一种混凝土智能骨料及其制备方法

摘要

本发明提供一种混凝土智能骨料，包括骨料基体、内嵌在所述骨料基体中的压电陶瓷感应模块、湿度传感器模块和纤维电阻、以及用于连接所述压电陶瓷感应模块和所述湿度传感器模块的微电路模块，所述纤维电阻匀布在所述骨料基体中。本发明同时提供了一种混凝土智能骨料的制备方法，其特征在于，包括焊接、定位、成型、监测和标定等步骤。通过设置湿度传感器模块和纤维电阻，在压电陶瓷感应模块失效的情况下还能以湿度传感器模块和纤维电阻对智能骨料的信号采集功能进行失效补偿，从而延长智能骨料的有效使用寿命，提高智能骨料的感知精度，有利于减少因混凝土建筑结构损伤破坏而导致事故发生的可能性，对混凝土结构安全性能监测不易失效。

权利要求

1.一种混凝土智能骨料的制备方法，其特征在于，该混凝土智能骨料包括骨料基体、内嵌在所述骨料基体中的压电陶瓷感应模块、湿度传感器模块和纤维电阻、以及用于连接所述压电陶瓷感应模块和所述湿度传感器模块的微电路模块，所述纤维电阻匀布在所述骨料基体中；

该制备方法包括以下步骤，

S1，焊接，将金属网片的一端、压电陶瓷片模块对应的端口和湿度传感器模块对应端口分别与微电路模块上相应的导线焊接在一起，并对焊接位置进行防水处理；

S2，定位，将金属网片、压电陶瓷片模块和湿度传感器模块分别固定放置在骨料模具的预定位置上；

S3，成型，将纤维电阻按照预定的配比均匀混入骨料浇注液中，然后将所述骨料浇注液均匀浇入所述骨料模具中，浇入过程中不断震动所述骨料模具，并确保所述金属网片的一端露出液面形成电极，浇入完成后将所述骨料模具放置在室温环境下静置预定时间，再进行脱模处理形成骨料基体，之后对所述骨料基体进行养护处理；

S4，监测，将位于所述骨料基体上的所述电极与外部检测控制系统连接，然后将所述骨料基体分别放置在干燥环境和水环境中，利用所述湿度传感器模块监测获得对应环境的湿度特征，并以所述湿度特征为依据建立所述湿度传感器模块的正常工作特征区间；

S5，标定，将所述骨料基体浸泡在水中，反复测试所述电极的输入或输出信号的范围和稳定性，并以此为依据标定混凝土智能骨料的工作参数。

2.如权利要求1所述的混凝土智能骨料的制备方法，其特征在于，在步骤S5中，多个所述骨料基体同时浸泡在水中，相邻两个所述骨料基体之间的间距为20cm。

3.如权利要求1或2所述的混凝土智能骨料的制备方法，其特征在于，所述纤维电阻包括短切碳纤维和石墨粉。

说明书

一种混凝土智能骨料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种混凝土湿度检测装置及其制备方法，尤其是一种混凝土智能骨料及其制备方法。

背景技术

[0002] 智能骨料的性能是提高混凝土结构损伤监测研究的关键，日益得到各国研究者的重视，通过在混凝土表面或者内部设置智能骨料对混凝土的损伤状态进行主动性监测，并由此对混凝土的稳定性进行评估和预测，由此降低因混凝土损伤的进一步发展而导致的安全事故。

[0003] 传统的智能骨料主要是将压电陶瓷作为感知元件放在中间，两侧为圆柱形或立方体形水泥砂浆试块，三者用水泥浆粘接起来形成三明治结构的智能骨料，这类智能骨料的外形多为圆柱体或者立方体，外形结构和功能都较为单一，在实际使用过程中因压电陶瓷片易于损坏而导致整个智能骨料失效，最终导致对混凝土结构安全性能监测的失效。

[0004] 有鉴于此，本申请人对混凝土智能骨料的结构及其制备方法进行了深入的研究，遂有本案产生。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种对混凝土结构安全性能监测不易失效的混凝土智能骨料及其制备方法。

[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0007] 一种混凝土智能骨料，包括骨料基体、内嵌在所述骨料基体中的压电陶瓷感应模块、湿度传感器模块和纤维电阻、以及用于连接所述压电陶瓷感应模块和所述湿度传感器模块的微电路模块，所述纤维电阻匀布在所述骨料基体中。

[0008] 作为本发明的一种改进，所述骨料基体为水泥砂浆混合物、水泥细石混凝土或树脂砂基混合物。

[0009] 作为本发明的一种改进，所述纤维电阻包括短切碳纤维和石墨粉。

[0010] 作为本发明的一种改进，所述骨料基体上设置有与所述微电路模块连接的金属网片，所述金属网片的一端从所述骨料基体中穿出形成电极。

[0011] 作为本发明的一种改进，所述金属网片上还连接有铜网，所述铜网内嵌在所述骨料基体中。

[0012] 一种混凝土智能骨料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，[0013] S1，焊接，将金属网片的一端、压电陶瓷片模块对应的端口和湿度传感器模块对应端口分别与微电路模块上相应的导线焊接在一起，并对焊接位置进行防水处理；

[0014] S2，定位，将金属网片、压电陶瓷片模块和湿度传感器模块分别固定放置在骨料模具的预定位置上；

[0015] S3，成型，将纤维电阻按照预定的配比均匀混入骨料浇注液中，然后将所述骨料浇注液均匀浇入所述骨料模具中，浇入过程中不断震动所述骨料模具，并确保所述金属网片的一端露出液面形成电极，浇入完成后将所述骨料模具放置在室温环境下静置预定时间，再进行脱模处理形成骨料基体，之后对所述骨料基体进行养护处理；

[0016] S4，监测，将位于所述骨料基体上的所述电极与外部检测控制系统连接，然后将所述骨料基体分别放置在干燥环境和水环境中，利用所述湿度传感器模块监测获得对应环境的湿度特征，并以所述湿度特征为依据建立所述湿度传感器模块的正常工作特征区间；

[0017] S5，标定，将所述骨料基体浸泡在水中，反复测试所述电极输入或输出信号的范围和稳定性，并以此为依据标定混凝土智能骨料的工作参数。

[0018] 作为本发明的一种改进，在步骤S5中，多个所述骨料基体同时浸泡在水中，相邻两个所述骨料基体之间的间距为20cm。

[0019] 作为本发明的一种改进，所述纤维电阻包括短切碳纤维和石墨粉。

[0020] 采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

[0021] 1、通过设置湿度传感器模块和纤维电阻，在压电陶瓷感应模块失效的情况下还能以湿度传感器模块和纤维电阻对智能骨料的信号采集功能进行失效补偿，从而延长智能骨料的有效使用寿命，提高智能骨料的感知精度，有利于减少因混凝土建筑结构损伤破坏而导致事故发生的可能性，对混凝土结构安全性能监测不易失效。

[0022] 2、本发明提供的智能骨料可以通过改变骨料模具型腔形状来改变外形，外形结构较为多样。

附图说明

[0023] 图1为本发明混凝土智能骨料的结构示意图。

[0024] 图中标示对应如下：

[0025] 10-骨料基体；               20-压电陶瓷感应模块；

[0026] 30-湿度传感器模块；         50-微电路模块；

[0027] 51-金属网片；

[0028] 52-铜网。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

[0030] 如图1所示，本实施例提供的混凝土智能骨料，包括骨料基体10、内嵌在骨料基体10中的压电陶瓷感应模块20、湿度传感器模块30和纤维电阻、以及用于连接压电陶瓷感应模块20和湿度传感器模块30的微电路模块50，其中压电陶瓷感应模块20、湿度传感器模块
30和纤维电阻都有多个，且工作电压都为0～220V，即工作电压可调。

[0031] 骨料基体10为凝固后的水泥砂浆混合物、水泥细石混凝土或树脂砂基混合物，主要用于保护位于其内的各个模块并形成混凝土智能骨料的外形结构。需要说明的是，骨料基体10的外形结构以及具体的尺寸可以根据实际需要设置，在本实施例中，骨料基体10的外形结构为Z字形结构。

[0032] 压电陶瓷感应模块20为常规的智能骨料中所使用的模块，其在骨料基体10中的具体放置位置需要根据骨料基体10的实际形状结构进行确定。由于混凝土智能骨料会因外载荷或温度应力等因素的影响而产生体积变化，通过分析不同状态下骨料基体10的体积变化与压电陶瓷感应模块20的压电效应之间的对应关系，实现对智能骨料所在混凝土结构部位的安全性能进行监测和评估，具有高灵敏度的特性，具体的，压电陶瓷感应模块20可通过输出力-电特性的变化，实现对智能骨料的受力状态进行预测和评估。

[0033] 湿度传感器模块30也为常规的模块，可以从市场上直接购买获得，其在骨料基体10中的具体放置位置同样需要根据骨料基体10的实际形状结构进行确定。湿度传感器模块
30主要用于对其本身所处的环境湿度进行信息采集。通过分析正常状态下智能骨料所处环境的湿度参数与不同潮湿状态下湿度值的区别，对混凝土基体材料的密实性或裂缝存在状态进行分析，可实现对混凝土材料健康状态的预判。

[0034] 纤维电阻包括5mm的短切碳纤维和200目的石墨粉，两者之间的配比可以根据实际需要确定，且两者作为导体都匀布在骨料基体10中，通过震动或摇匀等制备工艺使其在成型后的骨料基体10内部形成均匀的连续项。由于混凝土智能骨料会因外载荷或温度应力等因素的影响而产生体积变化，从而导致纤维电阻的电阻值产生相应的改变，这样纤维电阻可通过不同条件下自身电阻特征的改变对智能骨料的受力环境进行辅助判断。

[0035] 微电路模块50主要由导线组成，导线的具体连接方式为常规的方式，如将各模块并联连接。此外，在本实施例中，骨料基体10上设置有与微电路模块50连接的金属网片51，金属网片51的一端从骨料基体10中穿出形成电极。优选的，金属网片51上还连接有铜网52，铜网52内嵌在骨料基体10中。各个模块通过微电路模块50将不同的信号传递给外部检测控制系统(外部的检测控制系统通过电极与智能骨料实现连接)，通过系统对相关信号和数据的分析，实现对混凝土的安全状态进行评估。

[0036] 使用时，以湿度传感器模块30和纤维电阻作为辅助模块为压电陶瓷感应模块20提供辅助信息，在智能骨料完好状态下以压电陶瓷感应模块20收集的信息作为主要信息源，其他模块采集的信息作为辅助信息与压电陶瓷感应模块20采集的信息进行对比和拟合，从而进行信息的综合分析与评估；当压电陶瓷感应模块20损坏或者失效时，以湿度传感器30和纤维电阻作为主要的信息采集模块，对信息进行分析和评估，由此提高智能骨料对混凝土结构信息监测的可靠性，延长智能骨料的使用寿命，实现智能骨料自身的失效补偿功能。

[0037] 本实施例还提供了上述混凝土智能骨料的制备方法，包括以下步骤：

[0038] S1，焊接，将金属网片51的一端、压电陶瓷片模块20对应的端口和湿度传感器模块30对应端口分别与微电路模块50上相应的导线焊接在一起，并对焊接位置进行防水处理。

[0039] S2，定位，将金属网片51、压电陶瓷片模块20和湿度传感器模块30分别固定放置在骨料模具的预定位置上，其中骨料模具与常规的混凝土模具相同，此处不再详述。

[0040] S3，成型，将纤维电阻按照预定的配比进行混合并均匀混入骨料浇注液中，其中，纤维电阻包括5mm的短切碳纤维和200目的石墨粉，短切碳纤维掺量为骨料浇注液中的砂子质量的1.25％，石墨粉用量与短切碳纤维质量比为1.2:1.0，骨料浇注液可以为水泥砂浆混合物、水泥细石混凝土或树脂砂基混合物，在本实施例中，骨料浇注液的水胶比W/C＝0.35，且骨料浇注液中，减水剂、可再分散乳胶粉(RPP)以及羟丙基甲基纤维素醚(HPMC)的掺量分别为占胶凝材料用量的0.4％、0.2％和0.2％。

[0041] 然后将骨料浇注液均匀浇入骨料模具中，浇入过程中不断震动骨料模具，并确保金属网片51的一端在浇入完成后露出液面形成电极，浇筑过程中轻微上下震动骨料模具，频率为一秒一次，幅度为1-2mm,浇筑完成之后，将震动的频率调整为1秒10次，振幅调整为1mm，浇入完成后将骨料模具放置在室温环境下静置预定时间(在本实施例中该预定时间为
24小时)，再进行脱模处理形成骨料基体10，之后对骨料基体10进行养护处理，具体的养护处理方式与常规的混凝土构件相同，此处不再详述。

[0042] S4，监测，将位于骨料基体10上的电极与外部检测控制系统连接，然后将骨料基体10分别放置在干燥环境和水环境中，利用湿度传感器模块30监测获得对应环境的湿度特征，并以湿度特征为依据建立湿度传感器模块30的正常工作特征区间。

[0043] S5，标定，将骨料基体10浸泡在水中，且骨料基体10与水面之间的间距为10cm，当骨料基体10有多个时，多个骨料基体10同时浸泡在水中，相邻两个骨料基体10之间的间距为20cm。之后反复测试电极输入或输出信号的范围和稳定性，并以此为依据标定混凝土智能骨料的工作参数。

[0044] S6，记录，将标定好的智能骨料相关参数进行整理和记录，并归类放置，完成智能骨料的制备。

[0045] 上面结合附图对本发明做了详细的说明，但是本发明的实施方式并不仅限于上述实施方式，本领域技术人员根据现有技术可以对本发明做出各种变形，这些都属于本发明的保护范围。