[發明專利]一種混凝土結構物應力應變傳感器及其監測方法

在審

• 申請號: 201610079130.8
• 申請日: 2016-02-04
• 公開（公告）號: CN105547538A
• 公開（公告）日: 2016-05-04
• 發明（設計）人: 葛智;韓少龍;孫仁娟;武新勝;高瑩;李晨;周健;管延華
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01L1/22
• 分類號: G01L1/22
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 趙敏玲

技術領域

本發明屬于土木工程領域，具體涉及一種混凝土結構物應力應變傳感器及其監測方法。

背景技術

在土木工程領域，結構的應力、應變監測對結構物破壞預測、災害預警等具有十分重 要的意義，對結構物的維修養護具有指導作用。

混凝土材料是當今使用最為普遍和廣泛的建筑材料。混凝土材料具有高強度、高模量、 高耐久性等優點，在土木工程各個領域都得到了廣泛的應用。而混凝土作為一種脆性材料， 其破壞具有突變性，這使得其破壞具有不可預測性，易造成大量人員傷亡和財產損失。因 而對于混凝土結構物，結構健康監測尤為重要。目前常見的做法是在混凝土結構物中預埋 傳感器，例如電磁致伸縮材料傳感器、光纖傳感器等，這類傳感器的缺點是壽命短、抗干 擾能力差、造價高且植入在混凝土結構物中后成活率較低。此外，這類材料一般與混凝土 結構物相容性不高，因而會影響混凝土結構物自身的性能。

在混凝土結構物中，也有采用水泥基材料作為基體的機敏材料來制作傳感器，這種傳 感器的缺陷在于：水泥基材料本身由于水分散失等問題會致使基體產生收縮裂縫從而導致 基體內部缺陷，降低傳感器的品質；采用水泥基材料制作傳感器需要進行長時間的養護， 周期較長，使用不便；由于水泥基材料基體存在由水分蒸發產生的毛細孔以及內部缺陷， 其電阻率易受到水分的影響，傳感器存在穩定性問題。

而采用機敏材料與樹脂基體組成的復合結構作為傳感器，由于構造復雜，制作繁瑣， 不利于傳感器的推廣使用。

現有技術中，一般常將導電填料加入到環氧樹脂等聚合物中以改善其導電性能，在惡 劣環境下，這種復合材料可作為金屬材料的替代品，既能起到導電作用，又能抵抗各種環 境的侵蝕作用。在土木工程領域，常采用環氧樹脂作為結構粘接材料或者各種涂層，而這 種由導電填料和環氧樹脂組成的導電填料在土木工程領域中應用較少。

發明內容

本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種混凝土結構物應力應變傳感器 及其監測方法，該傳感器性能穩定可靠、使用壽命長、與混凝土結構物相容性好、制作簡 單、造價低、埋設簡便、成活率高。本發明采用環氧樹脂作為基體材料，相比于水泥基基 體材料的有點在于固化迅速，強度形成時間快，無需長時間養護，且基體材料本身不含毛 細孔結構，因此不受水分的影響；本發明所提供的傳感器基體由整塊機敏材料構成，避免 了復合結構造成的構造復雜以及制作繁瑣的問題。本發明中利用環氧樹脂-導電填料復合材 料的機敏性，將其作為一種傳感器，引用到土木工程領域，用以監測各種土木結構物的應 力應變狀態，為環氧樹脂材料在土木工程領域中的應用提供了一條新思路。

為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種混凝土結構物應力應變傳感器，包括環氧樹脂機敏材料基體，所述環氧樹脂機敏 材料基體內部按設定間距布設若干內置電極，內置電極與環氧樹脂機敏材料基體的受力面 相平行，環氧樹脂機敏材料基體表面均勻包裹有外部封裝層；所述內置電極與外接導線連 接，外接導線延伸至外部封裝層外部。

所述內置電極為金屬絲縱橫垂直交錯布置形成的網格狀結構；采用這種網絡狀結構的 內置電極便于制作，且埋設方便。環氧樹脂與大多數金屬之間具有較好的粘結強度，采用 金屬絲制成網格狀結構作為電極有利于傳感器的整體性。

所述內置電極的橫向金屬絲之間的間距與豎向金屬絲之間的間距相等。

優選的，所述內置電極的橫向金屬絲之間的間距為2～15mm；間距太大會降低電極的有 效性，間距太小會導致傳感器內部出現斷層，影響傳感器的性能。

優選的，所述內置電極的豎向金屬絲之間的間距為2～15mm；間距太大會降低電極的有 效性，間距太小會導致傳感器內部出現斷層，影響傳感器的性能。

組成所述網格狀結構的金屬絲的直徑為0～1mm；金屬絲過粗易影響傳感器的性能。

所述外接導線包括金屬絲導線，所述金屬絲導線外部包裹有絕緣層。

所述環氧樹脂機敏材料基體由環氧樹脂和納米導電填料的混合物制成；納米導電填料 可采用碳納米管以及石墨烯，采用納米導電填料能夠提高環氧樹脂基體的性能。納米導電 填料與環氧樹脂的比例關系要根據所采用環氧樹脂以及納米導電填料的種類進行選用，例 如對于雙酚A型環氧樹脂以及多壁碳納米管，導電填料與環氧樹脂一般采用0.5:100～10： 100的比例。