基于压电陶瓷的智能混杂复合frp预应力筋及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于压电陶瓷的智能混杂复合FRP预应力筋及其制备方法，括FRP预应力筋材，所述FRP预应力筋材表面开设有多个凹槽，所述FRP预应力筋材表面一侧的多个凹槽内沿埋长方向各固定有一个用作驱动器的压电陶瓷片，所述FRP预应力筋材外包裹有表面涂刷有环氧树脂层的钢丝网，所述钢丝网表面均匀涂刷环氧树脂层，所述钢丝网外表面缠绕浸渍有环氧树脂的纤维布带，所述纤维布带表面沿埋长方向固定有多个用作传感器的压电陶瓷片；所有用作驱动器的压电陶瓷片和用作传感器的压电陶瓷片表面均涂有环氧树脂绝缘防水层。本发明提高了FRP预应力筋的延性性能，改善了FRP预应力筋的抗剪性能，并预设了基于压电陶瓷的监测系统。
【专利说明】基于压电陶瓷的智能混杂复合FRP预应力筋及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及属于土木、交通等领域的新材料开发领域，特别是一种基于压电陶瓷的智能混杂复合FRP预应力筋及其制备方法。
【背景技术】
[0002]纤维增强复合材料FRP (Fiber Reinforced Polymer/Plastic)筋是由连续的玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维与聚酯、乙烯基或环氧等树脂复合而成的一种高性能筋材。高级复合材料尤其是碳纤维增强复合材料CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic)筋以其强度高(有的高于3000MPa，约为高强预应力钢筋的2倍)、重量轻(约为钢材的1/5)、免锈蚀和抗疲劳性能好等优异性能极有希望成为处于恶劣自然环境下桥梁结构中传统普通钢筋、高强钢丝和钢绞线的潜在替代品。在非预应力FRP筋混凝土结构中，由于FRP筋的弹性模量相对较低，结构的变形较大，从而FRP筋的高强度一般得不到有效的发挥。为了充分发挥FRP筋轻质高强、耐腐蚀和抗疲劳性能好的特点，可以将FRP筋作为预应力筋用在各类结构中。但是，用FRP筋施加预应力增强混凝土结构，可以提高其使用阶段的极限承载力，但延性性能却大大降低了，这对工程抗震来说是非常不利的。又由于FRP没有明显的塑性流动阶段，FRP结构的破坏往往表现出脆性性质，这对于结构的安全使用也是不利的。这就导致FRP筋在土木工程的预应力混凝土结构中应用受到限制。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于压电陶瓷的智能混杂复合FRP预应力筋及其制备方法，提高FRP预应力筋的延性性能，改善FRP预应力筋的抗剪性能，使FRP预应力筋不但可用于土木结构的新建结构，而且可以应用于混凝土结构的增强加固以及结构的损伤监测。
[0004]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:一种基于压电陶瓷的智能混杂复合FRP预应力筋制备方法，该方法为:
[0005]I)在FRP预应力筋材表面沿埋长方向开设多个凹槽，所述凹槽大小与压电陶瓷片大小匹配，沿埋长方向在FRP预应力筋材表面一侧的凹槽内粘贴作为驱动器的压电陶瓷片，并用环氧树脂胶封装压电陶瓷片；
[0006]2)将钢丝网一端与FRP预应力筋材粘结固定，将钢丝网铺设平整，并在钢丝网上均匀涂刷环氧树脂，保证钢丝网与FRP预应力筋材界面处的环氧树脂浸溃饱满；
[0007]3)压紧钢丝网的另一端，转动FRP预应力筋材并施加与FRP预应力筋材轴向垂直的张拉力，使钢丝网密实均匀包裹FRP预应力筋；
[0008]4)沿FRP预应力筋材轴向挤去多余的环氧树脂，将浸溃过环氧树脂的纤维布带缠绕在钢丝网上；
[0009]5)在纤维布带表面沿埋长方向固定多个作为传感器的压电陶瓷片，即得到压电陶瓷智能混杂复合FRP预应力筋。[0010]所述纤维布带与FRP预应力筋材轴向成45度角。
[0011]本发明还提供了一种利用上述方法制备的基于压电陶瓷的智能混杂复合FRP预应力筋，包括FRP预应力筋材，所述FRP预应力筋材表面沿埋长方向开设有多个凹槽，每一个凹槽内固定有一个用作驱动器的压电陶瓷片，所述FRP预应力筋材外包裹有表面涂刷有环氧树脂层的钢丝网，所述钢丝网表面均匀涂刷环氧树脂层，所述钢丝网外表面缠绕浸溃有环氧树脂的纤维布带，所述纤维布带表面沿埋长方向固定有多个用作传感器的压电陶瓷片；所有用作驱动器的压电陶瓷片和用作传感器的压电陶瓷片表面均涂有防水层，且所有压电陶瓷片与所述凹槽之间均设有绝缘层。
[0012]所述绝缘防水层材料为环氧树脂，所述绝缘防水层厚度为0.08?0.12mm。
[0013]本发明提供了一种基于压电陶瓷分析的FRP筋预应力和损伤监测装置监测装置，包括上述智能混杂复合FRP预应力筋，所述多个用作传感器的压电陶瓷片均与函数发生器连接，所述用作驱动器的压电陶瓷片均与数据采集仪连接，所述数据采集仪接入计算机。
[0014]每一个用作驱动器的压电陶瓷片与数据采集仪之间均接有电荷适配器。
[0015]所述函数发生器的频率为500H?IOKHz。
[0016]与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为:本发明将压电陶瓷片引入FRP预应力筋中，可以实现受力过程中在线监测其动态应力和全过程损伤，有利于及时了解它的工作状态，从而达到监测目的。相较于普通FRP预应力筋，该智能混杂复合FRP预应力筋具有实时在线自我监测等优点；智能混杂复合FRP预应力筋中的FRP预应力筋和钢丝网具有极强的互补性:钢丝网的抗剪能力强，而FRP预应力筋的抗剪能力较差，通过树脂将两者进行复合，能够增强FRP预应力筋的抗剪强度；同时FRP预应力筋是一种脆性材料，钢丝网是一种弹塑性材料，智能混杂复合FRP预应力筋具有很好的延性；智能混杂复合FRP预应力筋中所涉及的芯材FRP预应力筋与缠绕纤维布带采用不同种类的纤维形式，且纤维布带以双向45°的方向进行缠绕，可以提高该混杂FRP预应力筋的延性；相对于普通FRP预应力筋，智能混杂复合FRP预应力筋综合力学性能优异，复合筋中纤维和钢丝网的混杂效应使得其具有良好的延性性能和抗剪性能等特点；本发明提高了 FRP预应力筋的延性性能，改善了FRP预应力筋的抗剪性能，使FRP预应力筋不但可用于土木结构的新建结构，而且可以应用于混凝土结构的增强加固以及结构的损伤监测。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明的智能混杂复合FRP预应力筋材示意图；
[0018]图2为本发明的制作流程示意图；
[0019]图3为本发明的制作及成型过程示意图；
[0020]图4为本发明的压电陶瓷智能监测系统的建立步骤示意图。
【具体实施方式】
[0021]如图1所示，本发明一实施例智能混杂复合FRP预应力筋材包括FRP预应力筋材1，所述FRP预应力筋材I表面沿埋长方向开设有多个凹槽，每个凹槽内固定有一个用作驱动器的压电陶瓷片5，所述FRP预应力筋材I外包裹有表面涂刷有环氧树脂层的钢丝网3，所述钢丝网3表面均匀涂刷环氧树脂层，所述钢丝网3外表面缠绕浸溃有环氧树脂的纤维布带4，所述纤维布带4表面沿埋长方向固定有多个用作传感器的压电陶瓷片2 ;所有用作驱动器的压电陶瓷片5和用作传感器的压电陶瓷片2表面均涂有防水层，且所有压电陶瓷片与所述凹槽之间均设有绝缘层。
[0022]如图2及图3所示，本发明中智能混杂复合FRP预应力筋的制备方法如下:
[0023](I)在FRP预应力筋材I筋内开凹槽处一侧沿埋长方向布置几个用作驱动器的压电陶瓷片5，并用环氧树脂胶(例如可以采用双酚A型环氧树脂)将用作驱动器的压电陶瓷片5封装好；其中凹槽大小与压电陶瓷片大小匹配；
[0024](2)将剪裁好的钢丝网3铺设平整，钢丝网3 —端用KH502粘结剂与FRP预应力筋材I粘结以作临时固定，然后在钢丝网3上均匀涂刷环氧树脂，随后使用罗拉均匀滚动挤压，保证钢丝网3与FRP预应力筋材I界面处的树脂浸溃饱满；
[0025](3)压紧钢丝网3的另一端，从与FRP预应力筋材I粘结的一端缓缓转动FRP预应力筋材I并施加与FRP预应力筋I轴向垂直的张拉力，以实现钢丝网3密实均匀包裹FRP预应力筋I ;
[0026](4)沿FRP预应力筋材I轴向挤去多余的树脂，最后用浸溃过环氧树脂的纤维布带4沿与筋材轴向成45度角在FRP预应力筋I的环向缠绕。
[0027](5)在纤维布带4表面沿埋长方向粘贴多个作为传感器的压电陶瓷片2，便得到了智能混杂复合FRP预应力筋。
[0028]如图4，本发明基于压电陶瓷分析的FRP筋智能监测装置制备过程如下:
[0029](I)在凹槽内粘贴用作驱动器的压电陶瓷片5，在纤维布带4表面沿埋长方向粘贴多个用作传感器的压电陶瓷片2，然后由信号函数发生器6产生的信号激励用作驱动器的压电陶瓷片2，所述用作接收器的压电陶瓷片5与数据采集仪8连接，由数据采集仪8将数据传至计算机分析系统。
[0030](2)所述用作接收器的压电陶瓷片5与数据采集仪8连接之间设有电荷适配器7。
[0031](3) FRP预应力筋材I凹槽表面预先设有绝缘层。
[0032](4)用作传感器的压电陶瓷片2、用作接收器的压电陶瓷片5粘贴在FRP预应力筋材I凹槽表面，导线连接后涂有防水层。
[0033](5)所述函数发生器6产生的信号的频率为500Hz?IOKHz。
[0034](6)所述绝缘层为一层均匀的环氧树脂绝缘层，该绝缘层厚度控制在0.08?0.1 2mm范围内。
【权利要求】
1.一种基于压电陶瓷的智能混杂复合FRP预应力筋制备方法，其特征在于，该方法为: 1)在FRP预应力筋材表面沿埋长方向开设多个凹槽，在凹槽内粘贴作为驱动器的压电陶瓷片，并用环氧树脂胶封装压电陶瓷片； 2)将钢丝网一端与FRP预应力筋材粘结固定，将钢丝网铺设平整，并在钢丝网上均匀涂刷环氧树脂，保证钢丝网与FRP预应力筋材界面处的环氧树脂浸溃饱满； 3)压紧钢丝网的另一端，转动FRP预应力筋材并施加与FRP预应力筋材轴向垂直的张拉力，使钢丝网密实均匀包裹FRP预应力筋； 4)沿FRP预应力筋材轴向挤去多余的环氧树脂，将浸溃过环氧树脂的纤维布带缠绕在钢丝网上； 5)在纤维布带表面沿埋长方向固定多个作为传感器的压电陶瓷片，即得到压电陶瓷智能混杂复合FRP预应力筋。
2.根据权利要求1所述的基于压电陶瓷的智能混杂复合FRP预应力筋制备方法，其特征在于，所述纤维布带与FRP预应力筋材轴向成45度角。
3.一种利用权利要求1所述方法制备的基于压电陶瓷的智能混杂复合FRP预应力筋，包括FRP预应力筋材(I )，其特征在于，所述FRP预应力筋材(I)表面沿埋长方向开设有多个凹槽，每一个凹槽内固定有一个用作驱动器的压电陶瓷片(5)，所述FRP预应力筋材(I)外包裹有表面涂刷有环氧树脂层的钢丝网(3)，所述钢丝网(3)表面均匀涂刷环氧树脂层，所述钢丝网(3)外表面缠绕浸溃有环氧树脂的纤维布带(4)，所述纤维布带(4)表面沿埋长方向固定有多个用作传感器的压电陶瓷片(2);所有用作驱动器的压电陶瓷片(5)和用作传感器的压电陶瓷片(2)表面均涂有防水层，且所有压电陶瓷片与所述凹槽之间均设有绝缘层。
4.根据权利要求3所述的基于压电陶瓷的智能混杂复合FRP预应力筋，其特征在于，所述纤维布带与FRP预应力筋材轴向成45度角。
5.根据权利要求3或4所述的基于压电陶瓷的智能混杂复合FRP预应力筋，其特征在于，所述绝缘防水层材料为环氧树脂，所述绝缘防水层厚度为0.08?0.12mm。
6.一种基于压电陶瓷分析的FRP筋预应力和损伤监测装置，其特征在于，包括权利要求5所述的智能混杂复合FRP预应力筋，所述多个用作传感器的压电陶瓷片(2)均与函数发生器(6)连接，所述用作驱动器的压电陶瓷片(5)均与数据采集仪(7)连接，所述数据采集仪(8)接入计算机。
7.根据权利要求6所述的基于压电陶瓷分析的FRP筋预应力或损伤监测装置，其特征在于，每一个用作驱动器的压电陶瓷片(5)与数据采集仪(8)之间均接有电荷适配器(7)。
8.根据权利要求6或7所述的基于压电陶瓷分析的FRP筋预应力或损伤监测装置，其特征在于，所述函数发生器(6)的频率为500H?ΙΟΚΗζ。
【文档编号】G01N27/00GK103883076SQ201410066387
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年2月26日 优先权日:2014年2月26日
【发明者】蒋田勇, 田仲初, 罗舟滔, 梁潇, 江名峰 申请人:长沙理工大学