文摘

民用建筑生命周期的结构健康监测是至关重要的,以保证用户的安全。最优的结构健康监测系统可以自动检测、定位、结构元素和量化任何损害,从而预测主要局部或全局的失败的风险。关键问题影响传统监测系统传感器的位置、硬件的耐用性和长期测量的可靠性。事实上,传感器的部署是至关重要的一个有效的调查结构系统的静态和动态特征,即耐用性和长期稳定的长期监测传感系统是必要的。一个非常有吸引力的解决这些挑战的一些发展中传感器是相同的,或类似的,材料的结构被监控,允许空间分布和长期可靠的监控系统,通过感知的建筑材料的使用。在这种背景下,作者最近提出的新的“智能粘土砖”strain-sensing粘土砖砌体结构建筑中针对嵌入智能监控能力。虽然以前的工作集中在智能砖掺杂二氧化钛和使用嵌入式电极点,这项工作提出了一种增强版的智能砖的基础上添加导电微不锈钢纤维,具有较高的电导率和一个更合适的改性方面比预期应用程序,以及板铜电极部署在顶部和底部表面的砖。本文因此提出新智能砖的制备和实验表征。研究了不同数量的纤维的影响,允许他们最优的识别内容最大化的衡量因子砖。电气和机电进行实验测试。 Overall, the presented results demonstrate that the new smart bricks proposed in this paper possess enhanced strain-sensing capabilities and could be effectively utilized as sensors within structural masonry buildings.

1。介绍

结构健康监测(SHM)的建筑是一个非常有吸引力的技术提高用户和居住者的安全(1- - - - - -3]。在不同的建筑类型,传统砖石结构,包括历史和不朽的建筑,需要最大的监控挑战由于特殊的组件的异构性和复杂性,材料非线性和本地和全球的可能激活失败机制。传统传感系统SHM的材料非常不同于那些监控结构。此外,他们通常应用于元素的外表面,耐用性的缺点。这种传感系统的高成本也是一个经常限制问题。在过去的几年里,更科学的关注一直致力于智能建筑材料表现出感知功能(4- - - - - -6]。然而,只有少数的作品一直专注于智能材料适用于结构应用,大部分的捐款用于水泥基材料和混凝土7- - - - - -9]。智能材料的感应能力通常是通过掺杂传统导电纳米或塞尺的矩阵。大多数研究关注的碳基夹杂物,如碳纳米管和碳纤维10]。作者研究了胶结材料的行为与特定碳添加关注动态应变传感(11),最近提出了一个新的多功能面膜泥砖结构称为“智能砖”(12)与压敏电阻特性。相比以前的工作,本文作者提出一种新的加工方法对智能砖使用超薄不锈钢超细纤维(直径12μ)与高水平的电导率和热阻强化。也表明,板电极铜做的是附加在顶部和底部表面的砖更有效比以前采用嵌线不锈钢电极。定义新智能后砖及其制造流程,实验室测试描述和结果讨论了为了证明智能砖strain-sensing属性。

2。智能砖与不锈钢的材料和制备超细纤维

小说粘土砖生产有不同数量的导电微夹杂物组成的不锈钢纤维:从0到1%与0.25%的步骤,1.5和2%,对新鲜的泥土的总重量。纤维模型R。统计/ S,有一个直径12μ5毫米的长度,是由一种特殊的合金(AISI 316 l铁68%,铬18%,镍12%,和莫2%)保持低电阻率值,顺序的60 - 80Ω/厘米,即使暴露在高温下,比如那些在烘烤的粘土达到1000°C左右。图1显示了一个不锈钢超细纤维(图的显微照片1(一))和一个片段的放大砖掺杂不锈钢超细纤维(图1 (b))获得使用一个倒置显微镜,尼康Epiphot 300模型。的照片清楚地表明维特征金属纤维用于实验和可接受的色散通过机械的粘土矩阵。

纤维在高温下的性能研究,通过热重测试。少量的纤维,在封闭的杯子(图2),在烤箱加热到900°C,温度达到的砖在他们准备。四个后续热循环进行了最高温度增加,从300年到900°C(图2(一个))。纤维(图没有显示任何减肥2 (b))。之前和之后的任何热循环,纤维的电阻测量使用万用表检测与两个夹子:没有相关的减少观察(图2 (c))。热重测试证实了不锈钢纤维有效候选人作为导电粘土砖的夹杂物。

机电测试的样品制作棱镜的方体基座5厘米,高7厘米。制备过程是描绘在图3。纤维和新鲜的泥土混合10分钟为一致的混合物通过一个电动搅拌机(数字3(一)和3(b))。掺粘土是注入油模具洒沙子(数字3(c)和3(d))。四个不锈钢电线被嵌入的对称中心轴的一侧的砖(图就越大3(e))。然后,砖干在90°C的温度4小时,然后燃烧在900°C(数字3(f)和3(g)) 6个小时。这个过程是相同的作者采用砖的制备与nanotitania中描述(12]。二氧化钛粒子有一个球形,因此他们并不具备普遍维度作为不锈钢纤维。他们的成功通过机械搅拌分散。每个砖样品检测有两个2厘米的电气应变仪、应变系数为2.1,应用于相反的侧方。图3是指嵌入点的情况下不锈钢电极。本文也水平铜盘。在这种情况下,铜盘的50μ厚度减少1厘米大于2的两端样品和烘烤后应用为了用作外部导电电极(图4)。

3所示。方法

电气(没有机械负荷)和机电(机械载荷作用下)进行了测试。样本水平放置在更大的层面。采用双探针法测量砖的电气性能。两个不同的配置实现:第一次使用嵌入式不锈钢电极放置在4厘米的距离,第二个有两个铜盘外部应用于5厘米的距离。图4显示设置和照片的素描为电气和机电测试的样品检测。

3.1。电气测试

电气测试旨在调查电导率的变化与越来越多的砖块的填料和电极的配置测量的影响。为此,嵌入式和外部配置的电极进行了调查。测试也旨在验证测量的可重复性。的数据采集系统由倪pxie - 1073底盘与倪PXI4071数字万用表。一个电压方波的幅度±10 V (20 V峰),50%的工作周期,1赫兹的频率(图5(一))应用通过一个函数发生器,模型普源精电DG1022,为了生产样品上的充电和放电周期,消除极化效应。这种效应是典型的介电材料,如面膜泥,导致和影响电气测量信号的时间漂移由于一个电场的产生与应用。采用电气配置产生一个低噪声水平,展示了在以前的作品(13]。积极的电流强度测量被部分的两相的信号,大约以80%的恒定的一部分(图5(b)),在程序中定义(13]。样本的抽样率每秒(S / S)的相同应用电压方波的频率。

的电阻计算了欧姆定律: 在哪里应用恒压和测量电流强度,是特定时间即时当样本。

3.2。机电测试

机电测试进行了分析应变灵敏度的砖块和评估他们的监测性能作为应变传感器。所有的样品受到加载步:电阻是通过两个导电电极之间的电测量(不锈钢和铜的),而实际的应变测量使用传统应变仪,通过平均的结果。规的计算因子(GF)所有样本的许可来确定最优填料添加量来获得最执行砖传感器。它是通过以下方程: 在哪里在电阻增量变化,不牵强附会的电阻,轴向应变压缩(积极)。板电极,部分的电阻变化量与压缩荷载增加可能是由于接触电阻的变化,在低的值压缩。然而这方面的详细分析超出了本研究的目的在预加载应用于减轻这一现象。数据采集系统和电压应用与电气测试方法是相同的。应变仪的数据采集系统是模型pxie - 4330, 8通道24位分辨率,最大25 kHz的采样率,抗锯齿过滤器。一步加载应用使用新闻LAUMAS CL 2000公斤负载细胞。加载步骤是在500年和1200年之间N。与不锈钢纤维粘土砖和二氧化钛粒子进行调查,以比较他们的电气行为和与不同数量的夹杂物的敏感性。

图5显示了电气和机电安装测试。这张照片显示了完整的电子测试期间测量设置。信号发生器(图5(一)提供了电压方波,和数据采集系统记录电极之间的电流。图5(b)也说明了两相的测量过程,而图5(c)显示了周期性负载历史提供的新闻。

4所示。结果与讨论

4.1。电气测试

图6显示了输出的电气测试砖样品掺杂不同数量的不锈钢超细纤维。图6(一)描述之间的比较结果使用嵌入式钢丝电极和外部铜板电极:外部板电极提供了一个电阻变化,降低导电填料的量的增加。相反,当使用内嵌不锈钢电极,一个意想不到的增加电阻变化与越来越多的钢铁超细纤维被证明。这种效应可能是由于金属电极之间的接触电阻和砖矩阵与钢纤维。事实上,内部电极材料代表的不连续点,和在燃烧,这种不连续起源于内部当地宏观和显微疏松影响粘土和金属电极之间的联系。因此,电阻变化的增加随着导电填料添加量的增加可能是由于更高的干涉效应的嵌入式电极复合高固体包裹体的存在。图6 (b)显示了平均电阻导电填料与越来越多的砖块和观察到的变化不同的测量,误差的形式。结果表明,粘土的导电填料的存在决定了一个更小的变化的结果,也就是说,高重复性的测量。

4.2。机电测试

的衡量因素是计算结果用砖头躺在水平配置,对于两种类型的夹杂物和增加他们的数量。图7(一)表明,在砖与不锈钢超细纤维与铜盘电极,样品灵敏度最高的是1%的导电添加,与1032年的女朋友。测量的可变性GF与不同数量的纤维内容可能是由于纤维的可能发生局部浓度由于它们之间的债券。为了比较,图7 (b)报告砖的衡量因素掺杂二氧化钛和嵌入式电极用于以前的工作(12]:5%的砖填充显示了最高价值的衡量因素。这样的结果的比较可以得出结论,与钢纤维砖清单最高灵敏度较低数量的填料相比,智能砖掺杂二氧化钛。这可能是由于夹杂物的特殊的长宽比和高导电性的不锈钢对二氧化钛超细纤维。砖的指标因素提出了工作也视为更高比二氧化钛的砖块。然而,这个结果不能推广由于不同配置的电极(铜盘电极砖用不锈钢超细纤维和不锈钢电极点砖掺杂二氧化钛,并提出了在前面的工作)。最后调查strain-sensing智能砖掺杂不锈钢超细纤维的性质,数字8描述了时间测量应变和相应的规范化的历史变化的电阻,在机电测试样本与板电极。特别是,图8(一个)指的是一个正常的砖,而图8 (b)是指砖与钢纤维的1%。图表显示,填充物的存在增加了刚度的砖,生产低应变下相同的应用负载。此外,掺杂砖的敏感性明显高于正常,同时输出信号的质量似乎与超细纤维的加入大大改善了。

5。结论

本文提出了智能粘土砖的新配方,最近提出的一种新型传感技术作者对砌体结构的结构健康监测,根据不锈钢的使用超细纤维作为导电填料和肤浅的水平铜盘(应用postbaking粘土)作为电极。传统的粘土砖被掺杂不同数量的填充物,从0%降至2%。这种特殊的填料具有耐高温,演示了通过热重测试。这种特性是必要的,以确保砖加热后的电导率和压电电阻率达到900°C,在他们的生产过程。电气测试进行不同电极的配置显示,水平板铜电极放置在顶部和底部的外部表面砖,表现出更加可靠和可重复的结果相比,那些获得使用嵌入式电极。此外,大量的填料分散的粘土矩阵产生样本具有更好的均匀性。机电测试旨在调查掺杂砖的传感功能。两相的方法被用于电压适用于样品,消除了极化效应通常会影响传统直流电气测量。不锈钢超细纤维的样本有1%是其中最敏感的样品具有不同的内容或二氧化钛超细纤维。总的来说,结果表明,提出的新类型学面膜泥智能砖是有前途的结构健康监测应用砌体结构,优于先前提出的智能砖将二氧化钛粒子和使用嵌入式电极。 Their applications may potentially include structural health monitoring of new and existing masonry structures, including historical and monumental ones, which is also made possible by the circumstance that the proposed smart bricks are aesthetically similar to normal ones.

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了意大利教育部大学和研究(MIUR)通过有关国家利益的资助项目“SMART-BRICK:小说strain-sensing纳米黏土砖使自我监控砌体结构”(协议号2015 ms5l27)。