本發(fā)明涉及一種用于混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測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，屬于土木工程領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟的不斷增長、科技的不斷進步，人們對于大型復(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)在長期服役過程中，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，如不及時發(fā)現(xiàn)，可能會引起災(zāi)難性的突發(fā)事故。

壓電陶瓷材料因其同時具有正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)，可以同時作為驅(qū)動器與傳感器，且價格低廉、響應(yīng)速度快、靈敏度高、能耗低、線性度良好，在鋼筋混凝土主動結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(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，基于波動法的混凝土結(jié)構(gòu)主動健康監(jiān)測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，通過相關(guān)參數(shù)變化實現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷情況的監(jiān)測。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，導(dǎo)致傳感器間的監(jiān)測區(qū)域很小。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種高輸出能力、與混凝土材料相容性好、無需保護、且能提供實時在線監(jiān)測鋼筋混凝土結(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層，內(nèi)部核心為若干d33型壓電陶瓷圓片通過高強環(huán)氧樹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表面具有相同的電極結(jié)構(gòu)并且正負分支電極位置對應(yīng)。該結(jié)構(gòu)實現(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。從而實現(xiàn)了混凝土材料中，應(yīng)力波的更遠距離傳輸。

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、高強環(huán)氧樹脂填充保護層3、屏蔽涂料層4，大理石保護殼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d33型壓電陶瓷圓片1相對面連接相同極性的電極；各d33型壓電陶瓷圓片1間使用高強環(huán)氧樹脂填充保護層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和高強環(huán)氧樹脂填充保護層3；將被保護的壓電堆放入大理石保護殼5中，使用高強環(huán)氧樹脂填充保護層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，實現(xiàn)混凝土材料中應(yīng)力波的遠距離傳輸。

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

3、本裝置結(jié)構(gòu)簡單，材料廉價，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，無需額外保護，且本裝置可以同時作為傳感器與驅(qū)動器，實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測，具有很大的市場和應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明整體實物示意圖。

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高強環(huán)氧樹脂填充保護層；

4屏蔽涂料層；5大理石保護殼；6低噪聲屏蔽電纜；

7卡扣配合型連接器(BNC)；8壓電堆。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和技術(shù)方案，進一步說明本發(fā)明的具體實施方式。

本發(fā)明提供了一種用于混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的疊堆式壓電智能骨料，可以實現(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，具體實施方式如下：

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d33型壓電陶瓷片1表面電極進行清潔，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的相對面電極極性一致，即分支異性電極交叉排列；使用高強環(huán)氧樹脂填充保護層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，并使用萬用表監(jiān)測是否短路；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，開鑿出低噪聲屏蔽電纜6的走線口，并對外表面進行粗糙化處理，形成大理石保護殼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環(huán)氧樹脂填充保護層3將之與制作好的一對大理石保護半殼粘接成一體，形成大理石保護殼5；利用質(zhì)量塊對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，12小時后拿出；將低噪聲屏蔽電纜6與卡扣配合型連接器(BNC)7鏈接后，使用萬用表檢測是否短路。

這里有兩點需要注意：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)實際監(jiān)測區(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，大理石保護殼的大小由被監(jiān)測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的粗骨料直徑?jīng)Q定，盡量與被監(jiān)測鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的粗骨料直徑相當，減少對于被測結(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：智能骨料內(nèi)部壓電堆可以實現(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；外包大理石保護殼與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的粘接性能，在實現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的同時，又可以作為混凝土材料的粗骨料，對被測結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響較?。磺冶局悄芄橇纤貌牧狭畠r，工藝簡單，將會廣泛應(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)測中。