光纤智能透明混凝土及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种智能透明混凝土及其制备方法。本发明专利技术透明混凝土基于大直径塑料光纤良好的透光性能、延性以及柔韧性和光纤传感器良好的感知特性等优点，将一定量的大直径塑料光纤和光纤传感探头（光纤光栅或光纤）布设于普通混凝土结构中实现混凝土的透光性和感知性。该新型混凝土材料既能很好的透射不同波段的可见光和红外光，大大节约了普通照明损耗，也能提供良好的应变感知性能，可结构安全评定提供全面和直接的信息。该智能混凝土适于美学（艺术）建筑、节能建筑以及安全等级要求较高的特殊结构。具体地说提供了一种具有美观、透明、环保以及感知等特性的透明混凝土材料。

【技术实现步骤摘要】

木专利技术涉及结构损伤监测和功能型建筑材料，具体涉及一种建筑用混凝土。(二)
技术介绍
近年来，节约能源、保护环境己成为世界各国共同关注的问题，建筑节能巳成为了全球 建筑界的共识。随着科学技术发展和经济动力促进下世界各国出现了众多鳞次栉比的高层与 超高层建筑以及地下建筑，这些建筑，尤其是地下建筑基本上依靠人工照明来维持室内环境 光亮，极大消耗了能源。我国建筑耗能占到世界建筑总耗能的25%，其中因为照明消耗的电 力资源占电力使用的13%。目前节能建筑的关注焦点主要集中在于室内热环境方面，而在建 筑光环境设计方面国际上研究较少，从结构材料本征特性改性方向尚处于起步阶段。光纤由于其良好的导光性能，被广泛应用于通信和传感领域。目前光纤传感元件由于其 抗电磁干扰、尺寸小、分布式测量、耐腐蚀、绝对测量等优点，是结构长期健康监测的首选 敏感元件。为了充分利用太阳能，减少照明所需的电能，光纤良好的传光性能也逐渐被建筑 学家所关注。2001年，匈牙利建筑学家Aron Losonczi首次提出了透明混凝土的概念,并在 2003年应用普通光纤成功研制了透光的混凝土(Litracon)。但是由于他采用的石英光纤纤细轻 柔，难以达到表面平整和布设困难，大部分光纤满足不了光导数值孔径要求，所以传光率较 低；此外，他没有从智能特性上挖掘光纤的感知特性。塑料光纤具有变形量大(大于15%)、 传感器制作方便、布设不易损坏等优点，越来越得到关注，已成为热点研究技术。结合光纤 的导光性能和感知性能，将大直径塑料光纤(直径为l-3mm)和少量的光纤光栅或光纤布设 于混凝土中，研制开发具有良好透光性和感知性的智能透明混凝土，大直径塑料光纤具有良 好的透光性和延性，光纤光栅或光纤作为感知元件，可以对混凝土结构进行局部高精度或全 尺度应变、.温度监测。(三)
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种集节能与感知于一体，将大直径塑料光纤和光纤或光纤光栅 感知元件埋入混凝土中，具有透光性、美观、环保节能以及本征感知等特性的光纤智能透明 混凝土。本专利技术的目的是这样实现的它包括埋入混凝土中的大直径塑料光纤和传感探头，大直径塑料光纤纤芯为聚合物材料，数值孔径大于普通光纤，受光角达60。，传感探头采用光纤或 光纤光栅作为敏感元件。本专利技术还有这样一些技术特征1、所述的传感探头采用布里渊光纤探头。本专利技术光纤智能透明混凝土的制备方法为在浇注混凝土构件前，根据透光率在混凝土 模板中预先埋入一定量的塑料光纤，在结构的易损点或受力最不利位置布设高精度的光纤光 栅或全尺度光纤传感器，通过大直径塑料光纤达到良好的透光性，通过光纤或光纤光栅传感 探头对结构进行全尺度或局部高精度应变/温度监测，实现结构损伤定位和定量，为结构长期 健康监测和安全评定提供直接、可靠的信息。本专利技术主要包括以下特点1)采用大直径塑料光纤(Plastic Optical Fiber,简称POF)， 其纤芯为聚合物材料，数值孔径大于普通光纤，受光角高达60。，因此塑料光纤具有透光性能 好、延性大、柔韧性好等优点，特别适于粗放式的环境，如抵抗混凝土振捣能力，混凝土结 构大变形(如大裂缝)；2)采用光纤或光纤光栅作为敏感元件，光纤传感器具有纤细轻柔、 体积小、耐潮湿、传输距离长以及绝对测量等优点，其中光纤光栅具有局部高精度测量的特 点，光纤传感具有全尺度，较低精度测量的特点，两者结合可以实现结构局部高精度损伤定 位定量和全尺度定位和较低精度定量分析，此外光纤传感元件同样具有透光性能。本专利技术的有益效果在于1、 将大直径塑料光纤和光纤传感探头(如光纤光栅或布里渊光纤探头)，埋入混凝土中， 形成具有良好透光性和感知功能的新型混凝土材料，是一种具有环保、美观、感知等特性的智能透明混凝土；2、 在混凝土中布设一定量的大直径塑料光纤，克服混凝土粗放式的施工环境，利用塑 料光纤良好的透光性能和延性以及柔韧性等特点，实现混凝土透光功能，满足结构在大变形 或大裂缝环境下的透光性；3、 利用抽管法布设光纤传感器，布设时采用高强度毛细金属管保护光纤传感器，实现 透明混凝土的本征感知功能；4、传感光纤可以选用布里渊光纤或光纤光栅，利甩光纤感知元件对结构进行应变/温度 监测，为结构损伤监测和评价提供基础。本专利技术提供的是一种具有美观、环保、良好透光和感知等特性的新型智能透明混凝土。 透明混凝土基于大直径塑料光纤良好的透光性能、延性以及柔韧性和光纤传感器良好的感知 特性等优点，将一定量的大直径塑料光纤和光纤传感探头(光纤光栅或光纤)布设于普通混凝土结构中实现混凝土的透光性和感知性。该新型混凝土材料既能很好的透射不同波段的可 见光和红外光，大大节约了普通照明损耗，也能提供良好的应变感知性能，可结构安全评定 提供全面和直接的的信息。该智能混凝土适于美学(艺术)建筑、节能建筑以及安全等级要 求较高的特殊结构。具体地说提供了一种具有美观、透明、环保以及感知等特性的透明混凝 土材料，本专利技术还包括综合大直径塑料光纤和光纤光栅或光纤感知元件的智能透明混凝土的 制作工艺。(四) 附图说明图1为"L"型光纤智能透明混凝土模型和光纤布设示意图； 图2为图1"L"型试件剖面图3为立方体光纤智能透明混凝土模型和光纤布设示意图； 图4为图3立方体试件剖面图图5为光纤传感器(光纤或光纤光栅)埋入混凝土的工艺流程示意图； 图6为抽管法光纤传感元件(光纤或光纤光栅)布设示意图。(五) 具体实施方案 下面结合附图对本专利技术的实施方案做具体的描述结合图1和图2，附图中l-塑料光纤，2-光纤光栅或光纤传感器，3-混凝土， 4-"L"透 明混凝土试件，5-透明混凝土立方体标准件，6-模具，7-高强度钛合金毛细管。士n 44 3^6 、Ia厶T m T ^:t门ri:n、、/闩、A2丄，斗/小+站扭tst7ST工n AAi Ll, /大 rn/ 1、1 ^tt 「、'/白、^1丄士哲4i^ H~i —/cJ/V;孔义1/&一」;^疋7亡^141;、凹^^>1^"匕，化丄1^'|卞1'只鄉叫ifij々,、口、j ULia j"/。" |、， trY比'姚丄i矢i风T^iJ yc乂、直径塑料光纤1，塑料光纤均匀布设，塑料光纤用多孔不锈钢钢板定位；在构件的易损位置 或应力热点位置布设光纤传感元件2:局部高精度光纤光栅或全尺度光纤传感探头；浇注混 凝土成型，通过光纤光栅和光纤传感探头结构沿传感探头位置的应变进行全尺度监测，实现 结构损伤定位和较低精度定量，同时对结构易损位置高精度准确定量测量。结合图3，智能透明混凝土的制作工艺流程为依据塑料光纤和混凝土横截面的面积比 以及塑料光纤的直径制作相应的不锈钢带孔钢板(模具6钻孔)；在混凝土模板中布设塑料光 纤，塑料光纤通过带孔钢板定位(塑料光纤布设)；浇注部分混凝土，振捣使混凝土密实(混 凝土轻微振捣)；在待监测的易损部位或应力热点位置布设光纤传感探头(光纤光栅或光纤)， 由于玻璃光纤传感探头抗剪差，布设前用高强度钛合金毛细管7保护，即把光纤传感探头穿 入毛细管中，埋入混凝土中(金属导管7置于模具6);浇注全部混凝土，振捣使混凝土密实 (全部混凝土浇注)；抽出毛细管(抽出金属管)。图4为抽管法光纤传感探头的布设工艺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤智能透明混凝土，其特征在于它包括埋入混凝土中的大直径塑料光纤和传感元件，光纤总面积和混凝土试件横截面面积的比值不大于５％，大直径塑料光纤纤芯为聚合物材料，数值孔径大于普通光纤，受光角达６０°，传感元件采用光纤或光纤光栅。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周智，欧歌，何建平，高飞，吴源华，欧进萍，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]