一种光纤自监测FRP杆及其剥纤方法技术

本发明专利技术提出了一种光纤自监测FRP杆及其剥纤方法，属于智能结构材料领域。解决了现有自监测FRP筋/杆难以同时保证光纤高粘结性能与光纤剥离便捷的问题。一种光纤自监测FRP杆，包括裸光纤、热塑性紧套层和热固性FRP层，裸光纤外层包覆热塑性紧套层，热塑性紧套层外层包覆热固性FRP层；热固性FRP层包括纤维和热固性树脂，纤维浸渍热固性树脂后包裹在热塑性紧套层上经拉挤工艺后形成热固性FRP层。它主要用于结构健康监测。结构健康监测。结构健康监测。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤自监测FRP杆及其剥纤方法


[0001]本专利技术属于智能结构材料领域，特别是涉及一种光纤自监测FRP杆及其剥纤方法。

技术介绍

[0002]纤维增强复合材料(FRP)杆/筋由纤维和树脂拉挤成型，具有轻质、高强、耐腐蚀和耐疲劳的优异性能。常见的FRP材料包括碳纤维复合材料(CFRP)、玻璃纤维复合材料(GFRP)、玄武岩纤维复合材料(BFRP)和芳纶纤维复合材料(AFRP)等。
[0003]在混凝土结构与锚杆结构中，采用FRP筋替代钢筋，可以有效解决钢筋的锈蚀问题；在桥梁拉索结构与大跨空间拉索结构中，采用FRP杆制备的拉索替代钢拉索，可显著降低结构自重，突破钢拉索桥梁跨度极限。FRP杆/筋在土木工程结构中的应用对结构轻量化、提升结构在复杂环境中的耐久性、抗疲劳性能乃至提升结构寿命具有重要意义。
[0004]光纤传感监测技术具有传感距离长、灵敏度高、抗辐射干扰强、稳定性高和可与FRP材料协同变形等优点，通过光纤传感器可对结构的应变、温度和振动信息进行监测，已被广泛应用于解决结构健康监测问题中。目前常用的光纤监测技术包括光纤光栅技术(FBG)、弱栅技术、布里渊散射技术(BOTDA/R)、瑞利散射光时域反射技术(OTDR)和瑞利散射光频域反射技术(OFDR)。基于OFDR技术开发的测量设备，已经可以实现最高空间分辨率为1mm，最高应变测试精度为
±
1.0με的应变监测，这就要求光纤与结构紧密粘结、协同变形，以保证测量的高准确度。
[0005]光纤传感器、纤维和树脂经过拉挤工艺可制备成光纤传感FRP自监测筋/杆，这种监测筋/杆不仅可以使得内部脆弱的光纤得到保护，同时使得整体兼具了传感和承力的效果，可以实现对混凝土、拉索、锚杆等结构和FRP筋/杆本身的长期监测。哈尔滨工业大学欧进萍等在国内首次将光纤光栅埋入FRP筋中，并应用在多所桥梁工程监测项目中，在安全性评估中起了重要作用。
[0006]然而，由于光纤自监测FRP杆在使用过程中需要将光纤端部与光纤接头焊接，用于连接监测设备，因此为了满足拉挤工艺的长线连续生产与成品任意长度随取随用的目的，需要FRP自监测杆内部的光纤可以被快速拨出。同时，为了满足OFDR等高空间分辨率、高精度监测技术的监测要求，光纤与FRP层需要保持协同变形，即两者之间有优异的界面粘结性能。因此就出现了自监测FRP杆材的内部光纤既要快速剥离，又要粘结性能好的矛盾难题。
[0007]现有的用于实现FRP自监测筋/杆内光纤快速拨出的方法有以下三种：第1种方法，是在拉挤生产时，每生产一段所需长度FRP杆后，就留出一段光纤，用于接线；但是这种方法并不能达到长线连续生产与任意长度随取随用的目的，严重降低了生产效率与实用性。第2种方法，是在光纤表面包裹铁氟龙套管，防止套管与FRP层直接粘结，以实现FRP外层的快速剥离；但这导致内部光纤与FRP层不能协同变形，不满足OFDR等高空间分辨率、高精度监测技术的要求。第3种方法，是通过在拉挤过程中将浸渍纤维用的热固性树脂替换成热塑性树脂，生产制成FRTP自监测杆，通过加热FRTP杆使得外层FRTP软化，实现光纤剥离；但目前热塑性拉挤生产工艺并不成熟，此工艺将严重降低杆的拉伸强度，并增加生产成本；同时，此
方法在实际剥离光纤的过程中很难实现，由于光纤直径仅为125微米左右，且杆整体都采用一种基体，光纤没有额外的紧套层保护和区分，因此即便外层FRTP软化，在剥离过程中仍会导致光纤与纤维一同断裂，或者根本找不到光纤。

技术实现思路

[0008]有鉴于此，本专利技术旨在提出一种光纤自监测FRP杆及其剥纤方法,以解决了现有自监测FRP筋/杆难以同时保证光纤高粘结性能与光纤剥离便捷的问题。
[0009]为实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供一种光纤自监测FRP杆，包括裸光纤、热塑性紧套层和热固性FRP层，所述裸光纤外层包覆热塑性紧套层，所述热塑性紧套层外层包覆热固性FRP层；所述热固性FRP层包括纤维和热固性树脂，所述纤维浸渍热固性树脂后包裹在热塑性紧套层上经拉挤工艺后形成热固性FRP层。
[0010]更进一步的，所述裸光纤为商用无涂层光纤、EA涂层光纤、聚酰亚胺涂层光纤、光栅光纤或弱栅光纤。
[0011]更进一步的，所述热塑性紧套层为Hytrel热塑性树脂、PVC热塑性树脂、ABS热塑性树脂或PLA热塑性树脂。
[0012]更进一步的，所述纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维。
[0013]根据本专利技术的另一个方面，提供一种光纤自监测FRP杆的剥纤方法，包括以下步骤：
[0014]S1、杆体截取，截取一定长度的所需自监测FRP杆，截取长度为使用所需长度与光纤引线长度之和；
[0015]S2、FRP环切，使用环切工具在距离自监测FRP杆端部一定长度的位置进行环切；
[0016]S3、FRP折断，沿着环切痕迹，与自监测FRP杆主体呈一定角度弯折自监测FRP杆端部，使得热固性FRP层完全折断，而裸光纤和热塑性紧套层保持连接；
[0017]S4、加热剥离，采用加热装置对被折断的自监测FRP杆端部充分加热至热塑性紧套层熔点温度以上，热塑性紧套层软化后将端部的热固性FRP层和热塑性紧套层完全剥离，露出裸光纤。
[0018]更进一步的，所述步骤S2中的使用环切工具在距离自监测FRP杆端部300mm的位置进行环切，使得环切后剩余自监测FRP杆的杆体直径为2mm。
[0019]更进一步的，所述步骤S2中的环切工具为管道环切刀或角磨机。
[0020]更进一步的，所述引线长度为环切位置距端部的长度，引线长度大于等于200mm。
[0021]更进一步的，所述步骤S3中弯折自监测FRP杆端部的方式为分别从前后左右四个方向反复弯折。
[0022]更进一步的，所述步骤S4中的加热装置为高温加热风枪。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0024]1、光纤自监测FRP杆采用热塑性紧套层包裹裸光纤的方式，使裸光纤与热塑性紧套层的紧密粘结；热固性FRP层与热塑性紧套层在粘结力、摩擦力、机械咬合力的共同作用下紧密粘结；从而使得自监测FRP杆内外三层均可协同变形，使得裸光纤具有极高的测量准确度；
[0025]2、可快速剥出内层光纤，可截取任意长度杆件。通过加热自监测FRP杆端部，使得
内部热塑性紧套层软化，从而快速剥出内层光纤用于焊接跳线接头；由此，自监测FRP杆可实现任意长度的截取、剥离、接线，大大提高工程实用性；
[0026]3、由于中间热塑性紧套层的设置，避免了传统杆件一体设置在剥纤时容易导致纤维和光纤一起断裂的问题；
[0027]4、材料成本低、生产便捷、拉伸强度高。使用的热塑性紧套层包光纤成本约为现有可剥离铁氟龙光纤的1/10至1/100；
[0028]5、通过在现有成熟的热固性FRP杆拉挤生产流水线中直接加入光纤实现生产，降低流水线改造成本，同时没有降低自监测FRP杆的强度；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光纤自监测FRP杆，其特征在于：包括裸光纤(101)、热塑性紧套层(102)和热固性FRP层(103)，所述裸光纤(101)外层包覆热塑性紧套层(102)，所述热塑性紧套层(102)外层包覆热固性FRP层(103)；所述热固性FRP层(103)包括纤维和热固性树脂，所述纤维浸渍热固性树脂后包裹在热塑性紧套层(102)上经拉挤工艺形成热固性FRP层(103)。2.根据权利要求1所述的一种光纤自监测FRP杆，其特征在于：所述裸光纤(101)为商用无涂层光纤、EA涂层光纤、聚酰亚胺涂层光纤、光栅光纤或弱栅光纤。3.根据权利要求1所述的一种光纤自监测FRP杆，其特征在于：所述热塑性紧套层(102)为Hytrel热塑性树脂、PVC热塑性树脂、ABS热塑性树脂或PLA热塑性树脂。4.根据权利要求1所述的一种光纤自监测FRP杆，其特征在于：所述纤维为碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维。5.一种对权利要求1
‑
4中任一项所述一种光纤自监测FRP杆的剥纤方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、杆体截取，截取一定长度的所需自监测FRP杆，截取长度为使用所需长度与光纤引线长度之和；S2、FRP环切，使用环切工具在距离自监测FRP杆端部一定长度的位置进行环切；S3、FRP折...

【专利技术属性】
技术研发人员：咸贵军，施佳君，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：