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2016-01-21 08:43:33江晨暉倪彤元
浙江工業大學學報 2015年4期
楊 楊，蔡 陽，江晨暉，倪彤元
(1.浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014；2.浙江省工程結構與防災減災技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310014；
3.浙江工業大學 材料科學與工程學院，浙江 杭州 310014；4.浙江建設職業技術學院，浙江 杭州 311231)
?
埋入式低彈模混凝土應變傳感器的研究
楊楊1,2，蔡陽1，江晨暉3,4，倪彤元1,2
(1.浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014；2.浙江省工程結構與防災減災技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310014；
3.浙江工業大學 材料科學與工程學院，浙江 杭州 310014；4.浙江建設職業技術學院，浙江 杭州 311231)
摘要：準確監測混凝土變形是評價混凝土材料性能、結構服役能力和健康狀態的重要前提，但現有方法通常只能適用于硬化混凝土材料及其結構，不適用于自早齡期開始的全壽命檢測.為了克服這一缺點，開發了一種彈性模量小于35 MPa的低彈模埋入式應變傳感器(ESS)，ESS可于混凝土結構澆筑時埋入其內部，自早齡期開始實現對變形的實時監測.同時，ESS也可置于各種結構表面進行變形監測.對比試驗結果表明：采用ESS對混凝土試件變形監測所得結果與采用其他方法所得結果具有較好的一致性.
關鍵詞：低彈性模量；埋入型應變傳感器；混凝土；變形；早齡期
各種因素引起的變形是反映土木工程材料基本性質和構件、結構服役性能的重要指標之一，因此必須加以精確測量[1-2].有關測量方法和儀器設備的研究歷來受到重視.目前應用較多的(微小)變形測量儀器分為接觸式位移計[3]和非接觸式位移計兩大類，接觸式位移計使用較為普遍，其安裝使用方法簡單、價格低廉，但不適用于物性尚未發展健全、強度極低、表面潮濕的被測體(如剛澆筑的混凝土、剛壓實的土體等)，且安裝位置受到限制，難以實現結構實體變形的長期監測.諸如激光位移計[4]、電容位移計和渦電流位移計[5]等新型非接觸式位移計的出現提高了變形測量的精度和自動化程度，但由于設備精密、使用成本高及對測量環境要求嚴格等不足之處而不能同批次大量采用，更難以被推廣.更重要的是，這兩類變形測量儀器均安裝于被測體外部，其經歷的溫度條件不同于被測體的溫度履歷，所獲得的變形測量結果需加以修正，而這類修正往往較為復雜，精度也不易滿足.
為了彌補既有變形測量儀器存在的上述缺點和不足，本研究開發了一種可埋入式應變傳感器(簡作ESS).該ESS具有低彈性模量，當安置于待測體(如混凝土、砂漿、水泥漿和土壤等)內部時，可以同步感受待測體自成型之后的變形.ESS可用于微變形的長期監測，且能同步準確反映待測體內部的溫度變化，便于進行溫度校正.筆者就設計思路、材料選用、加工裝配、標定方法和使用方法等五個基本方面就ESS的開發研制進行闡述，所設計的ESS可實現自澆筑完畢開始對混凝土結構任意位置變形的全壽命在線實時監測.
1ESS的設計原理與構成
所研制的ESS采用彈性元件的形變來感受待測體的變形，即利用彈性元件良好的變形感受能力，將待測體的變形量轉化為彈性元件的變形，再利用電阻應變測量原理將彈性元件的物理變形量轉化成對應的電阻變化量，通過變換裝置轉成電信號，最后在輸出裝置上顯示應變數據.通過大量試驗數據分析，可以建立待測體變形和輸出數據(應變)之間的標定關系式，由此關系式即可由ESS的測量結果反演待測體的實際變形.
ESS的測量原理如圖1所示，彈性元件采用雙Ω形彈簧鋼片，中間水平段較兩端水平部分稍低(圖2中的元件7).當彈簧鋼片兩端受到軸向壓(拉)力作用時，中間水平部分除了受到壓(拉)力作用外，還會因偏心產生彎曲變形.換言之，雙Ω形彈簧鋼片能夠在一定的程度上放大端部作用力產生的變形.
圖1 埋入型應變傳感器的測量原理Fig.1 The measuring principle of ESS
ESS的構造如圖2所示.當該傳感器埋入被測體預設位置后，被測體發生與傳感器軸向平行的變形時，傳感器即受到軸向外力作用.這一軸向外力將使傳感器上可動承臺發生移動(變形)，這一變形將傳遞至彈簧鋼片，粘貼在其上的應變片即可采集到應變數據.同時，銅套管右端設置的低彈性模量的聯軸器作為過渡連接器件(或稱變形補償器件)，用于將ESS外部的變形傳遞到其內部的彈性元件之上.
1—端部法蘭；2—聯軸器；3—可動承臺；4—銅管；5—橡膠套管；6—固定承臺；7—雙Ω形彈簧鋼片；8—電阻應變片；9—應變片引出線(外連屏蔽線)；10—熱電偶導線圖2 ESS的基本構造Fig.2 Basic structure of ESS
2ESS的制作
除彈簧鋼片是采用不銹鋼經熱處理外，ESS的其他部件均采用銅質材料制作.彈簧鋼片在ESS兩端的承臺上的固定通過內六角螺釘和彈簧墊片完成.
考慮到ESS的長期有效性和可能遭遇的高、低溫環境，粘貼應變片采用的粘結劑既有足夠的粘結強度，同時還具有高耐久性和耐高、低溫性[6].
電阻應變片沿軸向粘貼于彈簧鋼片的中間位置，以使ESS具有更好的測量敏感性.同時為了提高測量精度和有效地進行溫度補償，應變片采用四片式全橋接法[7].熱電偶置于固定承臺內腔中，測量銅質零件從與混凝土接觸處傳來的溫度.
將聯軸器插入銅管右端，并通過焊接固定二者.聯軸器的右端通過沉頭螺釘與傳感器右端的可動承臺加以固定.然后從可動承臺右端旋入端部法蘭，法蘭與聯軸器接觸處施以焊接.最后利用橡膠熱縮管套在銅套管外表面，用熱風槍加熱使之收縮形成包覆層.組裝過程中，應避免彈簧鋼片發生變形，使其處于自由狀態(無拉力或壓力作用).
裝配完成后的ESS如圖3所示.
圖3 裝配完成后的埋入型應變傳感器Fig.3 Photographs of ESS
3ESS的基本性能參數
3.1ESS的變形關系標定
通過試驗獲得ESS整體軸向變形(簡稱為外部變形)與彈簧鋼片彎曲變形(簡稱為內部變形)之間的定量關系，即變形關系的標定是一項最重要的基本工作之一.本研究自行設計了圖4所示的標定裝置進行試驗.
如圖4所示，ESS的外部變形通過設置于其活動端的位移傳感器6進行測量.ESS和位移傳感器的安裝位置如圖4所示.ESS兩端分別固定在標定裝置左端固定支座3和中間可動支座5上，位移傳感器則固定在標定裝置右端固定支座7上.ESS、位移傳感器均接入數據采集儀以獲得內、外部變形(應變值).逆時針方向旋動內螺母9，通過固定螺桿8的位移傳遞作用，中間可動支座向左移動而壓縮ESS.通過分析所采集的數據可獲得壓縮狀態下內、外部變形關系.反之，順時針方向旋動外螺母10，中間可動支座向右移動而拉伸ESS，從而可獲得拉伸狀態下內、外部變形關系.正式標定前，應對ESS實施預拉、壓數次.試驗在恒溫環境中進行.
1—熱電偶導線；2—數據采集線；3—左端固定支座；4—ESS；5—中間可動支座；6—位移傳感器；7—右端固定支座；8—固定螺桿；9—外螺母；10—內螺母；11—滑塊；12—導桿；13—底板圖4 用于ESS的標定裝置Fig.4 Calibration device for ESS
ESS標定結果如圖5所示.可以發現：在本研究的試驗范圍內，無論是受壓還是受拉狀態，ESS的內部應變隨外部應變的增大(減小)均表現出一致的線性增大(減小)的特征.數據擬合結果表明：當ESS受壓時，其內部應變為其外部應變的0.798倍；類似地，在受拉狀態下，ESS的內部應變與外部應變之間同樣存在完好線性關系，且內部應變為外部應變的0.867倍.
圖5 埋入型應變傳感器的內、外部應變之間的關系Fig.5 Relationship between internal and external strain
因此，采用ESS間接地測量軸向拉伸或壓縮變形時，其內部變形和外部變形均表現出良好的線性關系，且兩者的標定系數的偏差率為
較小，可以近似認為兩者一致，標定系數均取0.833(兩者的平均值)，即
εint=0.833εext
(1)
式中εint，εext分別為ESS的內、外部應變.
實際應用時，由ESS采集的內部應變代入式(1)即可計算相應的外部變形(即對應ESS埋設部位的混凝土在ESS軸向發生的變形).
3.2ESS的彈性模量
ESS的彈性模量采用量程為10 kN的雙立柱式電液伺服試驗機測定，彈性模量測試開始測定前先進行3次預加載.試驗中位移加載速度設置為0.001 mm/s，預定加載最大位移設為0.250 mm.ESS的軸向應力(軸向壓力)隨軸向應變(軸向位移)的變化規律如圖6所示.
圖6 ESS拉伸彈性模量試驗結果Fig.6 Testing results of elastic modulus of ESS
計算彈性模量時，為了消除由于加載初期沖擊力的影響，擬合基線起點設為應變值50×10-6，從圖6中的擬合曲線可以明顯看出，ESS的壓縮彈性模量(E)約為35.02 MPa.
采用類似的方法可以測定ESS的拉伸彈性模量，測定結果與壓縮彈性模量基本一致.
上述ESS的彈性模量值不僅遠低于成熟混凝土彈性模量，與凝結硬化初期混凝土的彈性模量相比也低得多[8-9].因此，可以認為ESS對早齡期混凝土的變形具有良好的感應能力，能克服現有接觸式測量儀器存在的問題.需要說明的是，由于零配件加工、裝配及試驗操作等方面的誤差，ESS的上述標定測試結果存在一定的個體差異.因此為了提高測量精度，每個ESS須進行單獨標定.
3.3ESS的溫度特性
將安裝好的ESS置于穩態環境中，連接上數據采集儀，待其數據穩定后(避免零漂的影響)記錄初始讀數，用熱風槍較遠距離(減少風壓產生的影響)環繞著ESS均勻加熱，觀察數據采集儀所顯示的溫度值，當ESS的溫度即將上升至預定溫度時停止加熱，記錄下ESS的內部應變隨溫度變化的數據，可得到如圖7所示內部應變與溫度變化之間的關系.
由圖7可看出：在本試驗溫度范圍內，ESS的內部應變隨溫度變化也表現出良好的線性關系.數據擬合結果表明，溫度每變化1 ℃，則ESS的內部應變相應地發生1.549×10-6變化.因此，實際應用中，在溫度變化范圍不大的場合可以近似忽略溫度變化對ESS測量結果的影響.
圖7 ESS的溫度特性Fig.7 Testing of temperature change behavior of the ESS
4ESS測量的驗證結果
為了驗證ESS的測量效果，以混凝土因非荷載因素導致的早期變形(主要表現為自收縮)為測量對象，采用在內部埋設ESS和國內外研究者常用的外部設置位移傳感器的“外測法”對混凝土的自由變形進行同步測量[10].
該試驗所采用混凝土的配合比如下：強度等級為52.5的硅酸鹽水泥515 kg/m3；拌合水154.5 kg/m3；普通河砂718 kg/m3；5～16 mm的碎石1 032 kg/m3；高效減水劑7.21 kg/m3.該混凝土的坍落擴展度為610 mm；強度等級為C60.
采用的混凝土試件為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體.試驗前按前述方法對ESS進行標定測試，獲得基本性能參數.
如圖8(a)所示，設置ESS時，為了確保其軸向與試模的長邊平行且位于試模的中心位置，防止混凝土澆注入模時ESS的位置發生變化，采用細鐵絲綁扎ESS兩端，并固定在試模上.細鐵絲不可綁扎過緊，且綁扎位置不能在聯軸器縫隙處.混凝土澆筑時，應分上下兩層進行，澆筑ESS所在位置時，應避免損傷ESS.試件表面抹平整形后，以塑料薄膜覆蓋之.靜置約30 min后，將ESS的連接導線接入數據采集儀，即可實現被測位置混凝土變形和溫度的實時監測，設定的數據采集時間間隔為20 min.
圖8 埋入型應變傳感器的安裝和測試Fig.8 Installation and testing of the ESS
約12 h后拆模并對混凝土試件表面密封.然后按照文獻[9]所描述的方法用位移傳感器(CDP)對混凝土的自由變形進行外部測量，如圖8(b)所示.整個試驗均在溫度為(20±3) ℃，濕度為(50±5)%的環境下進行.
對直接采集的應變數據(即內部應變)按照式(1)加以修正可得到相應的外部應變，并將該外部應變與CDP測量的外部應變加以對比.對比結果直觀地呈現于圖9中.顯然，二者的時程曲線變化趨勢一致，測量值有略微的差距，最大偏差約13×10-6.由于ESS的測量精度高于CDP，所以得到的變形曲線更為光滑.據此試驗結果，有理由認為這種新型的應變傳感器能夠較好的監測混凝土的實時變形趨勢，具有可行性.
圖9 埋入型應變傳感器的測量結果與位移傳感器(CDP)的測量結果對比Fig.9 Comparison between measured results obtained from ESS and from CDP
5結論
本研究得出利用偏心彈簧片放大變形方法進行ESS的設計，其原理可行.經試作和優化，ESS的彈性模量僅約為35 MPa，獲得了一種適合低強度測量對象(例如早齡期混凝土)的變形監測方法.通過對ESS進行標定與測試，獲得了內部變形與外部變形的定量關系以及ESS的基本性能參數.ESS變形測量的結果與CDP位移傳感器同步變形測量的結果表現出較好的一致性，同時由于ESS的測量精度高于CDP，所以得到的變形曲線更為光滑.據此試驗結果，有理由認為這種新型的應變傳感器能夠較好的監測混凝土的實時變形趨勢，具有可行性.
參考文獻：
[1]喻軍，劉松玉.隧道洞口邊坡變形控制與數值分析[J].浙江工業大學學報,2012,40(1):101-102.
[2]鄭曉國,焦華麗.真空預壓影響區土體變形機理及防治措施研究[J].浙江工業大學學報,2014,42(3):307-308.
[3]CARDOSO E.接觸式應變計[J].鐵道建筑,1983(1):30.
[4]陳育容,楊旭東,謝鐵邦.一種高精度非接觸式位移傳感器及其應用[J].測量與設備,2007(7):6-11.
[5]韓峰,劉海倫,陳愛國.測試技術基礎[M].北京:機械工業出版社,1998.
[6]李淼.粘貼電阻應變計的實踐與探索[J].實驗科學與技術,2009，7(3):148-151.
[7]吉林工業大學農機系.應變片電測技術[M].北京:機械工業出版社,1978.
[8]楊偉軍,王艷.混凝土早齡期的抗壓強度與彈性模量的歷時變化模型[J].中外公路,2007,27(6):149-151.
[9]日本建築學會.鉄筋コンクリート造建築物の収縮ひび割れ—メカニズムと対策技術の現狀ー[M].東京:丸善株式會社,2003.
[10]江晨暉,楊楊,王曉棟，等.不同養護溫度下高強高性能混凝土早齡期自收縮特性[J].新型建筑材料,2013(6):5-8.
(責任編輯：陳石平)
Study on embedded strain sensor with low elastic modulus
for monitoring deformation of concrete
YANG Yang1, 2, CAI Yang1, JIANG Chenhui3, 4, NI Tongyuan1, 2
(1. College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2.Zhejiang
Key Laboratory of Civil Engineering Structures & Disaster Prevention and Mitigation Technology, Hangzhou 310014, China;
3. College of Materials Science & Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014,China;
4. Zhejiang College of Construction, Hangzhou 311231, China)
Abstract:Accurate measurement of concrete deformation is a prerequisite for evaluating performance and serviceability of concrete structures. Existing methods only apply to hardened concrete, but not apply to early-age concrete. In order to overcome the shortcoming, an embedded strain sensor (ESS) with a low elastic modulus (less than 35 MPa) is developed. ESS can be buried into specific locations as well as be attached onto the surface of concrete elements. Due to its low elastic modulus, ESS can be used to measure deformation of concrete immediately after casting. A trial test verifies that the results of deformation obtained by ESS coincide with those by a traditional method.
Keywords:low elastic modulus; embedded strain sensor (ESS); concrete; deformation; early age
文章編號：1006-4303(2015)04-0450-05
中圖分類號：TU317+.6
文獻標志碼：A
作者簡介：楊楊(1962—)，男，江蘇揚中人，教授，博士生導師，研究方向為高強高性能混凝土材料和結構,E-mail：yangyang@zjut.edu.cn.
基金項目：國家自然科學基金面上項目(51378471)
收稿日期：2015-02-06
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楊 楊，蔡 陽，江晨暉，倪彤元
(1.浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014；2.浙江省工程結構與防災減災技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310014；
3.浙江工業大學 材料科學與工程學院，浙江 杭州 310014；4.浙江建設職業技術學院，浙江 杭州 311231)
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埋入式低彈模混凝土應變傳感器的研究
楊楊1,2，蔡陽1，江晨暉3,4，倪彤元1,2
(1.浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014；2.浙江省工程結構與防災減災技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310014；
3.浙江工業大學 材料科學與工程學院，浙江 杭州 310014；4.浙江建設職業技術學院，浙江 杭州 311231)
摘要：準確監測混凝土變形是評價混凝土材料性能、結構服役能力和健康狀態的重要前提，但現有方法通常只能適用于硬化混凝土材料及其結構，不適用于自早齡期開始的全壽命檢測.為了克服這一缺點，開發了一種彈性模量小于35 MPa的低彈模埋入式應變傳感器(ESS)，ESS可于混凝土結構澆筑時埋入其內部，自早齡期開始實現對變形的實時監測.同時，ESS也可置于各種結構表面進行變形監測.對比試驗結果表明：采用ESS對混凝土試件變形監測所得結果與采用其他方法所得結果具有較好的一致性.
關鍵詞：低彈性模量；埋入型應變傳感器；混凝土；變形；早齡期
各種因素引起的變形是反映土木工程材料基本性質和構件、結構服役性能的重要指標之一，因此必須加以精確測量[1-2].有關測量方法和儀器設備的研究歷來受到重視.目前應用較多的(微小)變形測量儀器分為接觸式位移計[3]和非接觸式位移計兩大類，接觸式位移計使用較為普遍，其安裝使用方法簡單、價格低廉，但不適用于物性尚未發展健全、強度極低、表面潮濕的被測體(如剛澆筑的混凝土、剛壓實的土體等)，且安裝位置受到限制，難以實現結構實體變形的長期監測.諸如激光位移計[4]、電容位移計和渦電流位移計[5]等新型非接觸式位移計的出現提高了變形測量的精度和自動化程度，但由于設備精密、使用成本高及對測量環境要求嚴格等不足之處而不能同批次大量采用，更難以被推廣.更重要的是，這兩類變形測量儀器均安裝于被測體外部，其經歷的溫度條件不同于被測體的溫度履歷，所獲得的變形測量結果需加以修正，而這類修正往往較為復雜，精度也不易滿足.
為了彌補既有變形測量儀器存在的上述缺點和不足，本研究開發了一種可埋入式應變傳感器(簡作ESS).該ESS具有低彈性模量，當安置于待測體(如混凝土、砂漿、水泥漿和土壤等)內部時，可以同步感受待測體自成型之后的變形.ESS可用于微變形的長期監測，且能同步準確反映待測體內部的溫度變化，便于進行溫度校正.筆者就設計思路、材料選用、加工裝配、標定方法和使用方法等五個基本方面就ESS的開發研制進行闡述，所設計的ESS可實現自澆筑完畢開始對混凝土結構任意位置變形的全壽命在線實時監測.
1ESS的設計原理與構成
所研制的ESS采用彈性元件的形變來感受待測體的變形，即利用彈性元件良好的變形感受能力，將待測體的變形量轉化為彈性元件的變形，再利用電阻應變測量原理將彈性元件的物理變形量轉化成對應的電阻變化量，通過變換裝置轉成電信號，最后在輸出裝置上顯示應變數據.通過大量試驗數據分析，可以建立待測體變形和輸出數據(應變)之間的標定關系式，由此關系式即可由ESS的測量結果反演待測體的實際變形.
ESS的測量原理如圖1所示，彈性元件采用雙Ω形彈簧鋼片，中間水平段較兩端水平部分稍低(圖2中的元件7).當彈簧鋼片兩端受到軸向壓(拉)力作用時，中間水平部分除了受到壓(拉)力作用外，還會因偏心產生彎曲變形.換言之，雙Ω形彈簧鋼片能夠在一定的程度上放大端部作用力產生的變形.
圖1 埋入型應變傳感器的測量原理Fig.1 The measuring principle of ESS
ESS的構造如圖2所示.當該傳感器埋入被測體預設位置后，被測體發生與傳感器軸向平行的變形時，傳感器即受到軸向外力作用.這一軸向外力將使傳感器上可動承臺發生移動(變形)，這一變形將傳遞至彈簧鋼片，粘貼在其上的應變片即可采集到應變數據.同時，銅套管右端設置的低彈性模量的聯軸器作為過渡連接器件(或稱變形補償器件)，用于將ESS外部的變形傳遞到其內部的彈性元件之上.
1—端部法蘭；2—聯軸器；3—可動承臺；4—銅管；5—橡膠套管；6—固定承臺；7—雙Ω形彈簧鋼片；8—電阻應變片；9—應變片引出線(外連屏蔽線)；10—熱電偶導線圖2 ESS的基本構造Fig.2 Basic structure of ESS
2ESS的制作
除彈簧鋼片是采用不銹鋼經熱處理外，ESS的其他部件均采用銅質材料制作.彈簧鋼片在ESS兩端的承臺上的固定通過內六角螺釘和彈簧墊片完成.
考慮到ESS的長期有效性和可能遭遇的高、低溫環境，粘貼應變片采用的粘結劑既有足夠的粘結強度，同時還具有高耐久性和耐高、低溫性[6].
電阻應變片沿軸向粘貼于彈簧鋼片的中間位置，以使ESS具有更好的測量敏感性.同時為了提高測量精度和有效地進行溫度補償，應變片采用四片式全橋接法[7].熱電偶置于固定承臺內腔中，測量銅質零件從與混凝土接觸處傳來的溫度.
將聯軸器插入銅管右端，并通過焊接固定二者.聯軸器的右端通過沉頭螺釘與傳感器右端的可動承臺加以固定.然后從可動承臺右端旋入端部法蘭，法蘭與聯軸器接觸處施以焊接.最后利用橡膠熱縮管套在銅套管外表面，用熱風槍加熱使之收縮形成包覆層.組裝過程中，應避免彈簧鋼片發生變形，使其處于自由狀態(無拉力或壓力作用).
裝配完成后的ESS如圖3所示.
圖3 裝配完成后的埋入型應變傳感器Fig.3 Photographs of ESS
3ESS的基本性能參數
3.1ESS的變形關系標定
通過試驗獲得ESS整體軸向變形(簡稱為外部變形)與彈簧鋼片彎曲變形(簡稱為內部變形)之間的定量關系，即變形關系的標定是一項最重要的基本工作之一.本研究自行設計了圖4所示的標定裝置進行試驗.
如圖4所示，ESS的外部變形通過設置于其活動端的位移傳感器6進行測量.ESS和位移傳感器的安裝位置如圖4所示.ESS兩端分別固定在標定裝置左端固定支座3和中間可動支座5上，位移傳感器則固定在標定裝置右端固定支座7上.ESS、位移傳感器均接入數據采集儀以獲得內、外部變形(應變值).逆時針方向旋動內螺母9，通過固定螺桿8的位移傳遞作用，中間可動支座向左移動而壓縮ESS.通過分析所采集的數據可獲得壓縮狀態下內、外部變形關系.反之，順時針方向旋動外螺母10，中間可動支座向右移動而拉伸ESS，從而可獲得拉伸狀態下內、外部變形關系.正式標定前，應對ESS實施預拉、壓數次.試驗在恒溫環境中進行.
1—熱電偶導線；2—數據采集線；3—左端固定支座；4—ESS；5—中間可動支座；6—位移傳感器；7—右端固定支座；8—固定螺桿；9—外螺母；10—內螺母；11—滑塊；12—導桿；13—底板圖4 用于ESS的標定裝置Fig.4 Calibration device for ESS
ESS標定結果如圖5所示.可以發現：在本研究的試驗范圍內，無論是受壓還是受拉狀態，ESS的內部應變隨外部應變的增大(減小)均表現出一致的線性增大(減小)的特征.數據擬合結果表明：當ESS受壓時，其內部應變為其外部應變的0.798倍；類似地，在受拉狀態下，ESS的內部應變與外部應變之間同樣存在完好線性關系，且內部應變為外部應變的0.867倍.
圖5 埋入型應變傳感器的內、外部應變之間的關系Fig.5 Relationship between internal and external strain
因此，采用ESS間接地測量軸向拉伸或壓縮變形時，其內部變形和外部變形均表現出良好的線性關系，且兩者的標定系數的偏差率為
較小，可以近似認為兩者一致，標定系數均取0.833(兩者的平均值)，即
εint=0.833εext
(1)
式中εint，εext分別為ESS的內、外部應變.
實際應用時，由ESS采集的內部應變代入式(1)即可計算相應的外部變形(即對應ESS埋設部位的混凝土在ESS軸向發生的變形).
3.2ESS的彈性模量
ESS的彈性模量采用量程為10 kN的雙立柱式電液伺服試驗機測定，彈性模量測試開始測定前先進行3次預加載.試驗中位移加載速度設置為0.001 mm/s，預定加載最大位移設為0.250 mm.ESS的軸向應力(軸向壓力)隨軸向應變(軸向位移)的變化規律如圖6所示.
圖6 ESS拉伸彈性模量試驗結果Fig.6 Testing results of elastic modulus of ESS
計算彈性模量時，為了消除由于加載初期沖擊力的影響，擬合基線起點設為應變值50×10-6，從圖6中的擬合曲線可以明顯看出，ESS的壓縮彈性模量(E)約為35.02 MPa.
采用類似的方法可以測定ESS的拉伸彈性模量，測定結果與壓縮彈性模量基本一致.
上述ESS的彈性模量值不僅遠低于成熟混凝土彈性模量，與凝結硬化初期混凝土的彈性模量相比也低得多[8-9].因此，可以認為ESS對早齡期混凝土的變形具有良好的感應能力，能克服現有接觸式測量儀器存在的問題.需要說明的是，由于零配件加工、裝配及試驗操作等方面的誤差，ESS的上述標定測試結果存在一定的個體差異.因此為了提高測量精度，每個ESS須進行單獨標定.
3.3ESS的溫度特性
將安裝好的ESS置于穩態環境中，連接上數據采集儀，待其數據穩定后(避免零漂的影響)記錄初始讀數，用熱風槍較遠距離(減少風壓產生的影響)環繞著ESS均勻加熱，觀察數據采集儀所顯示的溫度值，當ESS的溫度即將上升至預定溫度時停止加熱，記錄下ESS的內部應變隨溫度變化的數據，可得到如圖7所示內部應變與溫度變化之間的關系.
由圖7可看出：在本試驗溫度范圍內，ESS的內部應變隨溫度變化也表現出良好的線性關系.數據擬合結果表明，溫度每變化1 ℃，則ESS的內部應變相應地發生1.549×10-6變化.因此，實際應用中，在溫度變化范圍不大的場合可以近似忽略溫度變化對ESS測量結果的影響.
圖7 ESS的溫度特性Fig.7 Testing of temperature change behavior of the ESS
4ESS測量的驗證結果
為了驗證ESS的測量效果，以混凝土因非荷載因素導致的早期變形(主要表現為自收縮)為測量對象，采用在內部埋設ESS和國內外研究者常用的外部設置位移傳感器的“外測法”對混凝土的自由變形進行同步測量[10].
該試驗所采用混凝土的配合比如下：強度等級為52.5的硅酸鹽水泥515 kg/m3；拌合水154.5 kg/m3；普通河砂718 kg/m3；5～16 mm的碎石1 032 kg/m3；高效減水劑7.21 kg/m3.該混凝土的坍落擴展度為610 mm；強度等級為C60.
采用的混凝土試件為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體.試驗前按前述方法對ESS進行標定測試，獲得基本性能參數.
如圖8(a)所示，設置ESS時，為了確保其軸向與試模的長邊平行且位于試模的中心位置，防止混凝土澆注入模時ESS的位置發生變化，采用細鐵絲綁扎ESS兩端，并固定在試模上.細鐵絲不可綁扎過緊，且綁扎位置不能在聯軸器縫隙處.混凝土澆筑時，應分上下兩層進行，澆筑ESS所在位置時，應避免損傷ESS.試件表面抹平整形后，以塑料薄膜覆蓋之.靜置約30 min后，將ESS的連接導線接入數據采集儀，即可實現被測位置混凝土變形和溫度的實時監測，設定的數據采集時間間隔為20 min.
圖8 埋入型應變傳感器的安裝和測試Fig.8 Installation and testing of the ESS
約12 h后拆模并對混凝土試件表面密封.然后按照文獻[9]所描述的方法用位移傳感器(CDP)對混凝土的自由變形進行外部測量，如圖8(b)所示.整個試驗均在溫度為(20±3) ℃，濕度為(50±5)%的環境下進行.
對直接采集的應變數據(即內部應變)按照式(1)加以修正可得到相應的外部應變，并將該外部應變與CDP測量的外部應變加以對比.對比結果直觀地呈現于圖9中.顯然，二者的時程曲線變化趨勢一致，測量值有略微的差距，最大偏差約13×10-6.由于ESS的測量精度高于CDP，所以得到的變形曲線更為光滑.據此試驗結果，有理由認為這種新型的應變傳感器能夠較好的監測混凝土的實時變形趨勢，具有可行性.
圖9 埋入型應變傳感器的測量結果與位移傳感器(CDP)的測量結果對比Fig.9 Comparison between measured results obtained from ESS and from CDP
5結論
本研究得出利用偏心彈簧片放大變形方法進行ESS的設計，其原理可行.經試作和優化，ESS的彈性模量僅約為35 MPa，獲得了一種適合低強度測量對象(例如早齡期混凝土)的變形監測方法.通過對ESS進行標定與測試，獲得了內部變形與外部變形的定量關系以及ESS的基本性能參數.ESS變形測量的結果與CDP位移傳感器同步變形測量的結果表現出較好的一致性，同時由于ESS的測量精度高于CDP，所以得到的變形曲線更為光滑.據此試驗結果，有理由認為這種新型的應變傳感器能夠較好的監測混凝土的實時變形趨勢，具有可行性.
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(責任編輯：陳石平)
Study on embedded strain sensor with low elastic modulus
for monitoring deformation of concrete
YANG Yang1, 2, CAI Yang1, JIANG Chenhui3, 4, NI Tongyuan1, 2
(1. College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2.Zhejiang
Key Laboratory of Civil Engineering Structures & Disaster Prevention and Mitigation Technology, Hangzhou 310014, China;
3. College of Materials Science & Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014,China;
4. Zhejiang College of Construction, Hangzhou 311231, China)
Abstract:Accurate measurement of concrete deformation is a prerequisite for evaluating performance and serviceability of concrete structures. Existing methods only apply to hardened concrete, but not apply to early-age concrete. In order to overcome the shortcoming, an embedded strain sensor (ESS) with a low elastic modulus (less than 35 MPa) is developed. ESS can be buried into specific locations as well as be attached onto the surface of concrete elements. Due to its low elastic modulus, ESS can be used to measure deformation of concrete immediately after casting. A trial test verifies that the results of deformation obtained by ESS coincide with those by a traditional method.
Keywords:low elastic modulus; embedded strain sensor (ESS); concrete; deformation; early age
文章編號：1006-4303(2015)04-0450-05
中圖分類號：TU317+.6
文獻標志碼：A
作者簡介：楊楊(1962—)，男，江蘇揚中人，教授，博士生導師，研究方向為高強高性能混凝土材料和結構,E-mail：yangyang@zjut.edu.cn.
基金項目：國家自然科學基金面上項目(51378471)
收稿日期：2015-02-06
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