基于壓電陶瓷的高強(qiáng)度智能骨料研制

杜國(guó)鋒，吳方紅，何明星，李　召，別雪夢(mèng)

(長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院， 長(zhǎng)江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所， 湖北荊州434023)

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基于壓電陶瓷的高強(qiáng)度智能骨料研制

杜國(guó)鋒，吳方紅，何明星，李召，別雪夢(mèng)

(長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院， 長(zhǎng)江大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所， 湖北荊州434023)

摘要：為研究混凝土動(dòng)力災(zāi)變中內(nèi)部應(yīng)力變化和工作機(jī)理，選用Q345鋼材和壓電陶瓷傳感器制作了6個(gè)高強(qiáng)壓電智能骨料，通過電液伺服試驗(yàn)機(jī)和力錘分別對(duì)智能骨料進(jìn)行標(biāo)定，得出各個(gè)智能骨料的靈敏度，并將各個(gè)智能骨料的靈敏度值與理論值進(jìn)行了比較。試驗(yàn)結(jié)果表明，智能骨料的輸出電壓與加載的壓力值呈良好的線性關(guān)系，試驗(yàn)值與理論分析結(jié)果相吻合，表明所研制的高強(qiáng)度智能骨料可以用于高強(qiáng)混凝土實(shí)時(shí)應(yīng)力的監(jiān)測(cè)，研究成果可為工程實(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞：智能骨料；靈敏度；PZT；高強(qiáng)度

0引言

近年來，壓電陶瓷(簡(jiǎn)稱PZT)因其響應(yīng)速度快、能耗低、造價(jià)低并兼有傳感和激勵(lì)的雙重效應(yīng)而廣泛地應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)及損傷診斷[1-2]。Saafi等[3]提出了混凝土結(jié)構(gòu)基于壓電陶瓷主動(dòng)傳感的健康監(jiān)測(cè)方法。Song等[4-8]提出了基于d33型壓電陶瓷片的壓電陶瓷智能骨料(SA,Smart Aggregate)，可用于混凝土的早期強(qiáng)度監(jiān)測(cè)、超高車輛對(duì)橋梁的碰撞監(jiān)測(cè)以及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)。Hou等[9-10]提出利用大理石包裹的智能骨料監(jiān)測(cè)較大幅值的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力。閻石等[11-12]提出了埋入式壓電陶瓷傳感器的力學(xué)模型并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，利用有限元方法證明了力學(xué)模型的可行性。許斌等[13-14]利用PZT智能骨料傳感器對(duì)鋼管與核心混凝土剝離進(jìn)行了檢測(cè)。杜國(guó)鋒等[15]提出了一種任意激勵(lì)下“單壓電片—粘結(jié)層—主體結(jié)構(gòu)”動(dòng)力耦合模型，通過對(duì)模型的理論推導(dǎo)得到了電導(dǎo)納的計(jì)算公式。

高強(qiáng)混凝土廣泛應(yīng)用于高層、超高層建筑以及大跨度橋梁[16]。我國(guó)將混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到或者超過60 MPa的混凝土稱為高強(qiáng)混凝土，而在工程實(shí)際中混凝土強(qiáng)度等級(jí)可能達(dá)到100 MPa以上，這些結(jié)構(gòu)在服役的過程中往往處于高應(yīng)力狀態(tài)[17]。因此，要求在高應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)的傳感器必須能夠承受較高的應(yīng)力。目前在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中測(cè)量應(yīng)力的方法是采取在結(jié)構(gòu)的表面布置應(yīng)變片，通過應(yīng)變監(jiān)測(cè)值反推應(yīng)力。然而，對(duì)于截面尺寸較大和受力復(fù)雜的構(gòu)件，應(yīng)變片的應(yīng)變值無法準(zhǔn)確地反映出結(jié)構(gòu)內(nèi)部的受力狀態(tài)，因而無法判斷結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)。針對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力測(cè)量，一些學(xué)者提出了一種基于水泥基的應(yīng)力應(yīng)變傳感器，但這些傳感器并不適用于高強(qiáng)混凝土應(yīng)力的測(cè)量，因?yàn)樵谳^高應(yīng)力狀態(tài)，這些水泥基制作成的傳感器極可能被壓碎[18-19]。為此，本研究采用了Q345鋼材作為壓電智能骨料的外殼，用于高強(qiáng)混凝土內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測(cè)，以避免類似于水泥基智能骨料在較高應(yīng)力下被壓壞。以單向極化智能骨料為研究對(duì)象，采取不同的加載方式對(duì)智能骨料靈敏度進(jìn)行標(biāo)定，以期為多向極化智能骨料的研制奠定基礎(chǔ)，滿足監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部某點(diǎn)空間應(yīng)力狀態(tài)的需求，使之更好地應(yīng)用于實(shí)際工程。

1壓電陶瓷的工作原理

壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，在外力的作用下能夠產(chǎn)生電荷，稱之為正壓電效應(yīng)；在壓電材料兩個(gè)表面施加電壓時(shí)會(huì)導(dǎo)致壓電材料產(chǎn)生變形，從而產(chǎn)生應(yīng)力，稱之為逆壓電效應(yīng)。

當(dāng)外力為零，而且只存在電場(chǎng)時(shí)，電位移與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系可表示為：

(1)

表示成張量分量式，則為：

Di=εijEj，i,j=1,2,3，

(2)

式中，Di表示電位移，εij表示壓電陶瓷的介電常數(shù)，Ej表示電場(chǎng)強(qiáng)度。

對(duì)于已經(jīng)極化的壓電陶瓷片，也可采用電應(yīng)變和電場(chǎng)強(qiáng)度來表示，即：

(3)

表示成張量分量式則為：

εi=dijEj,i=1,2,3,4,5,6；j=1,2,3，

(4)

式中，εi表示電應(yīng)變，dij表示壓電陶瓷的壓電常數(shù)。

本文中采用的是d33型PZT片，如圖1所示。在表面施加1對(duì)平行于極化方向的力時(shí)，壓電陶瓷會(huì)產(chǎn)生變形，陶瓷片的極化作用會(huì)在兩個(gè)表面上產(chǎn)生電荷，如圖2所示。壓電效應(yīng)外力和產(chǎn)生電荷之間的關(guān)系可表示為：

q=d33F，

(5)

式中，d33表示壓電常數(shù)，F(xiàn)表示作用在陶瓷片表面的壓力。

圖1d33型PZT片及極化方向

Fig.1The polarization direction

ofd33mode PZT patch

圖2沿極化方向施加荷載與電荷輸出

Fig.2Loading along the polarization

direction and output charge

2壓電智能骨料的制作

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者所提出的智能骨料均是采用水泥基或者大理石作為外殼，用在高強(qiáng)混凝土中，在較高應(yīng)力下水泥基和大理石外殼均有可能被壓碎，從而影響傳感器的正常使用。文獻(xiàn)[11]研究結(jié)果表明，智能骨料的外形尺寸對(duì)智能骨料的性能有著較大的影響。因此，本研究選擇了Q345鋼材作為智能骨料的外殼，以防止智能骨料在較高應(yīng)力下被壓碎。

采用Q345鋼材作為智能骨料的外殼時(shí)，為保證鋼塊表面的平整度以及后續(xù)試驗(yàn)中智能骨料與混凝土二者之間能夠有效地結(jié)合在一起，使智能骨料與混凝土共同變形，需對(duì)鋼塊的表面進(jìn)行刻紋處理。鋼塊的尺寸為20 mm×20 mm×10 mm，鋼塊和陶瓷片之間采用環(huán)氧樹脂封裝，為防止外界噪聲信號(hào)的干擾，陶瓷片采用屏蔽導(dǎo)線引出，并采用BNC接頭連接。PZT采用武漢海創(chuàng)電子股份有限公司生產(chǎn)的PZT-5H，尺寸為10 mm×10 mm×0.8 mm，其相關(guān)的材料參數(shù)見表1。環(huán)氧樹脂封裝層的厚度為5 mm，最終成型的智能骨料尺寸為20 mm×20 mm×25 mm，如圖3所示。

表1　壓電陶瓷參數(shù)

(a) 骨料組成示意圖(b) 骨料成型圖

圖3壓電智能骨料組成示意圖及成型圖

Fig.3Structure and photo of the Smart aggregate

3壓電智能骨料的標(biāo)定

3.1靈敏度的定義

圖4　智能骨料荷載示意圖Fig.4　Schematic diagram of loading mode on the Smart aggregate

壓電智能骨料在外荷載作用下將極化，如圖4所示。此外，由式(5)可知，輸出電荷與作用在智能骨料上的壓力成正比關(guān)系。利用數(shù)據(jù)采集儀采集輸出的電荷，經(jīng)電荷電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓，可得到電壓與壓力之間的關(guān)系為：

(6)

將式(6)代入到式(5),可得:

(7)

式中，U表示經(jīng)電荷電壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電壓，q表示壓電材料的產(chǎn)生的電荷，Cf表示電荷電壓轉(zhuǎn)換器的反饋電容，d33為壓電陶瓷片的壓電常數(shù)，F(xiàn)為作用在智能骨料上的壓力。

由F=σAe，式(7)可變?yōu)?

(8)

式中，Ae為壓電陶瓷片的上表面面積，σ表示PZT上的均布應(yīng)力。

由式(8)可知，輸出電壓與作用在PZT面上的均布應(yīng)力成正比關(guān)系，故智能骨料的靈敏度可定義為單位輸出電壓與其相對(duì)應(yīng)力的比值，即：

(9)

故試驗(yàn)時(shí)只需要根據(jù)輸出的電壓和施加荷載的大小便可確定出每個(gè)智能骨料的靈敏度α。

由式(8)可得理論上高強(qiáng)度壓電智能骨料的靈敏度為：

(10)

對(duì)于外觀尺寸、PZT參數(shù)和電荷電壓轉(zhuǎn)換的反饋電容都已知的智能骨料，可以直接計(jì)算得到其靈敏度理論值。在本研究中，通過式(10)可計(jì)算得到各個(gè)智能骨料理論上的靈敏度α=0.44 V/MPa。

3.2智能骨料標(biāo)定

3.2.1往復(fù)加載模式標(biāo)定

往復(fù)加載模式標(biāo)定試驗(yàn)流程如圖5所示，采用WAW-600B微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)施加荷載，壓電陶瓷產(chǎn)生的電荷信號(hào)經(jīng)HK9209電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓并進(jìn)行放大，電荷放大器的反饋電容Cf=100 nF，電壓信號(hào)由INV3018C采集模塊進(jìn)行采集。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

圖5　試驗(yàn)流程圖

圖6　試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)采用正弦加載模式，對(duì)傳感器加載1～3 kN的正弦荷載，平衡位置為2 kN，加載頻率為2 Hz，初始加載到平衡位置2 kN時(shí)保持預(yù)載3 min，保證智能骨料與試驗(yàn)機(jī)機(jī)座接觸穩(wěn)定，然后進(jìn)行加載，加載制度如圖7所示。

圖7　試驗(yàn)加載制度

以SA1為例，施加荷載和輸出電壓的時(shí)程關(guān)系曲線如圖8所示。從圖8可以看出，二者波形基本相同。將不同壓力值與對(duì)應(yīng)的輸出電壓值進(jìn)行線性擬合，得到如圖9所示的標(biāo)定結(jié)果。從圖9可以看出，PZT的輸出電壓值與施加在智能骨料上的應(yīng)力值呈線性關(guān)系，斜線的斜率即表示所標(biāo)定的智能骨料的靈敏度α。

圖8SA1荷載和輸出電壓的時(shí)程關(guān)系曲線

Fig.8The time curve of load and output voltage on SA1

圖9SA1應(yīng)力與輸出電壓的關(guān)系曲線

Fig.9The relation of stress and output voltage on SA1

6個(gè)智能骨料的靈敏度標(biāo)定值及輸出電壓與施加荷載的相關(guān)系數(shù)如表2所示。各個(gè)骨料之間的靈敏度存在著一定差異，這可能與焊接PZT片時(shí)的焊接工藝以及智能骨料的封裝工藝有關(guān)系，但各個(gè)智能骨料的輸出電壓與施加荷載的相關(guān)系數(shù)高，線性相關(guān)好，通過試驗(yàn)標(biāo)定得到的靈敏度與理論計(jì)算值的誤差在15%以內(nèi)，主要原因在于智能骨料封裝工藝還沒有達(dá)到電子器件標(biāo)準(zhǔn)化制作要求，加載過程難以保證智能骨料單向均勻受壓，但本研究結(jié)果說明高強(qiáng)度智能骨料應(yīng)用于混凝土內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測(cè)是可行的。

表2　各智能骨料的標(biāo)定靈敏度

3.2.2沖擊加載模式標(biāo)定

在沖擊加載模式標(biāo)定試驗(yàn)中，采用力錘敲擊固定在臺(tái)座上的智能骨料，并采集力錘輸出的電壓值和智能骨料輸出的電壓值。該標(biāo)定模式下的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與往復(fù)加載標(biāo)定試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相同。每敲擊1次便可得到力錘和智能骨料的時(shí)程曲線，取不同應(yīng)力大小的峰值和智能骨料輸出電壓的峰值作為一組數(shù)據(jù)，通過改變敲擊力度可以得到多組數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，可得到每個(gè)智能骨料在沖擊荷載作用下的靈敏度。

表3　不均勻荷載下各智能骨料的標(biāo)定靈敏度

各個(gè)智能骨料在沖擊荷載作用下的靈敏度和對(duì)應(yīng)的輸出電壓與施加荷載相關(guān)性系數(shù)如表3所示。結(jié)合表2和表3可以看出，各個(gè)智能骨料的靈敏度標(biāo)定值存在著一定差異，但與理論計(jì)算值的誤差均保持在15%的范圍以內(nèi)。在沖擊荷載下，智能骨料的靈敏度要低于電液伺服加載模型的，線性相關(guān)性也不如往復(fù)加載模型的好。其原因在于對(duì)智能骨料敲擊時(shí)，每次敲擊的力度以及敲擊力的方向并不能保證完全垂直于智能骨料上表面，使得數(shù)據(jù)離散性較大。

4結(jié)語(yǔ)

①試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用鋼塊作為外殼，環(huán)氧樹脂作為粘接劑制成的6個(gè)智能骨料性能相似，表明文中高強(qiáng)度智能骨料的研制方法是可行且有效的。智能骨料自身的強(qiáng)度高，可用于高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

②通過往復(fù)加載模式和沖擊加載模式標(biāo)定了各個(gè)智能骨料的靈敏度，兩種不同加載模式的標(biāo)定結(jié)果表明，智能骨料受到的荷載和輸出電壓呈線性關(guān)系，與理論計(jì)算的結(jié)果大致相吻合且比較穩(wěn)定，為其應(yīng)用于實(shí)際工程提供了可行性驗(yàn)證。

③智能骨料埋置于混凝土內(nèi)會(huì)承受圍壓作用，其實(shí)驗(yàn)邊界條件與實(shí)際工程中的不同，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)標(biāo)定的靈敏度與實(shí)際工程中的靈敏度存在一定差異。這是今后研究中需要著重考慮的問題。此外，三維受力下智能骨料的靈敏度系數(shù)的確定方法亦是今后研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)：

[1]李宏男,趙曉燕.壓電智能傳感結(jié)構(gòu)在土木工程中的研究和應(yīng)用[J]. 地震工程與工程振動(dòng),2004,24(6):165-172.

[2]FENG J,FU G,BELARBI D J.Measurement of concrete internal strain using a three-dimensional transducer system[J]. Experimental Mechanics,2005,45(5): 467-475.

[3]SAAFI M,SAYYAH T.Health monitoring of concrete structures strengthened with advanced composite materials using piezoelectric transducers[J]. Engineering,2001,32 (4):333-342.

[4]SONG G,GU H,MO Y L,et al.Concrete Structure health monitoring using embedded piezoceramic transducer[J]. Journal of Infrastructure Systems,2006,6(4):153-160.

[5]GU H,SONG G,DHONDR H,et al.Concrete early-age strength monitoring using embedded piezoelectric transducers[J]. Smart Materials and Structures,2006,15(6): 1837-1845.

[6]SONG G,OLMI C,GU H.An overheight vehicle-bridge collision monitoring system using piezoelectric transducers[J]. Smart Materials and Structures,2007,16 (2):462-468.

[7]YAN S,SUN W,SONG G,et al.Health monitoring of reinforced concrete shear walls using smart aggregates[J]. Smart Materials and Structures,2009,18(4): 47001.

[8]GU H ,MOSLEHY Y, SANDERS D,et al.Multi-functional smart aggregate-based structural health monitoring of circular reinforced concrete columns subjected to seismic Excitations[J]. Smart Materials and Structures,2010,19(6): 75-79.

[9]HOU S, ZHANG H B,OU J P. A PZT-based smart aggregate for compressive seismic stress monitoring[J]. Smart Materials and Structures.2012,21(10): 105035.

[10]侯爽,張海濱,歐進(jìn)萍.地震過程剪應(yīng)力監(jiān)測(cè)壓電智能骨料[J]. 土木工程學(xué)報(bào),2013,46(S1):195-201.

[11]閻石,梁麗娉,王秋婧，等.埋入式壓電陶瓷傳感器力學(xué)模型及試驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,28(1):79-87.

[12]閻石,吳杰.基于PZT片的智能骨料受力性能試驗(yàn)研究[J]. 混凝土,2012,272(6):61-63,67.

[13]蔡萍,許斌,周宇.基于外貼壓電材料的鋼管混凝土界面缺陷檢測(cè)[J]. 壓電與聲光,2015,37(2):337-341.

[14]許斌,李冰,宋剛兵，等.基于壓電陶瓷的鋼管混凝土柱剝離損傷識(shí)別研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào),2012,45(7):86-96.

[15]杜國(guó)鋒,朱宏平,胡均杰.“壓電片-粘結(jié)層-主體結(jié)構(gòu)”動(dòng)力耦合模型研究[J]. 工程力學(xué),2013,30(10):148-153.

[16]許成祥,楊炳,趙斌，等.外包鋼加固震損鋼管混凝土柱的抗震性能試驗(yàn)[J]. 廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,40(4):821-830.

[17]陳肇元.高強(qiáng)混凝土在建筑工程中的應(yīng)用[J]. 建筑結(jié)構(gòu),1994,23(9):3-12.

[18]XIAO H,LI H,OU J.Modeling of piezoresistivity of carbon black filled cement-based composites under multiaxial strain[J]. Sensors and Actuators, A: Physical,2010,160((1/2):87-93.

[19]XIAO H,LI H,OU J.Strain sensing properties of cement-based sensors embedded at various stress zones in a bending concrete beam[J]. Sensors and Actuators,A:Physica ,2011,167(2) : 581-587.

(責(zé)任編輯唐漢民裴潤(rùn)梅)

Development of high strength smart aggregate based on piezoelectric ceramic transducers

DU Guo-feng，WU Fang-hong，HE Ming-xing，LI Zhao，BIE Xue-meng

(School of Urban Construction，Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction,Yangtze University, Jingzhou 434023,China)

Abstract:In order to study the interior stress change and working mechanism in dynamic collapse of concrete, 6 high-strength smart aggregates were made using the Q345 steel and piezoelectric ceramic transducers. The sensitivity coefficient of the smart aggregates was calibrated by the electro-hydraulic servo tester and force-hammer, respectively, and the calibrated sensitivity value was compared with the theoretical value. The experimental results imply a linear relationship between the output voltage of smart aggregate and the load. The experimental results are agreed with the theoretical analysis results, which indicates that the developed high-strength smart aggregate can be used for monitoring real-time stress of high strength concrete.

Key words:smart aggregates；sensitivity；PZT；high strength

中圖分類號(hào)：TU528.1;TU375

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-7445(2016)02-0301-07

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0301

通訊作者：杜國(guó)鋒(1975—)，男，吉林四平人，長(zhǎng)江大學(xué)教授，工學(xué)博士；E-mail：gfd_1125@126.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378077)；湖北省自然科學(xué)基金(創(chuàng)新群體)資助項(xiàng)目(2015CFA029)；湖北省教育廳科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(D20131205)

收稿日期：2015-12-10；

修訂日期：2016-02-20

引文格式：杜國(guó)鋒，吳方紅，何明星，等.基于壓電陶瓷的高強(qiáng)度智能骨料研制[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(2)：301-307.