ДАТЧИК ДЕФОРМАЦИИ КОМПОЗИТНЫЙ ДЛЯ ЗАКЛАДКИ В БЕТОН

Полезная модель используется в строительных сооружениях для мониторинга напряженно-деформационного состояния конструктивных элементов, например, зданий. В частности, для измерения деформаций в бетонных и железобетонных конструкциях с помощью закладного датчика в течение полного цикла существования строительных сооружений и конструкций.
Во многих случаях желательно измерение деформации в бетонной конструкции. Во многих строительных конструкциях (зданиях) используют армирующие стержни в бетоне (железобетонные конструкции). Среди проблем, возникающих в датчиках деформации для измерения деформации в бетоне, есть проблемы снижения точности измерения деформаций закладными датчиками, связанные с нарушением гидроизоляции датчиков и искажениями полей напряжений из-за разницы модулей упругости датчика и бетона.
Из уровня техники известно изобретение «Строительная конструкция с использованием композитной конструкции с встроенными датчиками» (патент РФ №2441110, E01D 1/00, опубликован 27.01.2012), в котором рассмотрена строительная конструкция, включающая полосы или пластины из композитной конструкции с встроенными датчиками для измерения деформаций и контактами для оценки текущего напряженно-деформированного состояния бетона. В необходимых случаях с целью определения температурных напряжений, возникающих при твердении бетонной смеси, блоки беспроводной связи подключают к датчикам через отверстия в опалубке. Такая конструкция датчиков не является достаточно герметичной, так как в конструкции не предусмотрено, в частности, влагозащитные барьеры.
Из уровня техники известна полезная модель «Тензодатчик» (патент РФ №62234, G01B 7/16, опубликован 27.03.2007), содержащий проволочный тензорезистор, приклеенный к арматурному стержню. Выводы тензорезистора согнуты в виде гармошки. Посредством двух изолированных проводов выводы тензорезистора соединены с измерительной системой. Изолированные провода помещены в поливинилхлоридную трубку, привязанную нитью к арматурному стержню. Изолированные провода имеют возможность перемещаться внутри трубки при деформациях арматурного стержня и защищены при бетонировании исследуемого образца. В месте спайки выводов тензорезистора с выводами изолированных проводов выполнена подложка из скотча. Тензодатчик имеет защитное покрытие из эпоксидной смолы, отвердителя и цемента. Изолированные провода находятся в поливинилхлоридной трубке. Выводные проводники припаяны с одной стороны к выводам тензодатчика, а с другой стороны защищены от воды при помощи полиэтиленовой пленки.
Недостатком данной полезной модели является недостаточная герметизация датчика деформации и места спайки выводов датчика с выводами изолированных проводов. В частности, герметизация при помощи полиэтиленовой пленки является ненадежной, поскольку пленка относится к непрочным материалам и может быть легко повреждена при монтаже датчика и в течение срока эксплуатации датчика может потерять герметичные свойства.
Известно полезная модель «Тензометрическое устройство для измерения деформаций арматуры железобетонных конструкций» (патент РФ №76117, G01B 7/16, опубликован 10.09.2008), состоящая из двух проволочных тензорезисторов, которые с помощью изолированных проводов соединены с многоканальной измерительной системой по полумостовой схеме. Тензорезисторы расположены внутри железобетонной конструкции. Каждый тензорезистор состоит из чувствительного элемента в виде решетки, приклеенной на диэлектрическую основу. В месте спайки выводов проводов и решетки имеется подложка из липкой изоляционной ленты. Рабочий тензорезистор закреплен на арматурном стержне. Компенсационный тензорезистор закреплен на жесткой металлической подложке и вместе с ней помещен в слой диэлектрического материала. Сверху каждый тензорезистор защищен покрытием, выполненным из состава, включающего эпоксидную смолу, отвердитель и цемент.
Недостатком данной полезной модели является недостаточная герметизация, так как подложка из липкой изоляционной ленты является ненадежным средством крепления, поскольку пленка относится к непрочным материалам и может быть легко повреждена при монтаже датчика и в течение срока эксплуатации датчика может потерять герметичные свойства.
Известна полезная модель «Закладной тензометр для бетона с регулируемой жесткостью» (патент РФ №141308, G01B 7/16, опубликован 27.05.2014), содержащий цилиндрический стержень с жесткими фланцами на торцах, тензорезисторы, размещенные в герметической полости цилиндрического стержня, выполненной в виде цилиндрического глухого отверстия, закрытого герметическим кабельным уплотнением, соединительные провода от тензорезисторов объединены в кабель и выведены соосно полому цилиндрическому стержню с одного из его торцов через герметическое кабельное уплотнение, в цилиндрическом стержне с жесткими фланцами с торца, противоположного герметическому кабельному уплотнению, выполнено дополнительное регулировочное цилиндрическое глухое отверстие, изолированное от герметической полости, тензорезисторы размещены на внутренней стенке герметической полости цилиндрического стержня.
Однако, например, в момент закладки датчика могут происходить колебания давления и температуры внешней среды, что приводит к изменению давления и температуры внутри герметичного полости с тензорезисторами. Из-за разности давлений внешней среды и в герметичном корпусе его полость может всасывать окружающий воздух. При влажной окружающей среде влажный воздух всасывается внутрь герметичного корпуса и конденсируется там, в результате чего в полости с тензорезисторами может конденсироваться влага, поскольку сами тензорезисторы не имеют герметичной защиты, что очевидно нарушает работу датчика с тензорезисторами. Таким образом, недостатком данной полезной модели является недостаточная герметизация датчика, приводящее к потере точности измерения деформации.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели, т.е. прототипом, является изобретение «Измерительная система для измерения деформации для бетона» (US PATENT №3481189, G01B 7/18, опубликован 02.12.1969), включающее в себя арматурный металлический стержень, имеющий плоскую часть с тензодатчиками, установленными на нем. Корпус включает в себя пару защитных слоев, первый для тензодатчика для защиты его от влаги и механических повреждений. Корпус датчика приспособлен для встраивания в бетонную основу. Тензодатчики крепятся к уплощенной части металлического стержня, вставленного в бетонную основу. Металлическая трубка расположена вокруг датчика деформации и стержня. Для защиты от влаги защитный слой материала, такой как воск, расположен внутри трубки для покрытия тензорезистора. Второй защитный слой содержит твердый материал типа эпоксидной смолы, окруженный соответствующим втулочным элементом (трубкой). Кабель используется для подачи питания к тензодатчику, а также для приема выходного сигнала от тензодатчиков. Вышеуказанная измерительная система адаптирована для введения в бетонную основу при заливке бетона. Металлический стержень включает в себя площадку, приспособленную для монтажа тензометрического датчика. Пара тензодатчиков крепятся к площадке с помощью соответствующего клея. Один из датчиков может быть параллелен оси стержня, а другой в поперечной позиции к нему. Пара тензодатчиков используется для обеспечения температурной компенсации. Различные подводящие провода, выходящие из тензодатчиков, размещаются в соответствующем кабеле, и используются для подключения к тензорезисторам. Воск обеспечивает влагозащитный барьер, который защищает тензорезисторы от бетонной смеси во время ее заливки. Твердый материал, например эпоксидная смола, расположен вокруг всей сборки. Этот материал обеспечивает механическую защиту тензодатчиков. Эпоксидная смола может быть окружена втулкой из поливинилхлорида.
Недостатком данной полезной модели является недостаточная герметизация данной конструкции. В частности, конструкция торцевой части датчика в области кабельного ввода не содержит влагозащитного барьера, что приводит к недостаточно надежной герметизации как во время заливки данной конструкции датчика бетоном при монтаже, так и в процессе эксплуатации. Также из-за недостаточно плотного облегания втулкой внешней поверхности эпоксидного слоя между ними могут образовываться небольшие полости, которые способствуют накоплению влаги, которая в результате может привести к нарушению герметизации. Дополнительно отметим, что один из влагозащитных слоев содержит воск, который способен размягчаться при небольшом нагреве, что, в конечном счете, приводит к нарушению герметизации в данном защитном слое.
Задачей данной полезной модели является повышение точности измерения деформации датчика и эксплуатационного срока службы датчика.
Технической результатом данной полезной модели является повышение точности измерения деформации датчика за счет герметизации путем повышения герметизации области кабельного ввода, и за счет исключения полостей между внутренней поверхностью трубки и внешней поверхностью второго защитного (герметизирующего) слоя, а также за счет снижения искажений механических полей напряжений в области размещения датчика деформации путем использования композиционного материала в датчике.
Технический результат достигается усовершенствованием конструкции датчика деформации композитного для закладки в бетон, содержащего, по меньшей мере, два тензорезистора, кабель с проводами, соединенными с тензорезисторами, трубку, стержень, на поверхности которого размещены, по меньшей мере, два вышеуказанных тензорезистора, по меньшей мере, два герметизирующих слоя, причем первый слой покрывает, по меньшей мере, всю поверхность тензорезисторов, второй слой расположен вокруг области стержня с первым слоем, при этом трубка расположена вокруг области стержня с вышеуказанными слоями, а в одной из торцевых частей стержня выполнено продольное углубление, в котором размещена часть кабеля, соединенная с тензорезисторами, а трубка выполнена из термоусадочного полимера и дополнительно охватывает часть кабеля, примыкающую к вышеуказанной торцевой части стержня, причем стержень выполнен из композиционного материала.
Кроме того, первый слой выполнен из силиконового материала. Кроме того, второй слой окружает весь стержень. Кроме того, второй слой покрывает область кабеля размещенного в продольном углублении арматурного стержня. Кроме того, второй слой представляет собой эпоксидный компаунд. Кроме того, на внутреннюю поверхность трубки нанесен термопластичный клеевой слой с герметизирующими свойствами. Кроме того, трубка имеет коэффициент усадки 4:1. Кроме того, трубка выполнена на основе ориентированного поливинилхлорида. Кроме того, по меньшей мере, один из тензорезисторов является термокомпенсационным, а на стержне выполнена площадка для размещения указанного тензорезистора, причем между площадкой и указанным терморезистором расположен дополнительный герметизирующий слой. Кроме того, дополнительный герметизирующий слой выполнен из силиконового материала. Кроме того, композиционный материал может быть выполнен на основе базальта (в том числе, базальтовых волокон).
Данная полезная модель иллюстрируется чертежами.
На Фиг. 1 изображен чертеж с элементами датчика деформации, включающий продольное углубление, в котором размещена часть кабеля, соединенная с тензорезисторами.
На фиг. 2 изображен чертеж с элементами датчика деформации, включающий первый герметизирующий слой.
На фиг. 3 изображен чертеж с элементами датчика деформации, на котором показан второй герметизирующий слой.
На фиг. 4 изображен общий вид датчика деформации, включая трубку, выполненную из термоусадочного полимера.
Датчик деформаций (1) для измерения деформации для закладки в бетон (Фиг. 1-4) содержит два тензорезистора (2, 3), кабель (13) с проводами (5), соединенными с тензорезисторами (2, 3), трубку (12), стержень из композитного материала (7). На поверхности стержня (7) размещены, два вышеуказанных тензорезистора (2, 3). Датчик деформации (1) содержит первый и второй герметизирующие слои с диэлектрическими свойствами (6, 11), причем первый слой (6) покрывает всю поверхность тензорезисторов (2, 3), второй слой (11) расположен вокруг области стержня (7) с первым слоем (6), закрывая место соединения тензорезисторов с проводами. Трубка (12) выполнена из термоусадочного полимера и расположена вокруг области стержня (7) с вышеуказанными слоями (6, 11), а в одной из торцевых частей стержня (8) выполнено продольное углубление, в котором размещена часть кабеля (4), соединенная с тензорезисторами (2, 3), а трубка (12) дополнительно охватывает часть кабеля (13), примыкающую к вышеуказанной торцевой части (8) стержня (7). Первый слой (6) выполнен из силиконового материала, например, герметика "Момент силиконовый нейтральный". Второй слой (11) выполнен, например, из эпоксидного компаунда. Второй слой (11) покрывает область кабеля размещенного в продольном углублении (4) арматурного стержня (7). На внутреннюю поверхность трубки (12) нанесен термопластичный клеевой слой с герметизирующими свойствами (на чертеже не показано). Трубка (7) имеет коэффициент усадки 4:1 и выполнена на основе ориентированного поливинилхлорида. Тензорезистор (2) является термокомпенсационным, причем на стержне (7) выполнена площадка для размещения указанного тензорезистора (2), причем между площадкой и указанным терморезистором расположен дополнительный герметизирующий слой (на чертеже не показан), выполненный из силиконового материала. Стержень (7) выполнен в виде арматурного стержня из композитного материала (базальтопластика или базальта или стеклопластика и т.д.). Использование стержня из композиционного материала на основе базальта обеспечивает лучшую сплошность системы бетон - композит. И, как следствие, обеспечивает дополнительное повышение точности измерения деформаций бетона. Кроме того, длина используемого датчика с целью получения более точной усредненной оценки деформаций и напряжений в теле бетонной конструкции выбирается таким образом, что она в три раза превышает размер диаметра кусков гравия (при наличии его в бетоне).
Устройство работает следующим образом.
Закрепляют датчик деформации (1) на месте измерений и заливают бетоном. После схватывания бетона датчик деформаций (1) готов к измерениям. Деформация бетонной конструкции вызывает растяжение или сжатие стержня (7), деформация которого передается рабочему тензорезистору 3. Сигнал от тензорезистора 3 пропорционален напряжению или деформации в бетоне, далее он преобразуется электронной аппаратурой (на чертеже не показана) в соответствующие измерительные данные по деформации и напряжению для системы контроля деформации здания. Применение двух тензодатчиков (2, 3) вместо одного обеспечивают температурную компенсацию, поскольку один из датчиков (2) выполняет функцию термокомпенсационного датчика.
На фиг. 2 показан первый герметизирующий слой (6), выполненный, например, из силиконового материала, который обеспечивает барьер для влаги для тензорезисторов 2 и 3. На фиг. 3 показан второй герметизирующий слой (11), который обеспечивает дополнительный барьер для влаги для места соединения проводов (5) с тензорезисторами 2 и 3. Также второй герметизирующий слой (11), например, в виде эпоксидного компаунда, обеспечивает механическую защиту тензорезисторов. Эпоксидный компаунд имеет необходимые упругие свойства для защиты тензорезисторов от внешних механических ударов и возвращение к их своей первоначальной форме.
Отрезок трубки одевается со стороны торцевой части стержня (8), затем под воздействием контролируемого нагревания надежно сжимается с исключением полостей между трубкой и внешней поверхностью второго герметизирующего слоя. Таким образом, достигается повышение качества герметизации между трубкой и внешней поверхностью второго герметизирующего слоя.
Дополнительное повышение качества герметизации между трубкой (12) и внешней поверхностью второго герметизирующего слоя (11) обеспечивается за счет применения термоусадочной трубки с высоким коэффициентом термоусадки (4:1). Также за счет того, что трубка (12) дополнительно охватывает часть кабеля (13), примыкающую к вышеуказанной торцевой части (8) стержня (7) происходит герметизация области кабельного ввода. Повышению качества герметизацию способствует также размещение части кабеля в продольном углублении, в котором размещена часть кабеля (4), соединенная с тензорезисторами. Такое размещение кабеля способствует более равномерно обжатию области кабельного ввода термоусадочной трубкой и соответственно надежности герметизации стыка между краями термоусадочной трубки и поверхностью кабеля. Использование термоусадочной трубки (12) с термопластичным клеевым слоем (например, трубки Deray IAKT), нанесенным на внутреннюю поверхность трубки и высоким коэффициентом усадки обеспечивает дальнейшее повышения качества герметизации. При охлаждении клей формирует упругую, водостойкую герметизацию между кабелем (13) и термоусадочной трубкой (12).
Кроме того, длина используемого датчика может быть выбрана в три раза превышающей размер диаметра кусков гравия (в бетоне) с целью получения более точной усредненной оценки напряжения (деформации) бетонной конструкции.
Если датчик является концентратором напряжений, то точность измерения деформации снижается, и чтобы избежать этого, то необходимо, по меньшей мере, подобрать модуль упругости подложки (стержня), на которой расположены тензорезисторы, и бетона, равными друг другу (коэффициент упругости композиционных материалов близок по величине к коэффициент упругости бетона. (Применение композиционных материалов в технике Том 3 Браутман Л.N. 1978)).
Весь узел собирается на заводе в контролируемых условиях.