傳感器殼體材料對混凝土內(nèi)應(yīng)力波測試影響

黃家蓉，吳 飚，王 幸，楊建超，孔德鋒

(軍事科學(xué)院國防工程研究院，河南 洛陽 471023)

0 引 言

混凝土材料廣泛應(yīng)用于民用、國防工程建設(shè)和防護工程結(jié)構(gòu)中。工程結(jié)構(gòu)中混凝土除了承受靜載荷外，常不可避免地承受急劇變化的動載荷，如爆炸、沖擊和地震等。沖擊載荷下混凝土材料的動態(tài)力學(xué)性能，對研究爆炸沖擊、高速撞擊、侵徹、動態(tài)損傷等問題都有著重要的影響[1]。在混凝土構(gòu)件中埋入應(yīng)力波傳感器，對構(gòu)件進行動態(tài)加載，測量其動態(tài)力學(xué)響應(yīng)是研究混凝土動態(tài)特性的重要方法。國內(nèi)外學(xué)者在不同的沖擊試驗中對混凝土靶內(nèi)應(yīng)力波進行了測試研究[2-3]，但由于混凝土本構(gòu)關(guān)系的復(fù)雜性，其靶內(nèi)應(yīng)力波測試技術(shù)并不成熟。

試驗研究中，傳感器敏感元件都是用金屬殼體封裝成不同結(jié)構(gòu)型式置入測試環(huán)境使用[4]，但金屬材料與混凝土的彈性模量及波阻抗等參數(shù)都不一致，傳感器的埋入勢必改變巖土介質(zhì)的原應(yīng)力場，引起應(yīng)力的重新分布，傳感器感受的應(yīng)力與未擾動時該點的應(yīng)力并不相同[5]，試驗中存在介質(zhì)材料匹配問題。長期以來研究者們對傳感器等效彈模和被測介質(zhì)的彈模比、傳感器形狀尺寸和高徑比等如何影響匹配誤差進行了研究，獲得了一些成果，但試驗中獲得的數(shù)據(jù)比較離散，并沒有形成公認(rèn)的規(guī)律或理論[6]。已發(fā)表的公開文獻中未見傳感器殼體材料對測試結(jié)果影響研究的報道，傳感器產(chǎn)品也不如爆炸場空氣沖擊波壓力測試技術(shù)成熟，試驗中獲得混凝土內(nèi)應(yīng)力波傳播規(guī)律的資料鮮有報道。

應(yīng)力波基礎(chǔ)一書中論述到：在應(yīng)力波傳播實驗研究中，如果傳感器的波阻抗（ρ0C0）能夠和介質(zhì)的波阻抗相匹配，就能避免對波傳播本身帶來不必要的干擾，可避免或減少波傳播失真[7]。據(jù)此，推測傳感器殼體材料的波阻抗與混凝土越接近，應(yīng)力波失真度應(yīng)該越小，為此，本文選用兩種金屬材料作襯底制作傳感器埋入混凝土試件，用SHPB加載進行了試驗研究，分析兩種材料對應(yīng)力波傳播的影響，以期對混凝土內(nèi)應(yīng)力波測量傳感器設(shè)計提供參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗方案

PVDF壓電薄膜在固體介質(zhì)中的應(yīng)力波測試技術(shù)已經(jīng)成為爆炸沖擊測試領(lǐng)域的重要手段[8]。PVDF壓電薄膜經(jīng)過極化以后具有很強的壓電效應(yīng)，壓電常數(shù)可以達到石英晶體的10倍，頻響高，量程范圍大，較適合爆炸荷載測量。不銹鋼和鋁是常用的傳感器殼體材料，因此選用這兩種金屬作傳感器底板進行試驗研究，表1是材料的相關(guān)參數(shù)。底板設(shè)計尺寸及裝配如圖1所示，傳感器底板厚3 mm，護線蓋板厚2 mm，將PVDF薄膜粘貼在底板上，信號引線用蓋板進行保護，把制作好的傳感器澆筑在混凝土試件中，用SHPB進行加載試驗，測量入射波、透射波和混凝土試件中的應(yīng)力波，分析兩種材料對應(yīng)力波輸出信號的影響。

表1 3種材料的有關(guān)性能參數(shù)[7,9-10]

圖1 傳感器設(shè)計及裝配

1.2 試件澆筑

試件尺寸：φ100 mm×80 mm。各做3個，共6個試件。傳感器先固定在鋼模具中部如圖2所示，并將引線引出，然后澆筑混凝土并養(yǎng)護28天后脫模，同時澆筑3個抗壓檢測試件，滿齡期送檢測站進行強度檢測，抗壓強度檢測為36.5 MPa。試件澆筑結(jié)果：從外觀上看鋁底板傳感器試件中間全部有裂縫，且不均勻，鋼底板試件無裂縫，如圖3所示。

圖2 傳感器固定

圖3 混凝土試件

1.3 加載設(shè)備及原理

動態(tài)加載設(shè)備是 φ100 mm SHPB壓桿，原理如圖4所示。試驗時將試件夾在入射桿和透射桿之間，當(dāng)撞擊桿發(fā)射后，由光學(xué)探頭和測速儀探測撞擊桿的速度，瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集儀分別記錄入射桿和透射桿的應(yīng)變波形與PVDF傳感器的輸出波形，入射、透射應(yīng)力波通過桿應(yīng)變值換算獲得[7,11]。

圖4 SHPB壓桿試驗

2 試驗結(jié)果與分析

對6個試件進行了SHPB動態(tài)加載試驗，結(jié)果是3個鋁底板試件由于中間存在裂縫，導(dǎo)致波形傳播嚴(yán)重失真，如圖5所示，圖中Pr、Pt分別表示入射波和透射波。圖5(a)、(e)可以看出，入射波基本沒經(jīng)過試件透射到透射桿，且3個PVDF輸出波形各異，毫無規(guī)律，這說明試件中間的裂縫嚴(yán)重影響了波的傳播。圖6是鋼底板試件試驗波形，圖中可以看出入射和透射波形，波形基本一致，透射率大于82%。為對3個鋼底板試件的PVDF輸出信號與透射波比較，對信號進行歸一化處理得圖6(b)、(d)、(f)，可以看出PVDF輸出波與透射波在作用時間和波形上吻合較好。

圖5 鋁底板試件試驗波形

2#和4#試件PVDF輸出有明顯鋸齒狀（圖6(b)、(f)），分析認(rèn)為是傳感器周圍的混凝土不均勻或存在氣孔，引起了波的反射或折射所致。如圖7所示，從試驗前試件表面、試驗后斷裂的試件中間都可看出明顯的大小分布不均的蜂窩狀氣孔，這都會影響應(yīng)力波的傳播。

圖6 鋼底板試件試驗波形

圖7 試件表面和內(nèi)部氣孔

如圖8所示，加載試驗后鋁底板試件基本都是從中間斷成兩截，鋼底板試件完整。查看兩種經(jīng)沖擊試驗后的試件碎塊，觀察傳感器與混凝土的粘結(jié)情況，發(fā)現(xiàn)鋁底板傳感器與混凝土呈剝離狀態(tài)（圖9(a)），這說明鋁底板與混凝土存在明顯交接縫，影響了應(yīng)力波傳播，而鋼底板與混凝土粘結(jié)牢固（圖9(b)），對應(yīng)力波傳播影響小。

圖8 兩種試件試驗后

圖9 兩種試件沖擊加載破碎狀

曾輝等[12]研究認(rèn)為傳感器彈性模量與介質(zhì)模量比越大，匹配性能越好，對應(yīng)力波傳播影響越小。從表1中知鋼、鋁與混凝土的彈性模量比分別為8.4、2.8，試驗結(jié)果與文獻[12]研究結(jié)果一致。

分析鋁底板試件產(chǎn)生裂縫和剝離原因：從表1中3種材料的熱膨脹系數(shù)α看，鋼和混凝土的接近，鋁約為混凝土的1.8倍。由于在混凝土凝固過程中，在水熱化影響下，其內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量難以散發(fā)，使其內(nèi)部溫度大幅度上升[13-14]，在升溫降溫過程中，熱膨脹系數(shù)不一致會導(dǎo)致熱脹冷縮材料變形不一致，形成交接縫。據(jù)此分析認(rèn)為鋁底板試件出現(xiàn)裂縫應(yīng)該是鋁和混凝土的熱膨脹系數(shù)差別太大、澆筑過程發(fā)熱程度不一致引起的。

3 混凝土內(nèi)應(yīng)力波傳播測試

有上節(jié)試驗結(jié)果后，用不銹鋼作殼體制作了一批PVDF壓力傳感器，安裝在3個直徑為2.5 m，高1.6 m的混凝土靶中，用TNT進行內(nèi)爆炸試驗，成功測得靶內(nèi)應(yīng)力波傳播規(guī)律。圖10是其中一個靶的實測波形。用AUTODYN軟件對試驗工況進行了仿真，實測結(jié)果與仿真計算結(jié)果基本吻合，圖11是距爆心200 mm處的一個算例與實測波形比較，可以看出壓力作用時間、峰值和上升沿基本一致。詳細試驗過程及分析請參見文獻[15]。

圖10 2#靶內(nèi)應(yīng)力波

圖11 實測波形與仿真結(jié)果比較

4 結(jié)束語

由于混凝土本構(gòu)關(guān)系比較復(fù)雜，它既不是勻質(zhì)材料，也不是線彈性材料，使其動態(tài)力學(xué)響應(yīng)測試?yán)щy，人們掌握的動力學(xué)數(shù)據(jù)匱乏。關(guān)于混凝土靶內(nèi)動荷載測試技術(shù)，研究者一直在探索中。本文對用鋁和不銹鋼作傳感器襯底進行動態(tài)試驗，結(jié)果表明：

1）使用不銹鋼作傳感器殼體，測試獲得的應(yīng)力波與透射波一致性好，使用鋁作傳感器殼體，澆筑試件會出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重影響應(yīng)力波的傳播，導(dǎo)致應(yīng)力波嚴(yán)重失真。

2）在混凝土靶中埋入不銹鋼殼體制作的PVDF傳感器獲得了75%的有效波形，實測結(jié)果與AUTODYN軟件仿真結(jié)果基本吻合。

3）混凝土凝固過程的升溫降溫過程中，由于鋁和混凝土的熱膨脹系數(shù)不一致會引起材料熱脹冷縮變形不一致，導(dǎo)致混凝土與傳感器之間形成交接縫，嚴(yán)重影響應(yīng)力傳播。因此制作混凝土內(nèi)應(yīng)力傳感器時，殼體材料的熱膨脹系數(shù)是不可忽略的參數(shù)。