[发明专利]一种基于超声匹配层设计原理的混凝土新型智能骨料

说明书

本申请公开了一种基于超声匹配层设计原理的混凝土新型智能骨料，包括：匹配层、压电元件、屏蔽层和绝缘层；所述压电元件与所述绝缘层连接；所述屏蔽层与所述压电元件和所述绝缘层连接；所述屏蔽层与所述匹配层连接。本申请使用环氧树脂基、金属粉末和混凝土灌浆料作为匹配层，解决了压电元件与混凝土介质分界面的声阻抗匹配问题，同时兼顾了智能骨料与混凝土材料的强度相容性。

技术领域

本申请属于钢筋混凝土结构的智能监测领域技术领域，具体涉及一种基于超声匹配层设计原理的混凝土新型智能骨料。

背景技术

钢筋混凝土结构在世界范围内被广泛用于大型公共水利、交通基础设施及建筑结构的建设，在服役期间易遭受环境荷载和突发荷载作用，导致结构失效。近年来，智能监测技术在钢筋混凝土结构的智慧运维和服役安全领域得到研究和应用。智能监测技术主要依赖于智能传感器的对构件损伤的感知和分析实现损伤识别和早期预警。压电智能材料由于良好的嵌入性、低成本、宽频响应及对微小损伤敏感等优点，在钢筋混凝土结构的智能监测领域获得广泛应用。

由于压电陶瓷材料易受环境腐蚀，研究者们提出了压电智能骨料传感器，通过将压电陶瓷感知元件包裹于具有一定强度的材料中，形成可预埋至混凝土内部的传感器。包裹材料经历了三个阶段的发展，第一阶段采用水泥砂浆，第二阶段为大理石，第三阶段采用超高性能混凝土。上述三个阶段对于包裹材料的设计原理仅考虑了与待测混凝土构件的强度相容，但没有考虑压电陶瓷感知元件、包裹材料及混凝土三种不同材料之间的声阻抗相容性，导致压电陶瓷元件激励的信号在界面之间发生过高的折射衰减，使得进入到待测混凝土构件的探测应力波信号微弱，传播距离受限，从而限制了基于压电智能骨料的监测技术在大型混凝土实际工程中的应用。

发明内容

本申请提出了一种基于超声匹配层设计原理的混凝土新型智能骨料。使用环氧树脂基、金属粉末和混凝土灌浆料作为匹配层，解决了压电元件与混凝土介质分界面的声阻抗匹配问题，同时兼顾了智能骨料与混凝土材料的强度相容性。

为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

一种基于超声匹配层设计原理的混凝土新型智能骨料，包括：匹配层、压电元件、屏蔽层和绝缘层；

所述压电元件与所述绝缘层连接；所述屏蔽层与所述压电元件和所述绝缘层连接；所述屏蔽层与所述匹配层连接。

优选的，所述压电元件为核心感知元件，具有正负极，在其正极表面喷涂绝缘层。

优选的，所述屏蔽层用液体屏蔽材料喷涂。

优选的，所述匹配层为复合材料，通过在低阻抗的基体材料中加入高阻抗材料使复合材料的声阻抗达到设计的声阻抗值。

优选的，所述低阻抗的基体材料选择环氧树脂，所述高阻抗材料选择金属粉末。

优选的，所述匹配层的厚度为四分之一个波长，声阻抗的公式为：

其中，Z₁、Z₂、Z₃分别为压电元件、匹配层和混凝土介质的声阻抗，ρ、ν为匹配层的密度和波速。

本申请还提供基于超声匹配层设计原理的混凝土新型智能骨料的制作方法，包括以下步骤：

准备材料；

基于所述材料，制作屏蔽层和绝缘层；

基于所述材料，制作匹配层。

优选的，所述材料包括：压电元件、屏蔽导线、传感器模具、绝缘漆、液体屏蔽材料、环氧树脂胶和高强度灌浆料。

优选的，所述制作屏蔽层和绝缘层的方法包括：所述屏蔽导线连接压电元件的正负极，其正极做绝缘处理，紧接着在所述压电元件的两侧喷涂屏蔽薄层，待屏蔽薄层固化后将所述压电元件固定在模具中。