[發明專利]一種基于超聲匹配層設計原理的混凝土新型智能骨料

在審

• 申請號: 202310013980.8
• 申請日: 2023-01-05
• 公開（公告）號: CN116046889A
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發明（設計）人: 李修權;孔慶釗;陳琳;陳洪兵;孫祥濤
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;C04B18/02;G01N29/24
• 代理公司: 北京東方盛凡知識產權代理有限公司 11562
• 代理人: 張換君

本申請公開了一種基于超聲匹配層設計原理的混凝土新型智能骨料，包括：匹配層、壓電元件、屏蔽層和絕緣層；所述壓電元件與所述絕緣層連接；所述屏蔽層與所述壓電元件和所述絕緣層連接；所述屏蔽層與所述匹配層連接。本申請使用環氧樹脂基、金屬粉末和混凝土灌漿料作為匹配層，解決了壓電元件與混凝土介質分界面的聲阻抗匹配問題，同時兼顧了智能骨料與混凝土材料的強度相容性。

技術領域

本申請屬于鋼筋混凝土結構的智能監測領域技術領域，具體涉及一種基于超聲匹配層設計原理的混凝土新型智能骨料。

背景技術

鋼筋混凝土結構在世界范圍內被廣泛用于大型公共水利、交通基礎設施及建筑結構的建設，在服役期間易遭受環境荷載和突發荷載作用，導致結構失效。近年來，智能監測技術在鋼筋混凝土結構的智慧運維和服役安全領域得到研究和應用。智能監測技術主要依賴于智能傳感器的對構件損傷的感知和分析實現損傷識別和早期預警。壓電智能材料由于良好的嵌入性、低成本、寬頻響應及對微小損傷敏感等優點，在鋼筋混凝土結構的智能監測領域獲得廣泛應用。

由于壓電陶瓷材料易受環境腐蝕，研究者們提出了壓電智能骨料傳感器，通過將壓電陶瓷感知元件包裹于具有一定強度的材料中，形成可預埋至混凝土內部的傳感器。包裹材料經歷了三個階段的發展，第一階段采用水泥砂漿，第二階段為大理石，第三階段采用超高性能混凝土。上述三個階段對于包裹材料的設計原理僅考慮了與待測混凝土構件的強度相容，但沒有考慮壓電陶瓷感知元件、包裹材料及混凝土三種不同材料之間的聲阻抗相容性，導致壓電陶瓷元件激勵的信號在界面之間發生過高的折射衰減，使得進入到待測混凝土構件的探測應力波信號微弱，傳播距離受限，從而限制了基于壓電智能骨料的監測技術在大型混凝土實際工程中的應用。

發明內容

本申請提出了一種基于超聲匹配層設計原理的混凝土新型智能骨料。使用環氧樹脂基、金屬粉末和混凝土灌漿料作為匹配層，解決了壓電元件與混凝土介質分界面的聲阻抗匹配問題，同時兼顧了智能骨料與混凝土材料的強度相容性。

為實現上述目的，本申請提供了如下方案：

一種基于超聲匹配層設計原理的混凝土新型智能骨料，包括：匹配層、壓電元件、屏蔽層和絕緣層；

所述壓電元件與所述絕緣層連接；所述屏蔽層與所述壓電元件和所述絕緣層連接；所述屏蔽層與所述匹配層連接。

優選的，所述壓電元件為核心感知元件，具有正負極，在其正極表面噴涂絕緣層。

優選的，所述屏蔽層用液體屏蔽材料噴涂。

優選的，所述匹配層為復合材料，通過在低阻抗的基體材料中加入高阻抗材料使復合材料的聲阻抗達到設計的聲阻抗值。

優選的，所述低阻抗的基體材料選擇環氧樹脂，所述高阻抗材料選擇金屬粉末。

優選的，所述匹配層的厚度為四分之一個波長，聲阻抗的公式為：

其中，Z₁、Z₂、Z₃分別為壓電元件、匹配層和混凝土介質的聲阻抗，ρ、ν為匹配層的密度和波速。

本申請還提供基于超聲匹配層設計原理的混凝土新型智能骨料的制作方法，包括以下步驟：

準備材料；

基于所述材料，制作屏蔽層和絕緣層；

基于所述材料，制作匹配層。

優選的，所述材料包括：壓電元件、屏蔽導線、傳感器模具、絕緣漆、液體屏蔽材料、環氧樹脂膠和高強度灌漿料。

優選的，所述制作屏蔽層和絕緣層的方法包括：所述屏蔽導線連接壓電元件的正負極，其正極做絕緣處理，緊接著在所述壓電元件的兩側噴涂屏蔽薄層，待屏蔽薄層固化后將所述壓電元件固定在模具中。