一種分布式碳纖維筋及制備方法及應變確定方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于結構健康監測領域，特別是一種分布式碳纖維筋及制備方法及應變確 定方法。
【背景技術】
[0002] 碳纖維具有低密度，高強度，高模量，耐腐蝕，耐高溫，耐低溫，抗疲勞等一系列優 點，被稱為"新材料之王"。隨著碳纖維價格的降低，碳纖維的運用也越來越廣泛，尤其在土 木建筑行業。但碳纖維是脆性材料，當發生破壞時往往是突然斷裂而導致結構物垮塌等惡 性事件，危及廣大人民群眾的財產和生命安全。
[0003] 由于碳纖維是新材料，目前尚沒有專門的監測方法。目前土木工程中主要的監測 方法是以光纖為代表的嵌入式傳感器和以應變片為代表的貼附式傳感器，還有其他的例如 觀察法等傳統的監測方法。但是這些方法都具有一定的局限性，比如光纖價格高比較脆弱， 應變片在筋材上貼不勞等特點，傳統的監測方法有離線，精度低，穩定性差，成本高等特點。 目前的監測方法難于有效的測量碳纖維筋材的應力狀態。
【發明內容】
[0004] 本發明所解決的技術問題在于提供一種分布式碳纖維筋及制備方法及應變確定 方法。
[0005] 實現本發明目的的技術解決方案為:一種碳纖維筋，碳纖維被混合物充分包裹，該 混合物包括30-60重量份的環氧樹脂、10-20重量份固化劑、30-60重量份的導電粉末、10-20 重量份稀釋劑。
[0006] -種制備上述碳纖維筋的方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1、將30-60重量份的環氧樹脂、10-20重量份固化劑、30-60重量份的導電粉 末、10-20重量份稀釋劑在10°C-4(TC的常溫下攪拌均勻，得到混合物A;
[0008] 步驟2、將碳纖維順絲浸潤在混合物A中，充分浸透后取出碳纖維；
[0009] 步驟3、使碳纖維絲徑向穿過若干銅套，所述銅套的截面為網狀；
[0010]步驟4、將步驟3中的碳纖維筋材放置在圓柱狀模具中并在常溫常壓下養護，使其 形狀固定；
[0011 ]步驟5、拆模，完成碳纖維筋的制備。
[0012] -種確定上述碳纖維筋應變的方法，包括以下步驟：
[0013] 步驟A、在銅套表面粘貼電極，并用導線引出，形成碳纖維傳感器；
[0014] 步驟B、測定整段碳纖維筋的靈敏度系數為K;
[0015] 步驟C、對碳纖維筋的初始電阻進行標定，具體為:假設相鄰的四個銅套的編號分 別為A、B、C和D，則AB，BC，CD段初始電阻分別為h，R 2，R3;從A，B，C，，D引出的導線實測電阻為 Rab，Rbc，Rcd ;
[0016] 步驟D、確定AB，BC，CD三段的應變。
[0017] 本發明與現有技術相比，其顯著優點為：1)本發明選用材料獲取途徑方便，測量原 理簡單可靠；2)本發明制作工藝簡單，使用方便，具有廣闊的應用前景和良好的經濟效益； 3)本發明可以方便確定結構應變，只需要在監測的點接出傳感器即可確定傳感器附件混凝 土的應力應變狀態，并可以對多個監測點同時進行應力監測，可按照監測需求在多個點安 裝傳感器，實現區域性整體實時應力監測;4)本發明制備的碳纖維筋具有良好的耐腐蝕、耐 高溫、耐低溫性能。
[0018] 下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
【附圖說明】
[0019] 圖1為分布式碳纖維筋傳感器結構示意圖。
[0020] 圖2為銅套詳細結構圖，圖(a)為銅套截面圖，圖(b)為銅套主視圖。
[0021] 圖中編號所代表的含義為:1-碳纖維筋，2-導線，3-銅套，4-電極。
【具體實施方式】
[0022] 結合附圖，本發明的一種碳纖維筋，碳纖維被混合物充分包裹，該混合物包括30-60重量份的環氧樹脂、10-20重量份固化劑、30-60重量份的導電粉末、10-20重量份稀釋劑。
[0023] 所述碳纖維為聚丙烯腈基碳纖維，環氧樹脂和固化劑為雙酚A型環氧樹脂中的E51 和固化劑593,或是雙酸A型環氧樹脂中的E44和聚酰胺650固化劑，導電粉末為導電銀粉、碳 粉或銅粉，稀釋劑為丙酮。
[0024] -種制備上述碳纖維筋的方法，包括以下步驟：
[0025] 步驟1、將30-60重量份的環氧樹脂、10-20重量份固化劑、30-60重量份的導電粉 末、10-20重量份稀釋劑在10°C-4(TC的常溫下攪拌均勻，得到混合物A;
[0026] 所述環氧樹脂和固化劑為雙酚A型環氧樹脂中的E51和固化劑593,或是雙酚A型環 氧樹脂中的E44和聚酰胺650固化劑，導電粉末為導電銀粉、碳粉或銅粉，稀釋劑為丙酮。
[0027] 步驟2、將碳纖維順絲浸潤在混合物A中，充分浸透后取出碳纖維；
[0028] 步驟3、使碳纖維絲徑向穿過若干銅套，所述銅套的截面為網狀；
[0029] 步驟4、將步驟3中的碳纖維筋材放置在圓柱狀模具中并在常溫常壓下養護，使其 形狀固定;養護時間大于等于兩天。
[0030] 步驟5、拆模，完成碳纖維筋的制備。
[0031 ] -種確定上述碳纖維筋應變的方法，包括以下步驟：
[0032] 步驟A、在銅套表面粘貼電極，并用導線引出，形成碳纖維傳感器；
[0033] 步驟B、測定整段碳纖維筋的靈敏度系數為K;
[0034]步驟C、對碳纖維筋的初始電阻進行標定，具體為:假設相鄰的四個銅套的編號分 別為A、B、C和D，則AB，BC，CD段初始電阻分別為Ri，R2，R3;從A，B，C，，D引出的導線實測電阻為 Rab，Rbc，Rcd ;
[0035] 步驟D、確定AB，BC，CD三段的應變。
[0036] 計算AB，BC，⑶三段的應變采用直接確定的方法，所用公式為：
[0037] AB段應變
[0038]
[0039]
[0040] 或者，計算AB，BC，⑶三段的應變采用間接確定的方法：
[00411步驟D-1、確定AB，BC的應變，公式為：
[0042]
[0043]
[0044] 步驟D-2、確定AC的應變，公式為：
[0045]
[0046] 其中，Iab，1BC，1AC分別為區段AB，BC，AC的初始長度。
[0047] 下面進行更詳細的描述：
[0048] 碳纖維絲與應變的本構關系如下：
[0049] 假設單絲碳纖維電阻值為R，根據電阻特性有= 為碳纖維絲電阻率，L為碳 纖維絲長度，Α為碳纖維絲截面面積。當金屬絲受拉或受壓時，L和Α均會有相應的變化。為了 得到阻值R隨L、A的變化規律，利用數學的微分原理，對電阻R按復合函數求微分，得
[0050]
[0051 ] 兩端同除以R，有
[0052]
[0053]設碳纖維絲的泊松比為μ，則有：
[0054]
[0055] D為碳纖維絲直徑，ε為碳纖維絲沿長度方向的應變值，最終得：
[0056]
[0057]
[0058]
[0059]
[0060]
[0061]式中K的物理意義表示單位應變所引起碳纖維絲阻值的改變量，它能夠反映出電 阻絲阻值對應變的敏感程度，故稱作單絲靈敏度系數。
[0062]碳纖維傳感器工作機理與應變確定方法如下：
[0063]在結構物受外力改變時，碳纖維筋材的應力應變狀態發生變化，從而碳纖維筋材 的電阻發生變化。基于這一特性，通過測量兩個電極間的電阻，得到該段碳纖維應力應變狀 態。分析應力狀態，來判斷結構是否有損傷以及結構的剩余壽命。
[0064]應變確定方法：
[0065]在實驗室標定整段碳纖維筋的靈敏度系數為Κ，如圖1所示，所以已知其AB，BC，CD 段初始電阻分別為Ri，R2，R3，從A，B，C，，D引出的導線實測電阻為Rab，Rbc，Rcd。
[0066] 根據^ ，可計算得應變如下：
[0067] L
^
[0068] 若從A，C電極實測AC段電阻為Rac，則有
[0069]
[0070] 在實際運用中，若測得AB端、BC端電阻值Rab和Rbc則AC段平均應變計算如下：
[0071]
[0072] 根據上述算法，我們可以根據實測數據計算得到不同區段的應變值，方便對結構 進行