一种用于混凝土结构健康监测的叠堆式压电智能骨料的制作方法

本发明涉及一种用于混凝土结构健康监测的叠堆式压电智能骨料，适用于钢筋混凝土结构内部裂缝、孔洞等损伤的检验，属于土木工程领域。

背景技术：

随着经济的不断增长、科技的不断进步，人们对于大型复杂工程结构的需求与日俱增。但钢筋混凝土结构在长期服役过程中，因材料老化、荷载作用、疲劳效应等诸多不利因素，不可避免的会导致结构内部出现裂纹、孔洞等形式的损伤，如不及时发现，可能会引起灾难性的突发事故。

压电陶瓷材料因其同时具有正压电效应与逆压电效应，可以同时作为驱动器与传感器，且价格低廉、响应速度快、灵敏度高、能耗低、线性度良好，在钢筋混凝土主动结构健康监测领域有着很好的应用前景。本发明充分利用了压电陶瓷的正压电与逆压电效应。

对于钢筋混凝土结构而言，内部裂纹、孔洞等损伤具有隐蔽性，基于波动法的混凝土结构主动健康监测需要埋置于混凝土内部或粘贴在混凝土表面的传感器发射、接收应力波，通过相关参数变化实现结构内部损伤情况的监测。但应力波在混凝土材料中衰减极快，衰减程度随着发射应力波的频率增大，呈现出指数下降的趋势，导致传感器间的监测区域很小。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种高输出能力、与混凝土材料相容性好、无需保护、且能提供实时在线监测钢筋混凝土结构内部健康情况的一种用于混凝土结构健康监测的叠堆式压电智能骨料。

由于压电陶瓷本身材料的限制，非常容易遭到破坏。而将压电陶瓷封装在耐久性好的材料中，这样被封装的压电陶瓷传感器就可以像混凝土中的砂石骨料一样，直接放入混凝土结构中，便形成了智能骨料。

本发明中所提出的一种用于混凝土结构健康监测的叠堆式压电智能骨料，是一种具有特殊内部结构形式的智能骨料，外部为与混凝土相容性良好的大理石保护层，内部核心为若干d33型压电陶瓷圆片通过高强环氧树脂粘合而组成的压电堆，压电堆中各d33型压电陶瓷圆片之间使用交叉指形电极相连，即在d33型压电陶瓷圆片的上下表面连接由一对异性主电极引出一系列异性分支电极，分支的异性电极交叉排列。相邻d33型压电陶瓷圆片的相对表面具有相同的电极结构并且正负分支电极位置对应。该结构实现了电学上的并联与力学上的串联，在相同电压供给的情况下，提高了压电陶瓷圆片的输出变形量。从而实现了混凝土材料中，应力波的更远距离传输。

本发明的技术方案：

一种用于混凝土结构健康监测的叠堆式压电智能骨料，包括d33型压电陶瓷圆片1、交叉指形电极2、高强环氧树脂填充保护层3、屏蔽涂料层4，大理石保护壳5、低噪声屏蔽电缆6和卡扣配合型连接器(BNC)7；

交叉指形电极2的各分支异性电极交叉排列，分别焊接在若干叠堆形式的d33型压电陶瓷圆片1的上下表面，并保证相邻两个d33型压电陶瓷圆片1相对面连接相同极性的电极；各d33型压电陶瓷圆片1间使用高强环氧树脂填充保护层3填充粘接，形成压电堆8；压电堆8中交叉指形电极2与低噪声屏蔽电缆6连接；压电堆8外部依次设有屏蔽涂料层4和高强环氧树脂填充保护层3；将被保护的压电堆放入大理石保护壳5中，使用高强环氧树脂填充保护层3链接固定；卡扣配合型连接器(BNC)7与低噪声屏蔽电缆6连接。

本发明的有益效果：

1、此装置内置d33型压电陶瓷圆片与交叉指形电极组成的压电堆，实现电学并联与力学串联，即在相同的电压输入情况下，显著提高了智能骨料的输出变形能力，实现混凝土材料中应力波的远距离传输。

2、本装置的外层大理石保护壳与混凝土材料相容性良好，对于被监测的钢筋混凝土结构影响较小。

3、本装置结构简单，材料廉价，制作与安装方便，可直接像混凝土材料中沙石骨料一样直接放入结构中的预定位置，无需额外保护，且本装置可以同时作为传感器与驱动器，实现混凝土结构损伤监测，具有很大的市场和应用前景。

附图说明

图1是本发明整体实物示意图。

图2是本发明的xy剖面结构示意图。

图3是本发明图2中压电堆结构图。

图4是本发明图2的a-a截面剖面图。

图5是本发明图2的b-b截面剖面图。

图中：1d33型压电陶瓷圆片；2交叉指形电极；3高强环氧树脂填充保护层；

4屏蔽涂料层；5大理石保护壳；6低噪声屏蔽电缆；

7卡扣配合型连接器(BNC)；8压电堆。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明提供了一种用于混凝土结构健康监测的叠堆式压电智能骨料，可以实现钢筋混凝土结构内部裂纹、孔洞等损伤的结构健康监测，具体实施方式如下：

为了保证d33型压电陶瓷片1上下两极具有良好的电绝缘性和良好的电荷输出效果，首先使用丙酮对d33型压电陶瓷片1表面电极进行清洁，除去表面的油污和氧化膜；待表面干燥后，焊接交叉指形电极2的分支异性电极至各个排列好的d33型压电陶瓷片1的上下表面，保证相邻两d33型压电陶瓷片1的相对面电极极性一致，即分支异性电极交叉排列；使用高强环氧树脂填充保护层3将焊接好的d33型压电陶瓷片1叠合形成压电堆，将交叉指形电极2的异性主电极与低噪声屏蔽电缆6连接，并使用万用表监测是否短路；将大理石材料切割成直径至少两倍于d33型压电陶瓷片1的圆柱体，在圆柱体的上表面切割出直径略大于d33型压电陶瓷片1直径，高度为略高于压电堆高度一半的凹槽，开凿出低噪声屏蔽电缆6的走线口，并对外表面进行粗糙化处理，形成大理石保护壳5的半壳；将制作好的压电堆表面涂好屏蔽涂料层4后，利用绝缘性能良好的高强环氧树脂填充保护层3将之与制作好的一对大理石保护半壳粘接成一体，形成大理石保护壳5；利用质量块对制作好的叠堆式智能骨料施加预压力，以保证胶层厚度一致；放入恒温箱，加热60度养护，12小时后拿出；将低噪声屏蔽电缆6与卡扣配合型连接器(BNC)7链接后，使用万用表检测是否短路。

这里有两点需要注意：第一，叠堆式压电智能骨料中d33型压电陶瓷片的数量可调，可根据实际监测区域的大小与传感器布置的情况，合理选择压电陶瓷片的数量。第二，大理石保护壳的大小由被监测钢筋混凝土结构的粗骨料直径决定，尽量与被监测钢筋混凝土结构的粗骨料直径相当，减少对于被测结构的影响。

本发明与现有技术相比有如下优点：智能骨料内部压电堆可以实现电学并联，力学串联，在相同电压供给下，提高了智能骨料的输出变形量；外包大理石保护壳与钢筋混凝土结构具有良好的粘接性能，在实现结构健康监测的同时，又可以作为混凝土材料的粗骨料，对被测结构力学性能影响较小；且本智能骨料所用材料廉价，工艺简单，将会广泛应用于钢筋混凝土结构的裂缝、孔洞等形式损伤的结构健康监测中。