基于壓電主動傳感技術(shù)的高溫后PVA-ECC梁 沖擊損傷監(jiān)測研究

齊寶欣，李 茉，劉 東，宋鋼兵

(1. 沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧沈陽 110168； 2. 大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧大連 116024； 3. 休斯頓大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，德克薩斯休斯頓 TX77204； 4. 加利福尼亞大學(xué)歐文分校亨利薩繆利工程學(xué)院，加利福尼亞歐文 CA92697)

0 引 言

混凝土是世界上應(yīng)用廣泛、用量最大的建筑材料。混凝土應(yīng)用于基礎(chǔ)建設(shè)時仍存在不足之處，主要包括：極端荷載作用下的脆性破壞，如開裂、剝落沖擊、爆炸荷載作用下的破碎；正常工作荷載下的破壞，混凝土開裂引發(fā)鋼筋銹蝕造成結(jié)構(gòu)耐久性不足。此外，針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的可持續(xù)性問題，未來混凝土材料需要滿足高延展性、高耐久性以及可持續(xù)性。當(dāng)前，材料復(fù)合化是建筑材料發(fā)展的重要途徑，在“均勻配筋”的理念指導(dǎo)下，產(chǎn)生了纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(ECC)，顯著改善了混凝土材料的韌性、耐久性和抗沖擊性。20世紀(jì)90年代初，美國密歇根大學(xué)Li等[1]提出纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。該種材料在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中具有獨(dú)特的開裂特性，即具有多點(diǎn)開裂、高韌性、高抗拉應(yīng)變能力，飽和狀態(tài)下的多點(diǎn)開裂裂縫間距小于3 mm[2]和具有良好的抗剪切性能[3-8]。ECC作為一種新型材料被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中，例如橋面板連接、大壩修補(bǔ)和高層建筑抗震組合連梁[9-11]。ECC可以提高結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和環(huán)境的可持續(xù)性，具有廣泛的應(yīng)用前景[11-12]。近年來，在面對爆炸、沖擊等非設(shè)計(jì)荷載作用時的安全性正日益受到關(guān)注，其次生災(zāi)害對建筑結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞事件也屢見報道。聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(PVA-ECC)在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用得到廣泛的關(guān)注和深入研究。PVA-ECC材料具有良好的抗沖擊性能[12-15],然而對火災(zāi)發(fā)生后PVA-ECC材料性能的研究較少，主要集中在火災(zāi)后PVA纖維含量比率與溫度的對應(yīng)關(guān)系[16-17]，且PVA纖維耐熱性較差，作為結(jié)構(gòu)材料，高溫后的性能研究尤其重要，特別是對具有高溫?fù)p傷的PVA-ECC梁抗沖擊性能及沖擊損傷裂縫的形成和發(fā)展監(jiān)測缺乏詳細(xì)的研究。

基于上述原因，本文研究了具有高溫?fù)p傷的PVA-ECC梁在低速沖擊下的損傷特性。在不同高溫?fù)p傷工況下，采用相同落錘高度和相同落錘質(zhì)量進(jìn)行了一系列的沖擊試驗(yàn)。將高溫?fù)p傷后的PVA-ECC梁兩端橫截面中心處粘貼一對壓電陶瓷智能骨料傳感器，將一端壓電陶瓷智能骨料傳感器作為驅(qū)動器，另一端壓電陶瓷智能骨料傳感器作為接收器，通過監(jiān)測衰減的傳播信號診斷裂紋的演化，獲得PVA-ECC梁的抗沖擊性能。此外，基于小波包的能量法分析壓電陶瓷智能骨料傳感器接收的信號，可為重復(fù)落錘低速沖擊的PVA-ECC梁的裂紋演化提供一個沖擊損傷定量指標(biāo)。

1 基于小波包的信號能量分析

1.1 基本原理

小波包分析在信號處理、圖像處理、量子力學(xué)、理論物理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文研究了基于小波損傷特征在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用[14，18]。小波包分解(WPD)是從小波分解(WD)擴(kuò)展而來的。小波分解只將頻率軸鎖定到低頻，小波包分解是一個廣義諧波[18]保持完好的高頻頻段。小波包分解廣泛應(yīng)用于信號處理的領(lǐng)域[19]。

1.2 分析方法

通過所有小波包的能量總和來計(jì)算信號的總能量，信號的總能量可以被表達(dá)成：傳感器信號S通過n級小波包分解為2n個信號子集{X1,X2,…,X2n}，分解子集Xj(j為頻帶，j=1,2,…,2n)的表達(dá)式為

Xj={Xj,1,Xj,2,…,Xj,m}

(1)

式中:m為采樣數(shù)據(jù)的數(shù)量。

另外，時間指數(shù)分解信號的總能量Eij可以表示為

(2)

因此，分解信號的總能量可以通過所有信號集的求和來計(jì)算。信號的總能量E可以采用式(3)計(jì)算

(3)

本文基于小波包的能量分析方法為獲得接收信號的能量值提供了一個簡單而有效的途徑?；谛〔ò牟煌瑩p傷裂縫信號的能量值可以直接進(jìn)行比較。

2 試驗(yàn)方案

2.1 高溫?fù)p傷后的PVA-ECC梁制備方法

為了研究高溫?fù)p傷后PVA-ECC梁的抗沖擊性能，在實(shí)驗(yàn)室中澆筑了5根PVA-ECC梁。梁的截面尺寸為400 mm×100 mm×100 mm，試驗(yàn)試件的組成如圖1所示。在澆筑PVA-ECC梁的過程中使用正方形振動臺振搗，并將PVA-ECC梁壓實(shí)進(jìn)行表面平整處理，將PVA-ECC梁養(yǎng)護(hù)28 d。將養(yǎng)護(hù)28 d后，選取1根PVA-ECC梁進(jìn)行室溫下落錘低速沖擊試驗(yàn)與其他高溫?fù)p傷后的PVA-ECC梁的落錘沖擊試驗(yàn)進(jìn)行對比。剩余其他4根PVA-ECC梁分別放入加熱爐中，將PVA-ECC梁分別加熱至100，200，230，300 ℃后，將PVA-ECC梁試件隨爐冷卻至室溫，時間為12 h。最后，進(jìn)行高溫?fù)p傷后PVA-ECC梁落錘低速沖擊試驗(yàn)，并與室溫下的PVA-ECC梁落錘低速沖擊試驗(yàn)進(jìn)行對比。采用美國新澤西州Med Chem Express(MCE)公司生產(chǎn)的PVA纖維、美國標(biāo)號C30的水泥砂漿、白色細(xì)沙、粉煤灰、減水劑和水共同攪拌。

2.2 試驗(yàn)步驟

將室溫PVA-ECC梁和具有高溫?fù)p傷的PVA-ECC梁兩端中心處分別粘貼壓電陶瓷智能骨料，如圖2所示。將PVA-ECC梁放置在落錘試驗(yàn)裝置上進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)，如圖3所示。

基于壓電陶瓷智能骨料傳感器監(jiān)測裂縫演化過程的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖4所示。落錘沖擊高度為1 m，落錘采用比賽標(biāo)準(zhǔn)鉛球，其質(zhì)量為7.257 kg，進(jìn)行多次重復(fù)落錘沖擊加載試驗(yàn)，直到PVA-ECC梁斷裂，試驗(yàn)工況如表1所示。試驗(yàn)PVA-ECC梁兩端分別固定到3個L形角鋼構(gòu)成的夾具中，形成兩端鉸接約束的邊界條件，并且防止PVA-ECC梁的橫向運(yùn)動。為了更好地觀察PVA-ECC梁低速沖擊損傷裂縫的位置，在梁跨中分別向左右兩側(cè)每隔1 cm距離標(biāo)注一格，左右兩側(cè)分別標(biāo)注3 cm。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括一個NI-6363數(shù)據(jù)采集板、功率放大器和相應(yīng)的監(jiān)測信號數(shù)據(jù)終端。每個落錘沖擊試驗(yàn)后，用2個壓電陶瓷智能骨料傳感器進(jìn)行PVA-ECC梁的裂縫監(jiān)測。初始壓電陶瓷智能骨料的傳播信號是一個掃頻正弦波，參數(shù)如表2所示。該信號由功率放大器放大50倍，通過智能骨料1傳感器傳播。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)隨后記錄智能骨料2傳感器的傳播信號響應(yīng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中智能骨料2傳感器的采樣頻率為2 MHz。

表1 試驗(yàn)工況Tab.1 Test Conditions

工況試驗(yàn)梁溫度/℃落錘質(zhì)量/kg落錘高度/m1PVA-ECC-1207.2571.02PVA-ECC-21007.2571.03PVA-ECC-32007.2571.04PVA-ECC-42307.2571.05PVA-ECC-53007.2571.0

表2 激勵掃頻正弦波信號參數(shù)Tab.2 Parameters of Excitation Sweep Frequency Sine Wave Signal

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 抗沖擊性分析

對室溫下的PVA-ECC梁和不同高溫?fù)p傷后的PVA-ECC梁分別進(jìn)行多次落錘低速沖擊試驗(yàn)，直至梁完全斷裂，結(jié)束落錘試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

當(dāng)PVA-ECC-1梁在室溫20 ℃時，經(jīng)過10次落錘低速沖擊后完全斷裂；當(dāng)PVA-ECC-2梁加熱至溫度100 ℃時，經(jīng)12 h恢復(fù)至室溫，經(jīng)過8次落錘低速沖擊完全斷裂；當(dāng)PVA-ECC-3梁加熱至溫度200 ℃時，經(jīng)12 h恢復(fù)至室溫，經(jīng)過2次落錘低速沖擊后完全斷裂；當(dāng)PVA-ECC-4梁加熱至溫度230 ℃時，經(jīng)過1次低速沖擊完全斷裂；當(dāng)PVA-ECC-5梁加熱至溫度300 ℃時，經(jīng)12 h恢復(fù)至室溫，經(jīng)過1次落錘低速沖擊后完全斷裂。落錘低速沖擊試驗(yàn)中，PVA-ECC梁由智能骨料2傳感器接收時域信號，基于小波包的信號能量圖提供了一個定量的分析，當(dāng)PVA-ECC梁將近斷裂時，接收的信號能量損失較大，接近0，因?yàn)閼?yīng)力波不能通過一個斷裂的裂縫傳播。當(dāng)PVA-ECC梁未開裂時，應(yīng)力波在PVA-ECC材料均勻彈性條件下保持勻速傳播，隨著傳播距離的增加，應(yīng)力波幅值呈線性衰減；在PVA-ECC梁裂縫開展過程中，壓電智能骨料輸出的信號隨著單裂縫深度的增加而呈線性減小。

如圖5(c)所示，加熱溫度T=200 ℃時，PVA-ECC-3梁第1次沖擊后梁沒有完全斷裂，智能骨料2傳感器接受時域信號，基于小波包分析后，接收的信號能量為0.55×104V2,根據(jù)試驗(yàn)判斷該梁還能夠承受1次落錘低速沖擊作用，最終導(dǎo)致PVA-ECC-3梁斷裂，接收信號能量接近0。如圖5(d),(e)所示，PVA-ECC-3梁和PVA-ECC-5梁落錘低速沖擊試驗(yàn)后，分別由智能骨料2傳感器接收時域信號?？梢钥闯觯啾扔诩訜嶂翜囟萒≤200 ℃時的PVA-ECC梁，所有加熱溫度T≥230 ℃時的PVA-ECC梁在第1次沖擊時完全斷裂，并沒有信號由智能骨料傳感器2檢測響應(yīng)。

綜上所述，加熱溫度T≤100 ℃時，經(jīng)12 h恢復(fù)至室溫的PVA-ECC梁具有較好的抗沖擊性，主要是由于振搗均勻，使得PVA纖維在PVA-ECC梁內(nèi)分布均勻，PVA纖維對水泥、白沙、粉煤灰和水混合均勻攪拌構(gòu)成的水泥基復(fù)合材料內(nèi)部起到“拉結(jié)鋼筋”的作用，增強(qiáng)了PVA-ECC梁的密實(shí)性和抗彎曲變形能力，初始階段落錘低速沖擊作用下，PVA-ECC梁先沿著梁的跨中受拉區(qū)對稱均勻地分布微小裂縫，隨著沖擊次數(shù)的增加，跨中沖擊點(diǎn)處的裂縫逐漸變大，最后造成PVA-ECC梁完全斷裂成2段。

圖6為基于壓電主動傳感技術(shù)記錄下來相應(yīng)時間段的裂紋開展過程和由壓電陶瓷智能骨料傳感器接收到的掃頻波時域信號，壓電陶瓷智能骨料傳感器的掃頻波時域信號選取為沖擊前、第3次沖擊、第8次沖擊以及最后第10次沖擊的損傷監(jiān)測時頻信號。可以看出壓電陶瓷智能骨料傳感器接收到的時域信號(壓電幅值)隨著落錘低速沖擊試驗(yàn)次數(shù)的增加而減小。因此，采用壓電陶瓷智能骨料傳感器能夠監(jiān)測到落錘低速沖擊裂紋損傷擴(kuò)展與時域信號的對應(yīng)關(guān)系，顯示了工況2～5的監(jiān)測情況。圖5與圖6所描述情況相同。

3.2 低速沖擊破壞模式

圖7為不同溫度損傷后PVA-ECC梁的內(nèi)部PVA纖維含量及次生孔隙分布。從圖7可以看出，當(dāng)加熱溫度T≤100 ℃時，PVA-ECC梁斷裂后，其水泥基復(fù)合材料內(nèi)部還含有大量白色的PVA纖維；當(dāng)加熱溫度T=200 ℃時，PVA-ECC梁斷裂后，其水泥基復(fù)合材料內(nèi)部含有的PVA纖維由于高溫?zé)嵝?yīng)變成棕色，已經(jīng)不具備室溫時PVA纖維的高強(qiáng)度和高黏合強(qiáng)度。當(dāng)加熱溫度T≥230 ℃時，PVA-ECC梁斷裂后，其水泥基復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生次生空隙，隨著加熱溫度的升高，其孔隙率增大；當(dāng)T=230 ℃時，達(dá)到PVA纖維熔點(diǎn)，其PVA纖維在水泥基復(fù)合材料中心部分已不存在，只是在PVA-ECC梁斷裂邊緣處有少量已經(jīng)因高溫?zé)嵝?yīng)變成深棕色的PVA纖維；當(dāng)T=300 ℃時，PVA-ECC梁斷裂后，其水泥基復(fù)合材料內(nèi)部不再含有PVA纖維，由于高溫加熱造成原來的PVA纖維消失，形成次生孔隙。

不同高溫?fù)p傷后PVA-ECC梁與室溫PVA-ECC梁多次重復(fù)落錘低速沖擊試驗(yàn)后的破壞模式可以看出PVA-ECC梁的最終斷裂處在受多次重復(fù)落錘沖擊的PVA-ECC梁的跨中處。試驗(yàn)表明，PVA-ECC梁的抗沖擊性能隨著溫度的升高而減弱，尤其是當(dāng)溫度達(dá)到PVA纖維熔點(diǎn)時，PVA-ECC梁僅能承受1次落錘低速沖擊荷載作用，PVA已經(jīng)失去了高強(qiáng)度、高韌性的材料特性。

3.3 數(shù)值模擬PVA-ECC梁的裂紋演化

由于PVA纖維的熔點(diǎn)是230 ℃，選取表2中PVA-ECC-5梁進(jìn)行數(shù)值模擬，即PVA纖維已超過熔點(diǎn)。本文試驗(yàn)結(jié)果可知，高溫?fù)p傷后，PVA-ECC梁內(nèi)部PVA纖維已經(jīng)消失，因此對PVA-ECC-5梁的數(shù)值模擬可以將PVA-ECC梁簡化考慮成素水泥砂漿梁。采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對落錘低速沖擊作用下具有高溫?fù)p傷的PVA-ECC梁進(jìn)行數(shù)值模擬[20-21]，為了描述PVA-ECC梁落錘低速沖擊的非線性變形及斷裂特性，在計(jì)算中選用MAT_CSCM_CONCRETE材料模型，高溫?fù)p傷后的PVA-ECC-5梁的密度為2 320 kg·m-3，剪切模量為25 GPa，體積模量為28.43 GPa。落錘采用自由落體剛體球模擬，剛體球材料模型為*MAT_RIGID，剛體球的密度為7 850 kg·m-3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。數(shù)值模型如圖8所示。

圖9為PVA-ECC-5梁在沖擊荷載下的破壞模式。PVA-ECC-5梁的數(shù)值模擬結(jié)果與落錘低速沖擊試驗(yàn)結(jié)果相一致，說明本文數(shù)值模擬方法的正確性。圖10為PVA-ECC-5梁落錘低速沖擊裂紋演化全過程數(shù)值模擬，其中t為時間。由數(shù)值模擬結(jié)果可知：落錘沖擊撞擊點(diǎn)在PVA-ECC-5梁跨中上表面處，裂紋首先從垂直跨中沖擊點(diǎn)的下端處產(chǎn)生裂紋，裂紋沿著沖擊點(diǎn)的垂直方向繼續(xù)豎向延伸；當(dāng)裂紋豎向向上延伸至PVA-ECC-5梁截面高度的2/3時，裂紋開始沿著橫向擴(kuò)展；隨后，梁跨中的沖擊點(diǎn)處產(chǎn)生撓度變形，隨著剛體球繼續(xù)下落，PVA-ECC-5梁裂紋繼續(xù)沿著橫向擴(kuò)展，裂縫豎向向上繼續(xù)延伸，直到PVA-ECC-5梁完全斷裂。

4 結(jié) 語

(1)壓電陶瓷智能骨料能夠檢測低速沖擊作用下PVA-ECC梁裂紋演化全過程，隨著裂縫的擴(kuò)展、傳播波衰減，基于小波能量分析能夠計(jì)算和量化壓電陶瓷智能骨料傳感器檢測到的壓電幅值能量。

(2)在連續(xù)沖擊荷載作用下，計(jì)算傳感器壓電幅值能量的下降趨勢顯示了PVA-ECC梁裂紋逐漸擴(kuò)展的過程。

(3)高溫?fù)p傷造成PVA-ECC梁抗沖擊性能減弱。室溫下的PVA-ECC梁有一定抗沖擊能力，但當(dāng)溫度T≥230 ℃時，達(dá)到甚至超高PVA纖維的熔點(diǎn)，PVA-ECC梁中的PVA纖維消失，產(chǎn)生孔隙，形成素水泥砂漿梁，不具有抗沖擊能力；因此，高溫?fù)p傷造成PVA-ECC喪失了高強(qiáng)度、韌性、耐疲勞的特性。

(4)采用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，可以有效地模擬落錘低速沖擊下PVA-ECC梁裂紋演化全過程。