の変化の測定結果を図5に示す。また、このときの残留電気抵抗の変化を図6に示す。
【0048】
図4に示すように、最終破壊まで荷重の増加につれて電気抵抗は徐々に増加した。図4からは、0.13%以下の低ひずみ領域でも600%以上の大きな電気抵抗変化を表し、実施例1で作製したセンサは、高感度なセンシングが可能であることがわかった。また、0.1%ひずみ領域での電気抵抗の激しい増加は、マトリックス中での脆性破壊により、導電性粒子の接触を妨げる大きな損傷が起こっていることを意味している。
以上の結果は、複合相における微細クラックの発現と増加を支持し、とくに、約0.1%ひずみ領域での電気抵抗の大きな変化は、導電性粒子間の微細クラックが一挙に増加ないし増大したことを支持している。
【0049】
また、図5に示すように、一定荷重(500N)の繰り返し負荷に対して電気抵抗は徐々に大きくなっている。これらのことから、実施例1で作製したセンサには、残留電気抵抗現象の可能性が示唆された。
図6に示すように、残留電気抵抗は、サイクル数の増加とともに増大した。この結果から、実施例1で作製したセンサは、残留電気抵抗値を利用して損傷履歴を記憶できることがわかった。この現象を利用することにより,過去に受けた損傷の履歴に関する情報をこの複合材料の残留電気抵抗値を利用して記憶出来る可能性がある.このような残留電気抵抗の変化より構造物の疲労現象(累積損傷及び/又は疲労損傷)のモニタリングおよび寿命予測が出来る。
【0050】
以上の結果より導電性粒子の酸化ルテニウムを分散させたガラス基複合材料は脆性破壊特性による電気抵抗の増加現象を利用することから,従来の炭素繊維や炭素粒子を導電相として用いたGFRPに比べ,より低ひずみ領域(0.2%以下)での高感度な損傷検知が可能である.また,残留電気抵抗を発生することから,構造物の疲労現象のモニタリングおよび寿命予測のための自己診断材料として使われる.すなわち,社会基盤構造物の健全性診断(ヘルスモニタリング)技術に本材料を利用することが可能である。
【0051】
【発明の効果】
本発明によれば、低ひずみ領域において高感度センシング可能な損傷センサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のセンサにおける複合相の作用の概要を示す図である。
【図2】本発明のセンサの一実施形態を示す図であり、図2(a)は破断図であり、図2(b)は長さ方向に直交する面での断面図である、図2(c)は長さ方向に沿った断面図である。
【図3】本発明のセンサの作製工程の概略を示す図である。
【図4】実施例1で作製したセンサの引張り試験時の電気抵抗の変化とひずみとを示すグラフ図である。
【図5】実施例1で作製したセンサに対して繰り返し荷重負荷(500N、1サイクル50秒)時の電気抵抗の変化とひずみとを示すグラフ図である。
【図6】実施例1で作製したセンサに対して繰り返し荷重負荷(500N、1サイクル50秒)時の残留電気抵抗の変化を示すグラフ図である。
【符号の説明】
1 センサ
2 複合相
3 第2の複合相
4 脆性マトリックス
14 導電性粒子
24 補強材料
34 クラック
44 被覆相[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention aims to apply the soundness of a social infrastructure structure to a diagnosis (health monitoring) technique. In particular, by combining conductive particles with an inorganic material, the use as a self-diagnosis function material is improved. The present invention relates to a damage detection sensor using an inorganic composite material provided.
[0002]
[Prior art]
In recent years, expectations for technologies for diagnosing the soundness of social infrastructure structures have increased. For example, rapid deterioration of concrete structures has become a social problem, and there is a need for a technology for diagnosing damage to concrete members.
In structural materials and building structures, it is known that an optical fiber is used for detecting deformation, distortion, and damage generated inside the material (sensor function) (Patent Document 1). When an optical fiber is used, its assembly cost and detection system cost are high. Also, the optical fiber itself is susceptible to damage and may be damaged inside the material. In this case, it is impossible to detect deformation, strain, and damage. Further, a strain gauge can be attached to the surface of the structure to detect deformation or the like. However, the gauge can detect only the state of the structure surface, and cannot detect the internal state.
[0003]
Further, a self-diagnosis material has been disclosed which forms a phase of conductive particles in a structure or a molded body provided to the structure, and detects deformation or the like in the structure as a change in conductivity (Patent Document 2). It is also disclosed that a glass fiber bundle impregnated with carbon powder or reinforced plastic containing carbon fiber is used as a self-diagnosis material (Patent Document 3). With these materials, damage detection can be performed by using a change in electrical resistance of the material itself due to a structural change in the conductive particle phase or the like. However, when diagnosing damage to building structures, these materials exhibited sensitive sensing in the low strain region (0.2%) and change properties of electrical resistance insufficient to diagnose cumulative damage.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2001-249035 A
[Patent Document 2]
JP-A-9-100356
[Patent Document 3]
JP 2001-41774 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a damage sensor that can perform high-sensitivity sensing in a low strain region.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the present inventors have focused on a matrix having a brittle fracture behavior intentionally, instead of a matrix having elastic deformation and toughness conventionally used to hold conductive paths. By dispersing conductive particles in a brittle matrix and combining fibers with the matrix, it has been found that a highly sensitive damage sensor can be constructed over a wide range from a low strain region.
According to these findings, the following means are provided.
[0007]
(1) a damage detection sensor,
A brittle matrix;
A conductive path by conductive particles dispersed in the brittle matrix,
A reinforcing material disposed in the brittle matrix to strengthen the matrix,
A sensor comprising:
(2) The sensor according to (1), wherein the reinforcing material is a fiber arranged in the brittle matrix two-dimensionally or three-dimensionally with a predetermined direction.
(3) The sensor according to (1), wherein the reinforcing material is a fiber arranged in the brittle matrix in a non-directionally dispersed state.
(4) The sensor according to any one of (1) to (3), wherein the conductive particles are contained in an amount of 20 wt% or more and 50 wt% or less based on the total weight of the brittle matrix and the conductive particles.
(5) The sensor according to any one of (1) to (4), wherein the brittle matrix is glassy.
(6) The vitreous matrix has the following composition;
B 2 O 3 15 wt% or more and 30 wt% or less,
Al 2
The sensor according to (5), which is a glass having:
(7) The conductive particles are RuO 2 , IrO 2 , RhO 2 , Bi 2 Ru 2 O 7 , Pb 2 Ru 2 O 7 , Pb 2 Ru 2 O 6.5 And In 2 O-SnO 2 The sensor according to any one of (1) to (6), wherein the sensor is at least one member selected from the group consisting of:
(8) The sensor according to any one of (1) to (7), wherein the reinforcing material is contained in an amount of 5 to 50 vol% based on a total volume of the matrix and the conductive particles.
(9) The sensor according to any one of (1) to (8), wherein the surface includes a coating phase containing a resin.
(10) By measuring a change in the electric resistance value of the conductive path, it is possible to detect at least one of a strain amount, a deformation amount, and a damage degree of the building to which the sensor is mounted. (1) to (9) The sensor according to any one of the above).
(11) The sensor according to any one of (1) to (9), wherein by measuring a change in electric resistance and a residual electric resistance of the conductive path, it is possible to detect a cumulative damage of a structure equipped with the sensor. .
(12) A method for detecting damage to a structure,
A method comprising the step of measuring the conductivity of said conductive path of a sensor according to any of (1) to (11) provided inside or on a surface of a construct.
[0008]
Since the sensor of the present invention includes the brittle matrix, the conductive particles, and the fibers, it is possible to perform high-sensitivity sensing in a low strain region of the building, and further, it is possible to predict the damage history and the life of the building.
The advanced sensing of the sensor of the present invention can be explained by, for example, the following mechanism. FIG. 1 shows one form of the
Further, since the sensor of the present invention maintains the fine cracks in the
From the above, it can be said that the present sensor utilizes the brittle fracture behavior of the
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 2 showing one embodiment of the
The
[0010]
The conductive path in the
The form of the conductive path itself is not particularly limited. For example, it can take a linear, planar, tubular, or designed two-dimensional or three-dimensional shape. Further, a form in which the conductive paths of these forms are stacked may be included.
It can be appropriately selected according to the type and direction of the stress to be detected or possibly generated.
The
[0011]
For example, as the conductive ceramics, titanium nitride and the like can be mentioned, but preferably, RuO is used. 2 , IrO 2 , RhO 2 , Bi 2 Ru 2 O 7 , Pb 2 Ru 2 O 7 , Pb 2 Ru 2 O 6.5 And In 2 O-SnO 2 It is. This is because the
[0012]
The form of the
The size of the conductive particles is not particularly limited, but is preferably 10 nm to 0.5 μm.
[0013]
The
[0014]
The conductive path of the
Here, the
[0015]
The
In addition, from the viewpoint of ensuring the ability to detect damage by the conductive path, it is preferable that the
[0016]
The
In the present invention, the term “brittle” refers to a property of a material having a poor deforming ability until a fracture is caused by the action of an external force. Therefore, the material constituting the brittle matrix is usually a vitreous material or a ceramic material.
In the present invention, the
[0017]
The vitreous material is not particularly limited, but preferably has a composition that can be fired at 1000 ° C. or lower. If the temperature exceeds 1000 ° C., the possibility of deterioration of the ceramic fibers due to oxidation increases. From this viewpoint, PbO-B is preferably used. 2 O 3 -SiO 2 A system glass can be used. Further, more preferably,
[0018]
The present
The material is glass, ceramics, plastic, or the like, but it is necessary that the material does not hinder the electrical characteristics of the conductive path, the compounding ratio and the compounding form. Preferably, glass and ceramic insulating materials are used. For example, alumina or mullite fibers can be used.
Such a reinforcing
[0019]
The form of the fiber may be a single fiber form, but may be a fiber bundle, a linear body, a fiber of an appropriate length may be entangled, or a woven or knitted sheet-like or It may be an elongated tape-like body. Further, a two-dimensional or three-dimensional net-like skeleton, entangled body, and woven fabric may be formed by a fiber bundle or a single fiber. In the case where the fiber has a two-dimensional or three-dimensional form due to compounding or the like, in such a form, the form of the detection material can be determined by itself. That is, the
[0020]
The presence form of the reinforcing
[0021]
Further, it is preferable that the reinforcing
[0022]
As a preferred form of the reinforcing
By arranging the fibers in such a direction, it becomes possible to detect a strain due to an external force along the direction with high sensitivity. As described later, when a structure in which a reinforcing material is arranged two-dimensionally or three-dimensionally is used, the
[0023]
Another form of the reinforcing
[0024]
The sensor essentially has the
For example, the
Since the
[0025]
In the
It is preferable that the reinforcing
[0026]
The form of the
[0027]
The size of the present sensor can be made to correspond to the construction to be applied or its application location. The length may correspond to the entire length or a part of the length of the structure to be applied in the standing direction.
[0028]
Such a sensor can be obtained by using various conventionally known molding methods according to the type of the brittle matrix material or the type or form of the fiber or the like contained in the matrix.
Usually, the present detection material can be obtained by molding a composition in which a brittle matrix material and conductive particles are blended. As a molding method, a conventionally known method for molding a brittle material can be employed. Further, the present sensor can be obtained by using a composite technique of a brittle material and another component.
[0029]
Further, in order to make the brittle matrix contain a reinforcing material such as a fiber, for example, in the case of non-directional arrangement, the brittle matrix can be uniformly mixed with a composition containing the matrix material and the conductive particles and molded. . In the case of continuous fibers or fiber structures having a two-dimensional or three-dimensional morphology, these fiber structures may be embedded in a matrix material composition, or these fiber structures may be combined with a matrix material and conductive particles. Can be imparted by dipping in a slurry of a composition containing According to such a method, the composition permeates between the fiber structure or the fiber material, and the present composite phase is formed near the fiber material.
In addition, by applying the matrix material composition along the directionally continuous fibers or fiber structure portions, a conductive path having directionality in the fiber direction or along the fiber structure portions can be formed.
When the brittle matrix material is vitreous or ceramics, the composite phase is finally obtained by firing. When the reinforcing material is a ceramic fiber, it is preferable to perform firing at 1000 ° C. or less in consideration of deterioration of the reinforcing material. When a vitreous material is used for the matrix, the firing temperature is preferably 700 ° C. or higher. If the temperature is lower than 700 ° C., it is difficult to obtain a sufficient fired state, and a glass material cannot be obtained.
When a vitreous matrix is adopted, a technique of dipping a fiber structure in a slurry of a glass composition is effective.
[0030]
When a ceramic material is used as the matrix material, the present sensor can be obtained by applying a conventionally known method of forming and processing various ceramics. Regarding the compounding of the conductive particles or the reinforcing material, a conventionally known method of compounding these materials can be applied.
[0031]
Note that the above-described manufacturing method is merely an example, and the manufacturing method of the present sensor is not limited to this. Depending on the type and form of these materials, one or more methods known to those skilled in the art may be used. It can be applied in combination.
[0032]
In order for this sensor to effectively perform the damage detection function in the structure to which it is applied, it protects the electrical characteristics of the conductive paths it contains so that it is not hindered by factors derived from the structure or other sources It is preferred that Such causes include water, alkali, acid and the like, but it is particularly preferable that intrusion of water is avoided. Further, when applied to a concrete structure, it is preferable that alkali resistance is secured.
Therefore, the present sensor preferably includes a carrier (also referred to as a coating phase) that protects the detection material from such various causes outside the matrix. The coating phase preferably has, for example, both insulating properties and / or impermeability to moisture. Most preferably, both of these are provided. Specifically, a vinyl ester resin, which is an insulating resin having excellent workability, and an epoxy resin, which is an insulating resin having excellent alkali resistance, can be given.
[0033]
The coating phase is preferably formed as one or two or more layered coating phases around the matrix, but the form is not limited to a layer. In addition, also in such a coating phase, a reinforcing material such as the above-mentioned glass long fiber which can be contained in the matrix can be blended. Thereby, the detection material and / or the structure can be reinforced.
[0034]
Further, when applied to a structure, a material having a function of being stably held at a predetermined position in the structure, not causing a slip upon deformation of the structure, and / or Alternatively, a fixing material having a form can be added. Such a fixing material is preferably a polymer material having an insulating property, and preferably contains an insulating fiber (continuous fiber, long fiber or short fiber) such as vinylon, aramid, or glass. As an example, a linear body made of a continuous fiber or a fiber bundle and an insulating resin such as vinyl ester can be provided on at least a part of the outer periphery of the detection material in a convex shape. For example, with respect to an elongated rod-shaped detection material, it is possible to prevent slippage at the interface with the concrete phase by winding such a linear body around the detection material in a helical manner.
[0035]
A terminal, a lead wire, or the like can be provided at an end of the conductive path of the present sensor. It becomes possible to detect a change in the electric resistance value or the like in the conductive path via such a terminal or a lead wire. The terminals and the like can be mounted after forming the matrix containing the conductive paths and before forming the covering phase.
The method of measuring the electric resistance value or the like can be used regardless of the type. As a method of measuring the electric resistance value, there are a constant current / voltage measurement method, a low voltage / current measurement method, a method using a bridge circuit, and the like, but the type is not limited in the present invention. Further, in diagnosing damage, continuous measurement and periodic measurement can be mentioned as a method of measuring the electric resistance value. In these measurements, the measurement time, interval, frequency, and the like can be arbitrarily selected according to the form and scale of the structure and the form and scale of the estimated damage.
[0036]
The structure to which the present sensor is applied is not particularly limited. It can be applied to various constructs. The present invention can also be applied to ground or water structures such as buildings, bridges, dams, and elevated structures, and various underground structures.
[0037]
In applying the present sensor to a structure, the sensor may be provided in at least a part of the structure. In the case of a concrete structure, it may be embedded or installed on the surface. Preferably, it is a part of a metal part (eg, metal bolt) of shotcrete, lining concrete, or reinforced concrete. It is also preferable to apply to a cement-based material application site (mortar portion and concrete portion) for repair or the like.
[0038]
When installed on a surface, for example, it can be installed on these surfaces with an organic adhesive such as an epoxy resin adhesive, or, instead of or together with the use of an adhesive, such as mortar or concrete. It can be installed on these surfaces by coating and fixing with a cement-based material. Further, the method of installing on these surfaces can be applied to a method of spraying a cement-based material.
In addition, the method of installing on the surface is a method mainly for an existing building.
[0039]
Also, when buried inside the concrete part or the site where the cement-based material is applied, for example, in order to fix the concrete, the surroundings of the detection material are made uneven, and fixed to a formwork etc. before concrete casting. Fixing and fixing by concrete hardening. This method is effective for new construction. Moreover, when repairing the concrete of the existing building, the concrete can be buried by the same method when re-casting the concrete.
Furthermore, in addition to repairing the concrete of an existing building, a linear groove is formed on the concrete surface, and a detecting material is installed in the groove, and then the groove is cemented or resin-based. It can also be installed by filling with.
The method of burying inside is mainly for new construction or existing construction that needs repair. A typical form of internal embedding is, for example, a form in which a detection material is buried as a continuum having a sufficient length in the traveling direction or arch direction of the tunnel structure as a dedicated shape. When a detection material containing a reinforcing material is applied, there is a feature that the effect is higher in a method of burying the inside in comparison with a method of installing the detection material on the surface.
[0040]
The arrangement position, the arrangement direction, the number of arrangements, and the arrangement interval of the present detection material in the structure can be freely designed and constructed, and the optimum design can be performed according to the form of the structure or the form of the estimated damage. .
[0041]
Since the present sensor has the above configuration, the conductivity (electric resistance) of the conductive path changes when external stress such as strain, deformation, or damage is applied. Since the magnitude of the external stress and the amount of change in the electric resistance have a fixed relationship, the amount of the external stress applied to the sensor can be known from the measured electric resistance.
In particular, the present sensor is capable of high-sensitivity sensing, for example, detecting deformation of a reinforcing bar, by providing a continuous contact form of conductive particles in a brittle matrix reinforced by a reinforcing material. % Sensing in a low strain region of less than or equal to%.
[0042]
Further, the present sensor can exhibit an irreversible change in that the change in the electric resistance value when the deformation acts is not restored to the initial value even after unloading and remains. From the evaluation of the residual resistance value, it is possible to diagnose the maximum deformation or damage history given in the past. As a result, in structures using this sensor, the maximum damage at the time of a disaster can be diagnosed based on the measurement of changes in electrical resistance after a disaster such as an earthquake, or the damage history can be diagnosed from the residual resistance. Thus, diagnosis can be performed by regular monitoring instead of constant monitoring. From this viewpoint, it can be said that the present sensor is a sensor that can store the damage history.
The monitoring can be performed using a communication line or the like. For example, by transmitting related information such as electric resistance value measured using the present detection material to an output device at a remote place via a communication means and outputting the same, damage can be easily detected even at a remote place. And monitoring becomes possible.
[0043]
According to the present invention, by applying the present sensor to a structure and measuring its electric resistance value, not only can the state of deterioration / deformation in the structure be diagnosed simply and quickly with high accuracy, but also two-dimensional detection of a plurality of detection materials can be performed. The arrangement enables the estimation of an abnormal part, and furthermore, the application of the irreversibility of the electric resistance change enables the diagnosis of the history of damage (including the maximum damage).
[0044]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. These examples are intended to specifically explain the present invention, and do not limit the present invention in any way by these examples.
[0045]
(Example 1: Production of sensor)
In this example, a sensor having the form shown in FIG. 2 was manufactured. FIG. 3 shows a process of manufacturing the sensor.
RuO 2 Powder (average particle size 0.02-0.1 µm) and 20 wt% PbO 2 -40wt% B 2 O 3 -5wt% Al 2 O 3 -35wt% SiO 2 Glass (Please tell me the specific glass composition) and an organic solvent such as terpineol 2 A glass slurry having a weight ratio of 30 wt%: 40 wt%: 30 wt% of glass and resin was prepared.
Next, a fiber bundle of continuous alumina fibers having a length of 400 mm (filament diameter: 10 μm, bundle of about 1000 monofilaments) is prepared, and about 25 cm of the central portion of the continuous fiber bundle is immersed in the prepared slurry. Then, the slurry was infiltrated into the surface of the continuous fiber bundle and the inside of the bundle.
[0046]
The fiber bundle after dipping was dried at 100 ° C. and then baked at 900 ° C. for 40 minutes. Thereby, the composite phase of the present invention was formed in the dipping portion. The composite phase comprises a glassy matrix inside and around the fiber bundle and RuO dispersed in the matrix. 2 Contains particles.
Further, electrode terminals for measuring electric resistance were attached to both ends of the fired body. After the electrode processing, the resultant was cut into a curable composition containing a vinyl ester resin material and glass fiber, and heated at 130 ° C. to form a vinyl ester resin coating phase on the sensor surface.
A ring for holding by a tester was provided at the end for evaluation by a tensile test.
[0047]
(Example 2: Tensile test)
Using the sensor manufactured in Example 1, a tensile test was performed.
In the tensile test, the load was gradually increased, and changes in stress and electric resistance until final fracture were detected. The result is shown in FIG.
FIG. 5 shows the measurement results of the change in electric resistance with respect to the time when a constant load of 500 N at which a strain of about 0.2% is applied 1,000 times repeatedly (one cycle 50 seconds). FIG. 6 shows the change in the residual electric resistance at this time.
[0048]
As shown in FIG. 4, the electrical resistance gradually increased as the load increased until the final failure. From FIG. 4, even in a low strain region of 0.13% or less, a large change in electric resistance of 600% or more was exhibited, and it was found that the sensor manufactured in Example 1 can perform high-sensitivity sensing. Also, a sharp increase in electrical resistance in the 0.1% strain region means that a brittle fracture in the matrix has caused significant damage that hinders contact of the conductive particles.
The above results support the development and increase of fine cracks in the composite phase. In particular, a large change in electrical resistance in the region of about 0.1% strain caused the fine cracks between the conductive particles to increase or increase at once. I support that.
[0049]
In addition, as shown in FIG. 5, the electric resistance gradually increases under a constant load (500 N). These facts suggest that the sensor manufactured in Example 1 may have a residual electric resistance phenomenon.
As shown in FIG. 6, the residual electric resistance increased with the number of cycles. From this result, it was found that the sensor manufactured in Example 1 can store the damage history using the residual electric resistance value. By using this phenomenon, information on the history of damages caused in the past may be stored using the residual electric resistance of this composite material. From such a change in the residual electric resistance, it is possible to monitor the fatigue phenomenon (cumulative damage and / or fatigue damage) of the structure and predict the life.
[0050]
Based on the above results, glass-based composite materials in which conductive particles of ruthenium oxide are dispersed utilize the phenomenon of increased electrical resistance due to brittle fracture characteristics. Thus, highly sensitive damage detection is possible in the lower strain range (less than 0.2%). Since it generates residual electrical resistance, it is used as a self-diagnosis material for monitoring fatigue phenomena of structures and predicting life. In other words, the present material can be used for the health diagnosis (health monitoring) technology of a social infrastructure structure.
[0051]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a damage sensor capable of performing high-sensitivity sensing in a low strain region.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an outline of the action of a composite phase in a sensor of the present invention.
FIG. 2 is a view showing an embodiment of the sensor of the present invention, FIG. 2 (a) is a cutaway view, and FIG. 2 (b) is a cross-sectional view taken along a plane orthogonal to the length direction. FIG. 2C is a cross-sectional view along the length direction.
FIG. 3 is a view schematically showing a manufacturing process of the sensor of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing changes in electrical resistance and strain during a tensile test of the sensor manufactured in Example 1.
FIG. 5 is a graph showing a change in electric resistance and a strain when the sensor manufactured in Example 1 is repeatedly subjected to a load (500 N, 1 cycle: 50 seconds).
FIG. 6 is a graph showing a change in residual electric resistance when a repeated load is applied to the sensor manufactured in Example 1 (500 N, 1 cycle: 50 seconds).
[Explanation of symbols]
1 sensor
2 Composite phase
3 Second composite phase
4 Brittle matrix
14 conductive particles
24 Reinforcement materials
34 crack
44 Coating phase
Claims (12)
脆性マトリックスと、
前記脆性マトリックス中に分散される導電性粒子による導電経路と、
前記脆性マトリックス中に配され当該マトリックスを強化する補強材料、
とを備える、センサ。A damage detection sensor,
A brittle matrix;
A conductive path by conductive particles dispersed in the brittle matrix,
A reinforcing material disposed in the brittle matrix to strengthen the matrix,
A sensor comprising:
PbO210wt%以上45wt%以下、
B2O315wt%以上30wt%以下、
SiO220wt%以上40wt%以下及び
Al2O35wt%以上10wt%以下
を有するガラスである、請求項5記載のセンサ。The vitreous matrix has the following composition;
PbO 2 10 wt% or more and 45 wt% or less,
B 2 O 3 15 wt% or more and 30 wt% or less,
A glass having a SiO 2 20 wt% or more 40 wt% or less and Al 2 O 3 5wt% or more to 10wt%, the sensor of claim 5, wherein.
構築物の内部あるいは表面に備えられる請求項1〜11のいずれかに記載のセンサの前記導電性相の導電性を測定する工程を備える、方法。A method for detecting damage to a structure,
A method comprising measuring the conductivity of the conductive phase of a sensor according to any of claims 1 to 11, which is provided inside or on a structure.
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---|---|---|---|---|
JP2008107199A (en) * | 2006-10-25 | 2008-05-08 | Tokai Rubber Ind Ltd | Vehicle exterior member deformation sensor |
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- 2003-03-28 JP JP2003091441A patent/JP2004301517A/en active Pending
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