本發(fā)明涉及一種用于混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的疊堆式壓電智能骨料，適用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫、孔洞等損傷的檢驗(yàn)，屬于土木工程領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)、科技的不斷進(jìn)步，人們對(duì)于大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的需求與日俱增。但鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期服役過(guò)程中，因材料老化、荷載作用、疲勞效應(yīng)等諸多不利因素，不可避免的會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)裂紋、孔洞等形式的損傷，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可能會(huì)引起災(zāi)難性的突發(fā)事故。

壓電陶瓷材料因其同時(shí)具有正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)，可以同時(shí)作為驅(qū)動(dòng)器與傳感器，且價(jià)格低廉、響應(yīng)速度快、靈敏度高、能耗低、線性度良好，在鋼筋混凝土主動(dòng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。本發(fā)明充分利用了壓電陶瓷的正壓電與逆壓電效應(yīng)。

對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，內(nèi)部裂紋、孔洞等損傷具有隱蔽性，基于波動(dòng)法的混凝土結(jié)構(gòu)主動(dòng)健康監(jiān)測(cè)需要埋置于混凝土內(nèi)部或粘貼在混凝土表面的傳感器發(fā)射、接收應(yīng)力波，通過(guò)相關(guān)參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷情況的監(jiān)測(cè)。但應(yīng)力波在混凝土材料中衰減極快，衰減程度隨著發(fā)射應(yīng)力波的頻率增大，呈現(xiàn)出指數(shù)下降的趨勢(shì)，導(dǎo)致傳感器間的監(jiān)測(cè)區(qū)域很小。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種高輸出能力、與混凝土材料相容性好、無(wú)需保護(hù)、且能提供實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部健康情況的一種用于混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的疊堆式壓電智能骨料。

由于壓電陶瓷本身材料的限制，非常容易遭到破壞。而將壓電陶瓷封裝在耐久性好的材料中，這樣被封裝的壓電陶瓷傳感器就可以像混凝土中的砂石骨料一樣，直接放入混凝土結(jié)構(gòu)中，便形成了智能骨料。

本發(fā)明中所提出的一種用于混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的疊堆式壓電智能骨料，是一種具有特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式的智能骨料，外部為與混凝土相容性良好的大理石保護(hù)層，內(nèi)部核心為若干d33型壓電陶瓷圓片通過(guò)高強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂粘合而組成的壓電堆，壓電堆中各d33型壓電陶瓷圓片之間使用交叉指形電極相連，即在d33型壓電陶瓷圓片的上下表面連接由一對(duì)異性主電極引出一系列異性分支電極，分支的異性電極交叉排列。相鄰d33型壓電陶瓷圓片的相對(duì)表面具有相同的電極結(jié)構(gòu)并且正負(fù)分支電極位置對(duì)應(yīng)。該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了電學(xué)上的并聯(lián)與力學(xué)上的串聯(lián)，在相同電壓供給的情況下，提高了壓電陶瓷圓片的輸出變形量。從而實(shí)現(xiàn)了混凝土材料中，應(yīng)力波的更遠(yuǎn)距離傳輸。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種用于混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的疊堆式壓電智能骨料，包括d33型壓電陶瓷圓片1、交叉指形電極2、高強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂填充保護(hù)層3、屏蔽涂料層4，大理石保護(hù)殼5、低噪聲屏蔽電纜6和卡扣配合型連接器(BNC)7；

交叉指形電極2的各分支異性電極交叉排列，分別焊接在若干疊堆形式的d33型壓電陶瓷圓片1的上下表面，并保證相鄰兩個(gè)d33型壓電陶瓷圓片1相對(duì)面連接相同極性的電極；各d33型壓電陶瓷圓片1間使用高強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂填充保護(hù)層3填充粘接，形成壓電堆8；壓電堆8中交叉指形電極2與低噪聲屏蔽電纜6連接；壓電堆8外部依次設(shè)有屏蔽涂料層4和高強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂填充保護(hù)層3；將被保護(hù)的壓電堆放入大理石保護(hù)殼5中，使用高強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂填充保護(hù)層3鏈接固定；卡扣配合型連接器(BNC)7與低噪聲屏蔽電纜6連接。

本發(fā)明的有益效果：

1、此裝置內(nèi)置d33型壓電陶瓷圓片與交叉指形電極組成的壓電堆，實(shí)現(xiàn)電學(xué)并聯(lián)與力學(xué)串聯(lián)，即在相同的電壓輸入情況下，顯著提高了智能骨料的輸出變形能力，實(shí)現(xiàn)混凝土材料中應(yīng)力波的遠(yuǎn)距離傳輸。

2、本裝置的外層大理石保護(hù)殼與混凝土材料相容性良好，對(duì)于被監(jiān)測(cè)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)影響較小。

3、本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，材料廉價(jià)，制作與安裝方便，可直接像混凝土材料中沙石骨料一樣直接放入結(jié)構(gòu)中的預(yù)定位置，無(wú)需額外保護(hù)，且本裝置可以同時(shí)作為傳感器與驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)，具有很大的市場(chǎng)和應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明整體實(shí)物示意圖。

圖2是本發(fā)明的xy剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明圖2中壓電堆結(jié)構(gòu)圖。

圖4是本發(fā)明圖2的a-a截面剖面圖。

圖5是本發(fā)明圖2的b-b截面剖面圖。

圖中：1d33型壓電陶瓷圓片；2交叉指形電極；3高強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂填充保護(hù)層；

4屏蔽涂料層；5大理石保護(hù)殼；6低噪聲屏蔽電纜；

7卡扣配合型連接器(BNC)；8壓電堆。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和技術(shù)方案，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

本發(fā)明提供了一種用于混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的疊堆式壓電智能骨料，可以實(shí)現(xiàn)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋、孔洞等損傷的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，具體實(shí)施方式如下：

為了保證d33型壓電陶瓷片1上下兩極具有良好的電絕緣性和良好的電荷輸出效果，首先使用丙酮對(duì)d33型壓電陶瓷片1表面電極進(jìn)行清潔，除去表面的油污和氧化膜；待表面干燥后，焊接交叉指形電極2的分支異性電極至各個(gè)排列好的d33型壓電陶瓷片1的上下表面，保證相鄰兩d33型壓電陶瓷片1的相對(duì)面電極極性一致，即分支異性電極交叉排列；使用高強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂填充保護(hù)層3將焊接好的d33型壓電陶瓷片1疊合形成壓電堆，將交叉指形電極2的異性主電極與低噪聲屏蔽電纜6連接，并使用萬(wàn)用表監(jiān)測(cè)是否短路；將大理石材料切割成直徑至少兩倍于d33型壓電陶瓷片1的圓柱體，在圓柱體的上表面切割出直徑略大于d33型壓電陶瓷片1直徑，高度為略高于壓電堆高度一半的凹槽，開(kāi)鑿出低噪聲屏蔽電纜6的走線口，并對(duì)外表面進(jìn)行粗糙化處理，形成大理石保護(hù)殼5的半殼；將制作好的壓電堆表面涂好屏蔽涂料層4后，利用絕緣性能良好的高強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂填充保護(hù)層3將之與制作好的一對(duì)大理石保護(hù)半殼粘接成一體，形成大理石保護(hù)殼5；利用質(zhì)量塊對(duì)制作好的疊堆式智能骨料施加預(yù)壓力，以保證膠層厚度一致；放入恒溫箱，加熱60度養(yǎng)護(hù)，12小時(shí)后拿出；將低噪聲屏蔽電纜6與卡扣配合型連接器(BNC)7鏈接后，使用萬(wàn)用表檢測(cè)是否短路。

這里有兩點(diǎn)需要注意：第一，疊堆式壓電智能骨料中d33型壓電陶瓷片的數(shù)量可調(diào)，可根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)區(qū)域的大小與傳感器布置的情況，合理選擇壓電陶瓷片的數(shù)量。第二，大理石保護(hù)殼的大小由被監(jiān)測(cè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的粗骨料直徑?jīng)Q定，盡量與被監(jiān)測(cè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的粗骨料直徑相當(dāng)，減少對(duì)于被測(cè)結(jié)構(gòu)的影響。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)：智能骨料內(nèi)部壓電堆可以實(shí)現(xiàn)電學(xué)并聯(lián)，力學(xué)串聯(lián)，在相同電壓供給下，提高了智能骨料的輸出變形量；外包大理石保護(hù)殼與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的粘接性能，在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的同時(shí)，又可以作為混凝土材料的粗骨料，對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響較小；且本智能骨料所用材料廉價(jià)，工藝簡(jiǎn)單，將會(huì)廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫、孔洞等形式損傷的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中。