基于壓電陶瓷的早期混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)研究

李鵬飛，徐卓君

(信陽(yáng)學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000)

1 壓電陶瓷的工作原理

1.1 壓電陶瓷簡(jiǎn)介

壓電陶瓷具有奇異的壓電效應(yīng)，即當(dāng)受到較小的外力時(shí)，機(jī)械能就可以轉(zhuǎn)換成電能，而當(dāng)施加交流電壓時(shí)，電能會(huì)被轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。

壓電效應(yīng)意味著一旦壓電元件在外部機(jī)械變形，內(nèi)部正電荷和負(fù)電荷將移動(dòng)，并且會(huì)有正負(fù)兩種電荷分布在元件的兩個(gè)表面上。外力的大小直接決定了電荷分布密度，這被稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。通過(guò)這種效果，可以闡明壓電材料將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的能力。逆壓電效應(yīng)指壓電元件在受到電壓作用后，正負(fù)兩種電荷移動(dòng)，使元件變形。該逆壓電效應(yīng)，表明了壓電材料具有將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的能力。

基于壓電陶瓷的這種特性，可將其制作成具有信號(hào)發(fā)射和接收雙重功能的智能傳感器材料，從而被本試驗(yàn)用于監(jiān)測(cè)早期混凝土強(qiáng)度變化的傳感器。

1.2 智能骨料簡(jiǎn)介

壓電陶瓷材料外層用細(xì)石混凝土或者砂漿進(jìn)行包裹(體積約15～25 cm3)，養(yǎng)護(hù)達(dá)到強(qiáng)度后配置傳輸線即可埋置在混凝土試件中發(fā)揮作用。這種材料和結(jié)構(gòu)主體之間具備良好的兼容性、良好的耐久性能，并且能有效地規(guī)避與克服周?chē)h(huán)境的干擾。因其不僅可以發(fā)揮出壓電陶瓷的性能，還能起到真實(shí)骨料的作用，所以我們將這種包裹后的壓電陶瓷稱(chēng)為智能骨料。

2 能量波動(dòng)法原理

應(yīng)力波傳播衰減發(fā)生在各向異性的混凝土中，如由于不均勻材料產(chǎn)生的散射衰減；由于內(nèi)部吸收的介質(zhì)顆粒之間的摩擦；由于傳播距離的增加從而造成擴(kuò)散衰減。這些原因直接影響應(yīng)力波能量。混凝土最典型的特征是分布不均勻，結(jié)構(gòu)內(nèi)部顆粒存在顯著摩擦，從而會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力波出現(xiàn)衰減。而隨著混凝土強(qiáng)度的增加，衰減幅度也明顯下降?；炷林袘?yīng)力波的傳播機(jī)理如式(1)所示。

v=λf

(1)

式中：v是應(yīng)力波在混凝土中的傳播速度，λ是應(yīng)力波的波長(zhǎng)，f是應(yīng)力波的頻率。

圖1描繪了應(yīng)力波于2種介質(zhì)交界處的反射和折射情況。其中，W1，WR，WT分別為入射波、反射波和透射波。E1，ER，ET分別是入射波、反射波和透射波的波能。能量守恒原理如式(2)所示。

圖1 應(yīng)力波在裂縫處的傳播

E1=EH+ER+ET

(2)

式中：EH為能量損失。

如果入射波能量是固定的，則傳播過(guò)程中的介質(zhì)顆粒越多，應(yīng)力波就容易被反射，相應(yīng)的ER就會(huì)隨之增加；由于EH的產(chǎn)生具有不可逆性，所以相應(yīng)的EH將減小，因此，如果激勵(lì)信號(hào)固定，在混凝土強(qiáng)度不斷增加的同時(shí)，ET將隨之減少。本本研究基于應(yīng)力波能量傳遞理論上，通過(guò)試驗(yàn)研究監(jiān)測(cè)，當(dāng)早期混凝土強(qiáng)度不斷增加時(shí)，彈性波能量如何變化的過(guò)程。

3 早期強(qiáng)度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)采用NI-USB-6363監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以進(jìn)行多項(xiàng)信息的檢測(cè)，如信號(hào)發(fā)射與采集、自動(dòng)濾波、自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)時(shí)效處理、裂隙檢測(cè)和安全預(yù)警等多項(xiàng)工作，具有良好的試驗(yàn)檢測(cè)性能，適用于本研究，另外便于攜帶，具有適用性強(qiáng)、可靠性好等特點(diǎn)。

在本試驗(yàn)中，利用NI-USB-6363便攜式采集器(如圖2)中的主動(dòng)監(jiān)測(cè)功能，通過(guò)壓電陶瓷感知混凝土結(jié)構(gòu)自身的波動(dòng)反應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化過(guò)程。在該系統(tǒng)的主動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊中包括壓電智能材料和信號(hào)發(fā)生器以及信號(hào)采集裝置、筆記本電腦等(如圖3)。具體的監(jiān)測(cè)信號(hào)選型及其參數(shù)如下：掃頻信號(hào)：f=50 Hz～100 kHz，幅值為10 V，信號(hào)持時(shí)間10 s，信號(hào)發(fā)射與采樣100 ks/s。

圖2 NI-USB-6363 采集器

圖3 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本試驗(yàn)試件由C50混凝土組成，并將智能骨料預(yù)埋置于混凝土試件中。試件的尺寸為600 mm×100 mm×100 mm，詳細(xì)構(gòu)造如圖4所示。利用2塊智能骨料組合成的一維列陣來(lái)分析混凝土強(qiáng)度變化過(guò)程，試驗(yàn)中采用鋼絲來(lái)固定骨料。

圖4 混凝土試件尺寸及傳感器布置

3.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)過(guò)程中，混凝土試件左側(cè)智能骨料作為發(fā)射器，激勵(lì)信號(hào)；右側(cè)智能骨料作為接受器，采集信號(hào)。將試驗(yàn)樣本分為兩組，每組3個(gè)樣本。一組進(jìn)行預(yù)埋傳感器(智能骨料)，另一組不埋置傳感器，分組編號(hào)分別為I組和II組。其中，I組的試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行混凝土強(qiáng)度的信號(hào)幅值分析。II組試件用于標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊強(qiáng)度試驗(yàn)，混凝土參數(shù)和養(yǎng)護(hù)條件同I組一樣，試驗(yàn)結(jié)果用來(lái)作為I組的對(duì)照數(shù)據(jù)。具體的試件尺寸和傳感器間距，如表1所示。

在本試驗(yàn)中，根據(jù)研究目的，分為兩部分試驗(yàn)，一是進(jìn)行混凝土試件的信號(hào)幅值監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，二是進(jìn)行混凝土試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)所用混凝土為同批次、同規(guī)格、同條件養(yǎng)護(hù)。

表1 混凝土試件尺寸

4 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

4.1 混凝土強(qiáng)度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

由于混凝土初期的流動(dòng)性，在澆筑后的2 d內(nèi)無(wú)法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)抗壓試驗(yàn)。第三天后，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)壓縮試驗(yàn)。其余的混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊的制作、養(yǎng)護(hù)、強(qiáng)度試驗(yàn)及強(qiáng)度值計(jì)算方法均按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)規(guī)定進(jìn)行。

在試驗(yàn)中，對(duì)第II組的混凝土試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，依次測(cè)量計(jì)算(3 d～28 d)試件B1、B2和B3的強(qiáng)度值。結(jié)論是，所測(cè)試件的試驗(yàn)強(qiáng)度都符合第28 d的設(shè)計(jì)要求，可適用于本試驗(yàn)。

圖5 試件B1混凝土強(qiáng)度百分率

本文選取試件B1的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)混凝土試件的28 d強(qiáng)度值，計(jì)算養(yǎng)護(hù)齡期下混凝土試件的強(qiáng)度百分比，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖可知，混凝土在3 d(72 h)內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的77%以上，7 d(168 h)內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的85%以上，這與混凝土的基本強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律一致，表明試驗(yàn)結(jié)果具有可靠性，可用作I組的對(duì)照樣本。

4.2 混凝土早期強(qiáng)度信號(hào)幅值監(jiān)測(cè)

混凝土澆筑之后，便可對(duì)I組試件進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)過(guò)程中要記錄每個(gè)齡期下的數(shù)據(jù)結(jié)果，并統(tǒng)計(jì)好相應(yīng)試驗(yàn)環(huán)境溫度，為了控制試驗(yàn)產(chǎn)生的偶然誤差，每個(gè)試件樣本的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集50個(gè)，監(jiān)測(cè)波形變化。在進(jìn)行正式試驗(yàn)之前，所有的試驗(yàn)儀器應(yīng)當(dāng)在通電運(yùn)行一段時(shí)間后再用于試驗(yàn)，這樣可以降低儀器的檢測(cè)誤差。此外由于每天個(gè)時(shí)段的溫度時(shí)刻在變化，因此要在同一時(shí)刻進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)采集到28 d內(nèi)的信號(hào)數(shù)據(jù)，由于篇幅限制，選取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較好的樣本(試件A2)從澆筑完成第一天到第28 d部分信號(hào)數(shù)據(jù)，經(jīng)濾波優(yōu)化處理后采集到的波形數(shù)據(jù)如圖6所示。前7 d內(nèi)混凝土水化熱過(guò)程進(jìn)展較為快速，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部變化無(wú)規(guī)律，對(duì)比圖(a)～圖(d)前7 d內(nèi)的波形模糊沒(méi)有規(guī)律，信號(hào)幅值變化較大。7 d后， 混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)速率逐漸下降，對(duì)比圖(e)～圖(h)信號(hào)波形變化逐步趨于穩(wěn)定，信號(hào)幅值變化較小。

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)試驗(yàn)并結(jié)合應(yīng)力波理論，驗(yàn)證了壓電陶瓷傳感器所產(chǎn)生的能量波在混凝土早期強(qiáng)度監(jiān)測(cè)中的傳播機(jī)理。

圖6 混凝土早期強(qiáng)度監(jiān)測(cè)波形圖(豎坐標(biāo)是信號(hào)幅值/V，橫坐標(biāo)是時(shí)間/S)

(2)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中智能骨料的諧波響應(yīng)幅值變化規(guī)律與混凝土早期強(qiáng)度變化過(guò)程保持一致。