Устройство для мониторинга состояния железобетонных конструкций

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля и может быть использована для мониторинга напряженно-деформированного состояния (НДС) железобетонных строительных конструкций, например, сборных и монолитных колонн и ригелей зданий и сооружений, а также для мониторинга интенсивности автомобильного движения.
Известно устройство для мониторинга состояния железобетонных конструкций (Патент РФ №184406 кл. G01N 27/20 (2018.08), 2018 г.). Полезная модель обеспечивает повышение эффективности работы устройства при использовании на растянутых участках конструкций. Устройство для мониторинга железобетонных конструкций, содержит блок цементного камня, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда, с установленными в нем электродами, подключенными к источнику тока, при этом длинные вертикальные стороны блока имеют волнистую поверхность с высотой профиля 15 мм, соизмеримой с размером крупного заполнителя (щебня). Выполнение длинных вертикальных сторон блока с волнистой поверхностью с высотой профиля 15 мм, соизмеримой с размером крупного заполнителя (щебня), обеспечивает надежное сцепление сенсора с окружающим цементным камнем и позволяет повысить эффективность работы для контроля состояния не только сжатых, но и на растянутых участках железобетонных конструкций.
Известно устройство «Piezoceramic-based smart aggregate for unified performance monitoring of concrete structures («Умное» устройство на основе пъезокерамики для мониторинга бетонных конструкций)» (патент US №20080034884). Изобретение представляет собой устройство контроля рабочих характеристик (на основе пьезоэлектричества) для бетонных конструкций. Устройство непосредственно встраивается в бетонную конструкцию в желаемом месте перед отливкой и может быть использован не только для мониторинга прочности бетона, но и для мониторинга обнаружения трещин и повреждений бетонной конструкции в процессе эксплуатации. Устройство изготавливается путем помещения пластины, обладающей пьезорезистивными свойствами в небольшой кубический бетонный блок, встраиваемый непосредственно в бетонную конструкцию в процессе изготовления (рис. 2). Пластина может быть изготовлена из различных пьезокерамических материалов, например цирконата-титаната свинца (ЦТС). Для защиты пьезоэлектрической пластины от воды и влаги она покрывается водонепроницаемыми слоями.
Также известно устройство «Chemo-thermo-piezoresistive highly sensing smart cement with integrated real-time monitoring system (Химико-термо-пьезорезистивный высокочувствительный сенсор на основе «умного» цемента с интегрированным устройством для мониторинга в режиме реального времени)» (патент № WO 2017/011460 А1). Изобретение предназначено для мониторинга свойств цемента в промышленном и гражданском строительстве. Химико-термо-пьезорезистивное поведение «умного» цемента - цемента, модифицированного проводящими наполнителями, используется при создании датчика контроля напряжений, температуры, образования и раскрытия трещин, загрязнения цемента на всех этапах строительства и в период эксплуатации. Используется цемент, модифицированный проводящим наполнителем, содержащим диспергированные углеродные, базальтовые волокна или их смеси в количестве от 0,03% до 0,1% от объема. Разделение и распределение наполнителя является основным фактором, определяющим эффективность его использования в качестве проводящей добавки. В связи с этим диспергирование волокон в цементе предлагается выполнять двумя способами: смешивая или с водой или с цементом с предварительной обработкой растворами поверхностно-активных веществ.
Общим недостатком перечисленных решений является зависимость их показаний от условий окружающей среды, выражающаяся в колебаниях их электрического сопротивления при изменении влажности.
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели принято устройство для мониторинга состояния железобетонных конструкций (патент РФ №182473 кл. G01L 1/18 (2006.01); G01N 27/00 (2006.01); В82В 3/00 (2006.01), 2018 г.). Устройство для мониторинга железобетонных конструкций, содержит блок цементного камня, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда, с установленными в нем электродами, подключенными к источнику тока, при этом цементный блок изготовлен из смеси воды, цемента, песка, микрокремнезема (МК), взятых при соотношении В:Ц:П:МК=0,45:1:1:0,15, и углеродных нанотрубок в количестве 1% от массы цемента.
К недостаткам прототипа относится ухудшение эксплуатационных характеристик, обусловленное понижением достоверности измерений вследствие воздействия влажности.
Задача полезной модели заключается в усовершенствовании устройства для мониторинга состояния железобетонных конструкций, позволяющем улучшить его эксплуатационные характеристики.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности измерений сенсоров за счет стабилизации их работы при различных условиях окружающей среды и влажности.
Технический результат достигается тем, что устройство для мониторинга железобетонных конструкций, содержащее блок цементного камня, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда, с установленными в нем электродами, подключенными к источнику тока, изготовленный из смеси воды, цемента, песка, микрокремнезема (МК), взятых при соотношении В:Ц:П:МК=0,45:1:1:0,15, и углеродных нанотрубок в количестве 1% от массы цемента покрывается слоем эпоксидного клея толщиной от 0,1 до 0,5 мм. Покрытие эпоксидным клеем снижает зависимость показаний сенсоров от условий окружающей среды и исключает колебаниях их электрического сопротивления при изменении влажности.
Улучшение эксплуатационных характеристик достигается за счет покрытия поверхности сенсора эпоксидным клеем, что исключает влияние влажности на результаты измерения.
Уменьшение толщины клеевого слоя может привести к его повреждению при бетонировании конструкции, в которую встраивается сенсор. Увеличение толщины клеевого слоя может привести к несоответствию напряжений в исследуемой конструкции и сенсоре из-за значительного ослабления контакта сенсора с бетоном конструкции.
На фиг. 1 и фиг. 2 приведена схема устройства для мониторинга состояния железобетонных конструкций, состоящего из блока 1, имеющего форму прямоугольного параллелепипеда и изготавливаемого из смеси воды, цемента, песка, микрокремнезема (МК), взятых при соотношении В:Ц:П:МК=0,45:1:1:0,15 с добавлением углеродных нанотрубок в количестве 1% от массы цемента, что придает цементному раствору пьезорезистивные свойства с высоким коэффициентом тензочувствительности, с установленными в нем при формовании электродами 2,3 для измерения полного электрического сопротивления по четырехточечной схеме при подключении крайних электродов 2 к источнику переменного тока. Блок 1 покрыт слоем эпоксидного клея 4.
Для изготовления цементного камня предварительно подготавливается сухая смесь цемента, песка, микрокремнезема, взятых при соотношении Ц:П:МК=1:1:0,15. Углеродные нанотрубки в количестве 1% от массы цемента размешиваются в воде, взятой в количестве 45% от массы цемента, после чего полученной суспензией затворяется сухая смесь. Для диспергирования агломератов углеродных нанотрубок, образующихся в результате действия сил Ван-дер-Ваальса, суспензия подвергается ультразвуковой обработке в течение 5 мин.
После формования образцы выдерживаются 28 суток при нормальных условиях для набора прочности, затем производится сушка образцов в печи при температуре 100-110°С до стабилизации массы. После этого, образцы покрываются слоем эпоксидного клея толщиной от 0,1 до 0,5 мм, позволяющим производить тщательную изоляцию образца по всей поверхности. После отверждения клея устройство готово к использованию.