基于壓電陶瓷的高強度智能骨料研制

杜國鋒，吳方紅，何明星，李　召，別雪夢

(長江大學城市建設學院， 長江大學結構工程與防災研究所， 湖北荊州434023)

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基于壓電陶瓷的高強度智能骨料研制

杜國鋒，吳方紅，何明星，李召，別雪夢

(長江大學城市建設學院， 長江大學結構工程與防災研究所， 湖北荊州434023)

摘要：為研究混凝土動力災變中內部應力變化和工作機理，選用Q345鋼材和壓電陶瓷傳感器制作了6個高強壓電智能骨料，通過電液伺服試驗機和力錘分別對智能骨料進行標定，得出各個智能骨料的靈敏度，并將各個智能骨料的靈敏度值與理論值進行了比較。試驗結果表明，智能骨料的輸出電壓與加載的壓力值呈良好的線性關系，試驗值與理論分析結果相吻合，表明所研制的高強度智能骨料可以用于高強混凝土實時應力的監測，研究成果可為工程實踐提供參考。

關鍵詞：智能骨料；靈敏度；PZT；高強度

0引言

近年來，壓電陶瓷(簡稱PZT)因其響應速度快、能耗低、造價低并兼有傳感和激勵的雙重效應而廣泛地應用于混凝土結構、鋼管混凝土結構的健康監測及損傷診斷[1-2]。Saafi等[3]提出了混凝土結構基于壓電陶瓷主動傳感的健康監測方法。Song等[4-8]提出了基于d33型壓電陶瓷片的壓電陶瓷智能骨料(SA,Smart Aggregate)，可用于混凝土的早期強度監測、超高車輛對橋梁的碰撞監測以及鋼筋混凝土結構的健康監測。Hou等[9-10]提出利用大理石包裹的智能骨料監測較大幅值的壓應力和剪應力。閻石等[11-12]提出了埋入式壓電陶瓷傳感器的力學模型并進行了試驗驗證，利用有限元方法證明了力學模型的可行性。許斌等[13-14]利用PZT智能骨料傳感器對鋼管與核心混凝土剝離進行了檢測。杜國鋒等[15]提出了一種任意激勵下“單壓電片—粘結層—主體結構”動力耦合模型，通過對模型的理論推導得到了電導納的計算公式。

高強混凝土廣泛應用于高層、超高層建筑以及大跨度橋梁[16]。我國將混凝土抗壓強度達到或者超過60 MPa的混凝土稱為高強混凝土，而在工程實際中混凝土強度等級可能達到100 MPa以上，這些結構在服役的過程中往往處于高應力狀態[17]。因此，要求在高應力狀態下進行應力監測的傳感器必須能夠承受較高的應力。目前在結構試驗中測量應力的方法是采取在結構的表面布置應變片，通過應變監測值反推應力。然而，對于截面尺寸較大和受力復雜的構件，應變片的應變值無法準確地反映出結構內部的受力狀態，因而無法判斷結構的損傷狀態。針對結構內部的應力測量，一些學者提出了一種基于水泥基的應力應變傳感器，但這些傳感器并不適用于高強混凝土應力的測量，因為在較高應力狀態，這些水泥基制作成的傳感器極可能被壓碎[18-19]。為此，本研究采用了Q345鋼材作為壓電智能骨料的外殼，用于高強混凝土內部應力監測，以避免類似于水泥基智能骨料在較高應力下被壓壞。以單向極化智能骨料為研究對象，采取不同的加載方式對智能骨料靈敏度進行標定，以期為多向極化智能骨料的研制奠定基礎，滿足監測混凝土內部某點空間應力狀態的需求，使之更好地應用于實際工程。

1壓電陶瓷的工作原理

壓電陶瓷具有壓電效應，在外力的作用下能夠產生電荷，稱之為正壓電效應；在壓電材料兩個表面施加電壓時會導致壓電材料產生變形，從而產生應力，稱之為逆壓電效應。

當外力為零，而且只存在電場時，電位移與電場強度的關系可表示為：

(1)

表示成張量分量式，則為：

Di=εijEj，i,j=1,2,3，

(2)

式中，Di表示電位移，εij表示壓電陶瓷的介電常數，Ej表示電場強度。

對于已經極化的壓電陶瓷片，也可采用電應變和電場強度來表示，即：

(3)

表示成張量分量式則為：

εi=dijEj,i=1,2,3,4,5,6；j=1,2,3，

(4)

式中，εi表示電應變，dij表示壓電陶瓷的壓電常數。

本文中采用的是d33型PZT片，如圖1所示。在表面施加1對平行于極化方向的力時，壓電陶瓷會產生變形，陶瓷片的極化作用會在兩個表面上產生電荷，如圖2所示。壓電效應外力和產生電荷之間的關系可表示為：

q=d33F，

(5)

式中，d33表示壓電常數，F表示作用在陶瓷片表面的壓力。

圖1d33型PZT片及極化方向

Fig.1The polarization direction

ofd33mode PZT patch

圖2沿極化方向施加荷載與電荷輸出

Fig.2Loading along the polarization

direction and output charge

2壓電智能骨料的制作

目前，國內外學者所提出的智能骨料均是采用水泥基或者大理石作為外殼，用在高強混凝土中，在較高應力下水泥基和大理石外殼均有可能被壓碎，從而影響傳感器的正常使用。文獻[11]研究結果表明，智能骨料的外形尺寸對智能骨料的性能有著較大的影響。因此，本研究選擇了Q345鋼材作為智能骨料的外殼，以防止智能骨料在較高應力下被壓碎。

采用Q345鋼材作為智能骨料的外殼時，為保證鋼塊表面的平整度以及后續試驗中智能骨料與混凝土二者之間能夠有效地結合在一起，使智能骨料與混凝土共同變形，需對鋼塊的表面進行刻紋處理。鋼塊的尺寸為20 mm×20 mm×10 mm，鋼塊和陶瓷片之間采用環氧樹脂封裝，為防止外界噪聲信號的干擾，陶瓷片采用屏蔽導線引出，并采用BNC接頭連接。PZT采用武漢海創電子股份有限公司生產的PZT-5H，尺寸為10 mm×10 mm×0.8 mm，其相關的材料參數見表1。環氧樹脂封裝層的厚度為5 mm，最終成型的智能骨料尺寸為20 mm×20 mm×25 mm，如圖3所示。

表1　壓電陶瓷參數

(a) 骨料組成示意圖(b) 骨料成型圖

圖3壓電智能骨料組成示意圖及成型圖

Fig.3Structure and photo of the Smart aggregate

3壓電智能骨料的標定

3.1靈敏度的定義

圖4　智能骨料荷載示意圖Fig.4　Schematic diagram of loading mode on the Smart aggregate

壓電智能骨料在外荷載作用下將極化，如圖4所示。此外，由式(5)可知，輸出電荷與作用在智能骨料上的壓力成正比關系。利用數據采集儀采集輸出的電荷，經電荷電壓轉換器轉換成電壓，可得到電壓與壓力之間的關系為：

(6)

將式(6)代入到式(5),可得:

(7)

式中，U表示經電荷電壓轉換器產生的電壓，q表示壓電材料的產生的電荷，Cf表示電荷電壓轉換器的反饋電容，d33為壓電陶瓷片的壓電常數，F為作用在智能骨料上的壓力。

由F=σAe，式(7)可變為:

(8)

式中，Ae為壓電陶瓷片的上表面面積，σ表示PZT上的均布應力。

由式(8)可知，輸出電壓與作用在PZT面上的均布應力成正比關系，故智能骨料的靈敏度可定義為單位輸出電壓與其相對應力的比值，即：

(9)

故試驗時只需要根據輸出的電壓和施加荷載的大小便可確定出每個智能骨料的靈敏度α。

由式(8)可得理論上高強度壓電智能骨料的靈敏度為：

(10)

對于外觀尺寸、PZT參數和電荷電壓轉換的反饋電容都已知的智能骨料，可以直接計算得到其靈敏度理論值。在本研究中，通過式(10)可計算得到各個智能骨料理論上的靈敏度α=0.44 V/MPa。

3.2智能骨料標定

3.2.1往復加載模式標定

往復加載模式標定試驗流程如圖5所示，采用WAW-600B微機控制電液伺服萬能試驗機施加荷載，壓電陶瓷產生的電荷信號經HK9209電荷放大器轉換為電壓并進行放大，電荷放大器的反饋電容Cf=100 nF，電壓信號由INV3018C采集模塊進行采集。試驗現場如圖6所示。

圖5　試驗流程圖

圖6　試驗現場

試驗采用正弦加載模式，對傳感器加載1～3 kN的正弦荷載，平衡位置為2 kN，加載頻率為2 Hz，初始加載到平衡位置2 kN時保持預載3 min，保證智能骨料與試驗機機座接觸穩定，然后進行加載，加載制度如圖7所示。

圖7　試驗加載制度

以SA1為例，施加荷載和輸出電壓的時程關系曲線如圖8所示。從圖8可以看出，二者波形基本相同。將不同壓力值與對應的輸出電壓值進行線性擬合，得到如圖9所示的標定結果。從圖9可以看出，PZT的輸出電壓值與施加在智能骨料上的應力值呈線性關系，斜線的斜率即表示所標定的智能骨料的靈敏度α。

圖8SA1荷載和輸出電壓的時程關系曲線

Fig.8The time curve of load and output voltage on SA1

圖9SA1應力與輸出電壓的關系曲線

Fig.9The relation of stress and output voltage on SA1

6個智能骨料的靈敏度標定值及輸出電壓與施加荷載的相關系數如表2所示。各個骨料之間的靈敏度存在著一定差異，這可能與焊接PZT片時的焊接工藝以及智能骨料的封裝工藝有關系，但各個智能骨料的輸出電壓與施加荷載的相關系數高，線性相關好，通過試驗標定得到的靈敏度與理論計算值的誤差在15%以內，主要原因在于智能骨料封裝工藝還沒有達到電子器件標準化制作要求，加載過程難以保證智能骨料單向均勻受壓，但本研究結果說明高強度智能骨料應用于混凝土內部應力監測是可行的。

表2　各智能骨料的標定靈敏度

3.2.2沖擊加載模式標定

在沖擊加載模式標定試驗中，采用力錘敲擊固定在臺座上的智能骨料，并采集力錘輸出的電壓值和智能骨料輸出的電壓值。該標定模式下的數據采集系統與往復加載標定試驗中的數據采集系統相同。每敲擊1次便可得到力錘和智能骨料的時程曲線，取不同應力大小的峰值和智能骨料輸出電壓的峰值作為一組數據，通過改變敲擊力度可以得到多組數據，然后進行數據擬合，可得到每個智能骨料在沖擊荷載作用下的靈敏度。

表3　不均勻荷載下各智能骨料的標定靈敏度

各個智能骨料在沖擊荷載作用下的靈敏度和對應的輸出電壓與施加荷載相關性系數如表3所示。結合表2和表3可以看出，各個智能骨料的靈敏度標定值存在著一定差異，但與理論計算值的誤差均保持在15%的范圍以內。在沖擊荷載下，智能骨料的靈敏度要低于電液伺服加載模型的，線性相關性也不如往復加載模型的好。其原因在于對智能骨料敲擊時，每次敲擊的力度以及敲擊力的方向并不能保證完全垂直于智能骨料上表面，使得數據離散性較大。

4結語

①試驗結果顯示，采用鋼塊作為外殼，環氧樹脂作為粘接劑制成的6個智能骨料性能相似，表明文中高強度智能骨料的研制方法是可行且有效的。智能骨料自身的強度高，可用于高強混凝土結構內部應力監測。

②通過往復加載模式和沖擊加載模式標定了各個智能骨料的靈敏度，兩種不同加載模式的標定結果表明，智能骨料受到的荷載和輸出電壓呈線性關系，與理論計算的結果大致相吻合且比較穩定，為其應用于實際工程提供了可行性驗證。

③智能骨料埋置于混凝土內會承受圍壓作用，其實驗邊界條件與實際工程中的不同，進而會導致試驗標定的靈敏度與實際工程中的靈敏度存在一定差異。這是今后研究中需要著重考慮的問題。此外，三維受力下智能骨料的靈敏度系數的確定方法亦是今后研究的重點內容。

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(責任編輯唐漢民裴潤梅)

Development of high strength smart aggregate based on piezoelectric ceramic transducers

DU Guo-feng，WU Fang-hong，HE Ming-xing，LI Zhao，BIE Xue-meng

(School of Urban Construction，Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction,Yangtze University, Jingzhou 434023,China)

Abstract:In order to study the interior stress change and working mechanism in dynamic collapse of concrete, 6 high-strength smart aggregates were made using the Q345 steel and piezoelectric ceramic transducers. The sensitivity coefficient of the smart aggregates was calibrated by the electro-hydraulic servo tester and force-hammer, respectively, and the calibrated sensitivity value was compared with the theoretical value. The experimental results imply a linear relationship between the output voltage of smart aggregate and the load. The experimental results are agreed with the theoretical analysis results, which indicates that the developed high-strength smart aggregate can be used for monitoring real-time stress of high strength concrete.

Key words:smart aggregates；sensitivity；PZT；high strength

中圖分類號：TU528.1;TU375

文獻標識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)02-0301-07

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0301

通訊作者：杜國鋒(1975—)，男，吉林四平人，長江大學教授，工學博士；E-mail：gfd_1125@126.com。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51378077)；湖北省自然科學基金(創新群體)資助項目(2015CFA029)；湖北省教育廳科技計劃重點項目(D20131205)

收稿日期：2015-12-10；

修訂日期：2016-02-20

引文格式：杜國鋒，吳方紅，何明星，等.基于壓電陶瓷的高強度智能骨料研制[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(2)：301-307.