壓電陶瓷傳感器監(jiān)測混凝土內(nèi)部缺陷的可行性研究

楊俊濤，左文建，張文龍，路國運，姜 珊

(1.太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院，太原 030024；2.中鐵三局集團投資有限公司，太原 030001)

0 引 言

混凝土結(jié)構(gòu)因造價低、施工便利、抗壓承載力好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中[1]。然而,混凝土結(jié)構(gòu)在服役過程中，由施工不當(dāng)或材料本身原因等造成的內(nèi)部初始缺陷會不斷擴展，使其承載力降低，影響建筑結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性[2]。為減少和避免混凝土內(nèi)部缺陷發(fā)展造成的經(jīng)濟損失，及時對其進行健康監(jiān)測十分必要。

混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷監(jiān)測在文獻中得到了廣泛關(guān)注。目前混凝土內(nèi)部缺陷的監(jiān)測方法主要有超聲波法[3]、聲發(fā)射法[4]、圖像處理法[5]、雷達法[6-8]、紅外成像法[9-11]等。然而，上述方法大多需要專業(yè)監(jiān)測設(shè)備及技術(shù)人員的參與，成本較高，費時費力，難以實時獲取結(jié)構(gòu)缺陷信息、預(yù)測結(jié)構(gòu)健康狀況,且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑還存在難以檢測到的位置[12]。而基于壓電傳感器(piezoceramics transducer，PZT)的聲發(fā)射法具有響應(yīng)快、靈敏度高、具備傳感和驅(qū)動雙重功能等優(yōu)點可逐步應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域[13-15]。

為此，本文采用PZT，結(jié)合主動監(jiān)測技術(shù)對4組共7個帶內(nèi)部缺陷的混凝土試件進行試驗研究，探索一種混凝土缺陷監(jiān)測和缺陷位置識別的方法。試驗中，將不同尺寸的塑料空心球埋置在混凝土試件的不同位置，模擬混凝土內(nèi)部缺陷，將壓電傳感器粘貼在養(yǎng)護好的混凝土表面，用于監(jiān)測混凝土內(nèi)部缺陷情況。不同大小的缺陷使傳感器接收的信號幅值產(chǎn)生不同程度的衰減，基于時域信號構(gòu)造能量指數(shù)及損傷參數(shù)，并建立其與缺陷大小的函數(shù)關(guān)系，定量分析混凝土內(nèi)部缺陷程度。對比不同區(qū)域的能量指數(shù)與損傷參數(shù)，判定混凝土內(nèi)存在缺陷的區(qū)域，以期探索PZT監(jiān)測混凝土內(nèi)部缺陷位置及缺陷程度的可行性。

1 壓電陶瓷傳感器的主動監(jiān)測方法

基于PZT的主動監(jiān)測方法是指在待測結(jié)構(gòu)上安裝兩枚PZT，一枚作為驅(qū)動器，另一枚作為傳感器?；赑ZT的正逆壓電效應(yīng)，通電激勵驅(qū)動器產(chǎn)生應(yīng)力波，在混凝土內(nèi)部傳播，同時另一枚傳感器接收通過待檢測區(qū)域的應(yīng)力波并將其轉(zhuǎn)化為電信號，其監(jiān)測原理如圖1所示[25]。

圖1 混凝土內(nèi)部缺陷監(jiān)測原理圖Fig.1 Schematic diagram of internal defect monitoring of concrete

監(jiān)測過程中，由于內(nèi)部缺陷的存在，應(yīng)力波在缺陷附近傳播時發(fā)生反射和繞射等現(xiàn)象，使PZT接收的電信號幅值降低，信號能量衰減?；诖嗽?，可建立基于信號幅值、能量的相關(guān)參數(shù)：能量指數(shù)和損傷參數(shù)。并建立參數(shù)與混凝土缺陷程度的函數(shù)關(guān)系，定量描述混凝土內(nèi)部缺陷程度。

2 混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷監(jiān)測方法

2.1 損傷評定參數(shù)

針對掃頻模式及五峰值模式，有學(xué)者[24]證明基于信號能量及幅值建立的參數(shù)能較好反映混凝土裂縫損傷程度。因此可以定義基于掃頻接收信號的能量指數(shù)EIK，基于五峰值脈沖信號的損傷參數(shù)RA來反映結(jié)構(gòu)缺陷程度。信號能量EK的表達式為

(1)

式中:xn為信號的離散點；n為采樣點數(shù)。計算能量指數(shù)EIK，并以此表征待檢測結(jié)構(gòu)不同區(qū)域的缺陷程度，EIK定義為

(2)

式中：能量指數(shù)EIK表示在PZT監(jiān)測范圍內(nèi)，每個PZT接收到的信號能量值與監(jiān)測區(qū)域內(nèi)所有PZT接收到的信號能量平均值的對比。若某一監(jiān)測區(qū)域的EIK小于1，即響應(yīng)信號的能量值小于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)所有響應(yīng)信號的能量平均值，則該區(qū)域存在缺陷的概率最大，且能量值相差越大，內(nèi)部缺陷程度越大。

在五峰值脈沖模式下接收的響應(yīng)信號，定義損傷參數(shù)RA為

(3)

式中：x0(t)為健康區(qū)域接收的時域信號；xj(t)為損傷區(qū)域接收的時域信號。(t2-t1)對應(yīng)接收信號的一個周期。若某一區(qū)域無損傷時，RA值為0，當(dāng)缺陷程度越大時，RA值越小并趨近于1。

2.2 結(jié)構(gòu)損傷的定位方法

采用PZT定位混凝土內(nèi)部缺陷時，將PZT按照一定規(guī)律布置在結(jié)構(gòu)上。此時，混凝土結(jié)構(gòu)被分割成多個區(qū)域，采用一對PZT監(jiān)測每個區(qū)域，當(dāng)某一子區(qū)域產(chǎn)生缺陷損傷時，可根據(jù)PZT接收的信號變化及變化程度確定缺陷位置和缺陷程度。分割子區(qū)域類似于有限元中劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分越密集，計算結(jié)果越精確，但是對計算平臺要求越高，計算時間越長，而稀疏的網(wǎng)格又會降低其計算精度。同理，結(jié)構(gòu)中布置的PZT數(shù)量越多，子區(qū)域的范圍越小，缺陷定位越精確，相反結(jié)構(gòu)中布置的PZT數(shù)量越少，子區(qū)域的范圍越大，缺陷定位精度降低。因此，PZT的數(shù)量需根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸、形狀及實際需求綜合考慮。

根據(jù)待檢測結(jié)構(gòu)形狀的不同，將PZT以一維、二維和三維的形式布置在結(jié)構(gòu)中，如圖2所示。

圖2 PZT在不同結(jié)構(gòu)中的布置形式Fig.2 Layout form of PZT in different structures

由圖2可以看出每一個PZT在混凝土試件中的位置是固定不變的，可以依據(jù)PZT的相對位置和監(jiān)測結(jié)果對缺陷的位置進行定位，可通過EIK值和RA值的變化判斷缺陷位置和缺陷程度。文中混凝土試件已養(yǎng)護完成，將壓電傳感器粘貼在試件表面,當(dāng)其中某些壓電傳感器出現(xiàn)異常時，便于及時更換，保證監(jiān)測過程實時進行。

3 混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷監(jiān)測試驗

3.1 混凝土試件及試驗裝置

試驗中混凝土試件尺寸為320 mm×100 mm×100 mm。在澆筑混凝土前，在模具內(nèi)的標(biāo)定位置綁扎塑料空心球，使混凝土內(nèi)部出現(xiàn)介質(zhì)不均勻的區(qū)域，以此模擬混凝土內(nèi)部缺陷。將攪拌好的混凝土澆筑在設(shè)計好的模具中，在標(biāo)養(yǎng)條件下養(yǎng)護28 d，混凝土配合比見表1。在混凝土試件表面粘貼4枚PZT，壓電陶瓷的型號為PZT-5H，選用的粘合劑為上?？颠_公司的雙組分環(huán)氧樹脂，在粘貼時用手指輕輕按壓PZT，擠出多余的膠水，防止粘結(jié)層過厚降低PZT與試件間剪力傳遞效率，PZT在混凝土試件中的布置圖如圖3所示。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix ratio

圖3 PZT在混凝土試件中的布置圖Fig.3 PZT layout diagram in concrete specimen

混凝土試件內(nèi)部缺陷監(jiān)測系統(tǒng)包括AFG 1022任意函數(shù)/波形發(fā)生器、功率放大器、混凝土試件、NI USB-6366數(shù)據(jù)采集卡、PZT、安裝LabVIEW軟件的筆記本電腦，如圖4所示。試驗中波形發(fā)生器產(chǎn)生電信號，電信號經(jīng)過功率放大器后激勵驅(qū)動器產(chǎn)生應(yīng)力波在混凝土中傳播，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收傳感器的響應(yīng)信號。在監(jiān)測過程中，信號類型有正弦線性掃頻和五峰值脈沖，數(shù)據(jù)采樣頻率為100 kHz。掃頻波參數(shù)：起始頻率f0為100 Hz，截止頻率f1為100 kHz，總時長T為1 s，幅值A(chǔ)為5 V。五波峰信號通過軟件Arb Express調(diào)試，由信號發(fā)生器產(chǎn)生，其中心頻率為10 kHz，幅值為5 V。

圖4 試驗監(jiān)測系統(tǒng)Fig.4 Test monitoring devices

3.2 試驗設(shè)計

試驗中，澆筑四組共7個混凝土試件，試件內(nèi)部缺陷設(shè)置情況如表2所示。其中C0作為對比試件，不埋入空心塑料球。為防止混凝土振搗過程中塑料空心球上浮，通過細(xì)鐵絲將空心球固定在混凝土模具中，具體埋置情況見圖5。

表2 混凝土試件內(nèi)部缺陷情況Table 2 Internal defects of concrete specimens

圖5 以塑料空心球為內(nèi)部缺陷的混凝土試樣示意圖Fig.5 Schematic diagrams of concrete specimens with plastic hollow ball as internal defect

在第1組試驗中，以PZT2作為驅(qū)動器發(fā)射信號，以PZT3作為傳感器接收信號，對所有試件進行監(jiān)測，兩枚傳感器的間距為270 mm，具體工況見表3。第1組試驗?zāi)康氖茄芯繅弘妭鞲衅魑恢霉潭ǖ那闆r下，監(jiān)測信號隨試件內(nèi)缺陷的位置、大小變化的規(guī)律。

表3 第1組試驗工況Table 3 Test conditions of first group

在第2組試驗中，通過4枚壓電傳感器將B、C組的混凝土試件劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個監(jiān)測區(qū)域，并對混凝土試件的不同區(qū)域進行監(jiān)測，具體工況見表4。監(jiān)測區(qū)域Ⅰ中PZT1發(fā)射信號，PZT2接收信號，設(shè)為工況3；監(jiān)測區(qū)域Ⅱ中PZT2發(fā)射信號，PZT3接收信號，設(shè)為工況4；監(jiān)測區(qū)域Ⅲ中PZT3發(fā)射信號，PZT4接收信號，設(shè)為工況5，各PZT對的間距為90 mm。對比不同工況監(jiān)測結(jié)果，確定缺陷存在區(qū)域。

表4 第2組試驗工況Table 4 Test conditions of second group

4 結(jié)果與討論

4.1 第1組試驗結(jié)果分析

采用掃頻模式對混凝土試件進行監(jiān)測，第1組試驗接收到的信號時域如圖6所示?？梢钥闯鲭S著試件內(nèi)的缺陷程度增大，信號幅值不斷減小。工況1、2下，傳感器從試件C0獲取的時域信號幅值最大，其峰值為0.014 V；傳感器從試件C1-50、C2-50獲取的時域信號幅值最小，其最大值均在0.006 V左右。原因在于隨著混凝土內(nèi)部缺陷程度增大，缺陷對應(yīng)力波的反射效果越明顯，傳感器接收到的信號幅值不斷減小。

圖6 第1組試驗掃頻模式下信號時域圖Fig.6 Time domain diagram of signal in frequency sweep mode of first group test

為了定量分析接收到的信號強弱程度，計算同一工況下傳感器接收的信號能量值，并將其平均值作為基準(zhǔn)值，通過式(2)計算信號的能量指數(shù)EIK，結(jié)果如圖7所示：在兩種工況下，當(dāng)混凝土試件無缺陷時，EIK最大，分別為167.8%和172.1%；隨著內(nèi)部缺陷程度的增大，EIK不斷減小，最大減小幅值分別為52.0%、53.3%，對應(yīng)缺陷直徑由30 mm變?yōu)?0 mm，即缺陷體積變化最大的情況，符合實際情況。當(dāng)缺陷位置發(fā)生改變而傳感器位置和缺陷程度不變時，其EIK相近，各組兩個試件的差值在2.5%以內(nèi)。這說明當(dāng)PZT的位置固定時，其接收的信號能量只與缺陷大小有關(guān)。

圖7 第1組試驗掃頻模式下能量指數(shù)EIK值變化圖Fig.7 Change diagram of energy index EIK value in frequency sweep mode of first group test

以兩種工況下缺陷程度相同時測得的信號能量指數(shù)EIK的均值作為因變量，缺陷直徑D作為自變量，建立兩者間的函數(shù)關(guān)系。

EIK=189.04e-0.031×D(0≤D<100)

(4)

式中：EIK單位為%。式(4)對D求導(dǎo)后結(jié)果為

(5)

可以看出，能量指數(shù)與混凝土梁構(gòu)件內(nèi)部缺陷的直徑呈負(fù)相關(guān)。在無損傷情況下，能量指數(shù)EIK值最大，隨著缺陷程度增大，EIK值逐漸趨近于0。因此采用能量指數(shù)能較好地反映混凝土內(nèi)部缺陷程度。

五峰值脈沖信號的監(jiān)測結(jié)果如圖8和圖9所示，圖8表示采用五峰值脈沖信號對C0進行監(jiān)測的結(jié)果。由圖8可見響應(yīng)信號的周期為1 ms，因此對五峰值脈沖模式下的響應(yīng)信號截取1 ms進行分析。圖9中(a)、(b)分別表示工況1、2下的信號時域圖。從圖中可以看出，在五峰值模式下，傳感器測得的信號幅值也可以反映混凝土缺陷程度變化。當(dāng)試件內(nèi)無缺陷時，其幅值最大為0.69 V，隨著缺陷程度增大，信號幅值減小。為了定量描述混凝土缺陷程度與信號幅值的大小，采用式(3)計算不同缺陷程度下的損傷指數(shù)RA，如圖10所示?？芍毕葜睆讲蛔儠r，缺陷位置的改變不會影響損傷指數(shù)RA，此結(jié)果與掃頻信號的監(jiān)測結(jié)果一致。

圖8 五峰值脈沖模式下無缺陷狀態(tài)的信號時域圖Fig.8 Time domain diagram of signal in detection-free state in five-peak pulse mode

圖9 第1組試驗五峰值脈沖模式下信號時域圖Fig.9 Time domain diagram of signal in five-peak pulse mode of first group test

圖10 第1組試驗五峰值脈沖模式下?lián)p傷指數(shù)RA變化圖Fig.10 Change diagram of damage index RA in five-peak pulse mode of first group test

以兩種工況，同一缺陷程度下的損傷指數(shù)RA為因變量，以缺陷直徑D為自變量，建立RA與D間的函數(shù)關(guān)系,如式(6)所示。

RA=1-0.710.164+0.143×D(0≤D<100)

(6)

第1組試驗五峰值脈沖模式下?lián)p傷指數(shù)RA變化如圖10所示，可以看出，缺陷直徑與損傷指數(shù)RA近似呈指數(shù)關(guān)系，隨著混凝土缺陷直徑的增大，損傷指數(shù)逐漸增大并趨近于1，且其擬合度為0.98，因此可根據(jù)定義的損傷指數(shù)確定混凝土內(nèi)部缺陷程度。

通過上述兩種模式對混凝土內(nèi)部缺陷監(jiān)測試驗的結(jié)果表明：本文所采用的兩種信號波形及對應(yīng)的兩種參數(shù)均能較好反映混凝土內(nèi)部缺陷大小。在某一監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，壓電傳感器布置的位置固定，混凝土缺陷程度不變時，缺陷位置變化對EIK和RA的影響很小。

4.2 混凝土內(nèi)部缺陷位置探測試驗

圖11給出了第二組試驗在工況3、4、5下，掃頻模式的響應(yīng)信號。由圖可見，同一試件，傳感器在健康區(qū)域接收的時域信號幅值明顯大于缺陷區(qū)域。且隨著缺陷增大，健康區(qū)域和缺陷區(qū)域的信號幅值相差越大。此外，不同試件的健康區(qū)域時域信號峰值接近，但波形存在差異，而同一試件無缺陷的兩個監(jiān)測單元時域信號波形相似，原因在于混凝土為非均質(zhì)材料，不同試塊的粗骨料數(shù)量和排布方式、振搗密實程度均有差別，但同一試塊，混凝土內(nèi)部情況接近，因此接收的時域信號波形相似。

圖11 第2組試驗在掃頻模式下信號時域圖Fig.11 Time domain diagram of signal in sweep mode of second group test

圖12給出了試件在不同工況下的能量指數(shù)EIK值變化圖。由圖12(a)可以看出，各試件在工況3下的EIK值明顯小于其余兩種工況，而工況4、5下的EIK值接近，由此可以判斷缺陷只發(fā)生在區(qū)域Ⅱ，監(jiān)測區(qū)域Ⅱ和Ⅲ未發(fā)生缺陷。由圖12(b)可以看出，與監(jiān)測區(qū)域Ⅰ和Ⅲ相比，內(nèi)部存在缺陷，這與實際缺陷情況吻合。對比不同試塊在健康區(qū)域的EIK值后發(fā)現(xiàn)其離散型較大，為了減小不同試塊測得數(shù)據(jù)的離散型，說明不同缺陷程度對測試結(jié)果的影響，對試塊三個區(qū)域求得的EIK值進行歸一化處理：以三個區(qū)域EIK值的和為基數(shù)，求解缺陷區(qū)域EIK值所占比例，其結(jié)果如圖13所示?？梢钥闯?，隨著缺陷直徑的增加，缺陷區(qū)域的歸一化指數(shù)減少，且混凝土缺陷程度相同時，得到的歸一化指數(shù)接近，證明能量指數(shù)可以較好地反映混凝土缺陷程度變化。

圖12 第2組試驗不同工況下的能量指數(shù)EIK值變化圖Fig.12 Change diagram of energy index EIK value under different working conditions of second group test

圖13 混凝土試件缺陷區(qū)域歸一化指數(shù)變化圖Fig.13 Change diagram of normalized index of defect area of concrete specimens

圖14給出了第2組試驗在五峰值脈沖下傳感器的響應(yīng)信號。由圖可知各試件在健康區(qū)域接收的信號最大幅值在0.1 V左右，隨著缺陷直徑增大，信號時域幅值減小。還可以看出試件C1-20、C1-30、C1-50在工況3下信號幅值明顯低于工況4、5下的信號幅值，試件C2-20、C2-30、C2-50在工況4下的信號幅值明顯低于工況3、5下的信號幅值。

圖14 第2組試驗在五峰值脈沖模式下信號時域圖Fig.14 Time domain diagram of signal in five-peak pulse mode of second group test

提取信號幅值較大的兩個工況下的時域信號，并將健康區(qū)域的兩組信號的平均值作為基準(zhǔn)值，求得各試件在不同工況下的RA值并繪制變化曲線，如圖15所示。試件C1-20、C1-30、C1-50在工況4、5下的損傷指數(shù)相近且小于工況3，試件C2-20、C2-30、C2-50在工況3、5下的損傷指數(shù)相近且小于工況4，由此可確定試件C1-20、C1-30、C1-50的缺陷存在于監(jiān)測區(qū)域Ⅰ，試件C2-20、C2-30、C2-50的缺陷存在于監(jiān)測區(qū)域Ⅱ。試驗證明，可通過五峰值波定位混凝土試件中存在缺陷的損傷區(qū)域。

圖15 第2組試驗不同工況下RA值Fig.15 RA values under different working conditions of second group test

通過掃頻波和五峰值波對混凝土梁中缺陷位置探測的試驗表明，本文采用的波形以及提出的參數(shù)能夠較好確定混凝土內(nèi)存在缺陷的區(qū)域。需注意，這種缺陷定位方式只是一種近似方法，缺陷位置的準(zhǔn)確度與壓電傳感器在結(jié)構(gòu)中布置的數(shù)量有關(guān)。

5 結(jié) 論

針對以往方法對混凝土結(jié)構(gòu)缺陷監(jiān)測的不足，本文探索一種基于應(yīng)力波理論的壓電傳感器主動監(jiān)測技術(shù)，對混凝土內(nèi)部缺陷程度進行判定和損傷區(qū)域確定的方法。主要的結(jié)論如下：

(1)混凝土內(nèi)部缺陷監(jiān)測試驗結(jié)果表明，基于掃頻信號和五峰值脈沖信號建立的能量指數(shù)EIK與損傷指數(shù)RA對混凝土內(nèi)部缺陷程度變化敏感。當(dāng)缺陷程度增加時，EIK值較小并趨近于0，RA值越大并趨近于1。因此，可通過EIK、RA判定內(nèi)部缺陷程度。且當(dāng)傳感器位置固定、缺陷程度相同時，缺陷位置的變化不會影響EIK和RA值。

(2)采用壓電傳感器陣列的方式對混凝土結(jié)構(gòu)不同區(qū)域進行監(jiān)測，由于內(nèi)部缺陷的存在，應(yīng)力波在該區(qū)域傳播過程中幅值衰減，能量降低，通過EIK值和RA值的變化定位其缺陷區(qū)域。