基于壓電智能骨料的套筒灌漿料早期強度監測

杜永峰，杜進府

(1.蘭州理工大學 防震減災研究所，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學 甘肅省減震隔震國際合作研究基地，甘肅 蘭州730050)

0 引言

近年來，裝配式建筑作為國家大力倡導的建筑工業化生產模式，在全國各地得到了大力的推廣和應用。套筒灌漿連接是裝配式混凝土結構采用的主要連接方式之一，其連接機理是依靠灌漿料與套筒及鋼筋之間的粘結及機械咬合作用來實現力的傳遞，灌漿料的強度作為影響套筒灌漿連接件力學性能的重要因素，對其進行監測對裝配式混凝土結構的施工質量控制有重要意義[1-2]。石磊等[3]利用回彈法對灌漿料28 d齡期強度進行了檢測。孫彬等[4]通過在套筒的灌漿孔和出漿孔設置預留套管灌漿料的方法來檢測灌漿料規定齡期的實體強度。現有方法在實際工程中具有一定的應用價值，但目前這些方法對套筒內部的灌漿料早期強度發展還無法進行實時監測。

壓電陶瓷材料具有價格低，可靠性好，靈敏度高及具有傳感與驅動的雙重效應等優點。利用其在結構損傷識別和健康監測技術中的應用研究已取得豐碩的成果[5-7]。Song等[8]將鋯鈦酸鉛(PZT)埋置于水泥砂漿中形成水泥基壓電智能骨料(SA)，并將其應用到混凝土材料的早期強度監測試驗研究中，證明了該方法的可行性。李婷[9]利用應力和材料構成對壓電縱波在混凝土中的傳輸影響進行了研究。何明星等[10]利用壓電智能骨料對鋼管混凝土柱早期強度發展進行了試驗研究。

本文基于壓電波動法原理，提出了一種利用壓電智能骨料的套筒灌漿料早期強度監測法。首先，分析了信號激勵頻率、智能骨料間距及試件截面尺寸對智能骨料監測信號幅值的影響。在此基礎上，進行套筒灌漿料早期強度監測試驗研究，通過對灌漿料強度指標與監測信號識別參數進行數據擬合分析，得到二者的最優擬合關系式，最后給出基于壓電智能骨料的套筒灌漿料早期強度無損監測方法的標準條件及標準方程，為工程應用提供參考。

1 壓電智能骨料監測灌漿料強度的理論基礎

1.1 壓電效應

壓電效應是任何壓電材料都具有的一項重要特性，包括正、逆壓電效應。前者反映了壓電材料具有將機械能轉變為電能的能力，后者反映了壓電材料具有將電能轉變為機械能的能力。利用壓電元件的正、逆壓電效應可將壓電陶瓷制作成帶有發射和接收功能的驅動器和傳感器，將其埋入構件，可用于對結構的健康監測和損傷監測。

1.2 基于壓電波動法的灌漿料早期強度監測原理

1.2.1 壓電波動法原理

根據應力波傳播理論分析可知，應力波的傳播參數(振幅、波速等)與傳播介質的特性有密切聯系。當傳播介質的力學參數(如彈性模量、切變模量等)發生變化或結構出現損傷缺陷時，壓電傳感器接收到的信號會發生變化(幅值衰減、傳播時間延遲等)。通過確定與分析這些聲學信號參數的變化，掌握有關結構狀態的信息，從而實現對結構健康狀態的預測和評估[11]。

1.2.2 灌漿料早期強度監測原理

通過文獻[8]可知，應力波在灌漿料中傳播時可看成一維縱波傳播，其波動方程為

(1)

應力波在灌漿料中傳播一段時間后，其平均功率P為

(2)

式中：ω為信號頻率；A為信號幅值，由式(2)可得

(3)

由式(3)可知，A與信號的ω和P及材料的E和ρ有關。對于給定的激勵信號，P和ω是不變的，因而材料的E是影響A的主要因素。隨著灌漿料的硬化，E隨著強度的增加而增加，而A隨著E的增加而減小。因此，可通過觀察A的衰減來判斷E的狀態，以此評估灌漿料強度的發展情況。

1.3 聲波在灌漿料中的衰減

基于波動分析法的壓電智能骨料主動健康監測技術屬于聲學檢測范疇，聲波在固體中的衰減主要包括吸收衰減、散射衰減及擴散衰減[12]3種類型。套筒灌漿料主要是由漿體和細骨料組成的高強復合材料，其與混凝土材料最大的區別是套筒灌漿料中不存在類似于石子這種粗骨料[13]。基于這種區別，聲波在灌漿料中傳播，當頻率較低時，波長較長且遠大于灌漿料細骨料的平均直徑，聲波在傳播過程中可繞過骨料，這時的衰減以吸收衰減為主[14]。其衰減可由Stokes-kirchhoff式表示，即

(4)

式中：cz為縱波聲速；η為切變粘滯系數；Cv與Cp分別為定壓熱容和定比熱容；χ為熱傳導系數。

在確定灌漿料的η時，參考混凝土的η[15]為

(5)

式中δ為混凝土內部位移相對激勵力的相位滯后角。將式(5)代入式(4)中可得聲波在灌漿料中傳播時的吸收衰減系數為

(6)

由式(6)可知，吸收衰減不僅與媒質的性質有關，還與聲波的ω有關，α′a與ω之間為二次多項式關系，ω越高，吸收衰減越大。

2 智能骨料監測信號幅值影響因素分析試驗

2.1 試驗設計及試件制作

為了研究信號激勵頻率、智能骨料間距及試件截面尺寸對監測信號的影響，本試驗共設計4組對比試件，試件參數如表1所示。試驗中，套筒灌漿料選用CGMJM-VI套筒灌漿料，壓電陶瓷選用PZT-4型壓電陶瓷，具體參數如表2所示。智能骨料制作時，首先用丙酮擦拭壓電陶瓷片上、下表面及側面，以保證去除其表面的氧化膜和油污等，然后將屏蔽導線焊接在壓電陶瓷上，并在其表面均勻涂抹厚約0.3 mm的硅膠層進行防水，待硅膠層自然風干后，將其置于高20 mm，直徑25 mm的鋼模中間，用高強灌漿料進行封裝，最后將制作好的智能骨料在標準條件下養護28 d，壓電陶瓷及智能骨料實物圖如圖1所示。試件澆筑時，為確保智能骨料在試件澆筑后其位置在試件的截面形心處，需先將智能骨料進行綁扎固定，然后進行試件澆筑。智能骨料位置固定如圖2所示，測試試件實物圖如圖3所示。

表1 試件參數

表2 PZT-4型壓電陶瓷參數

圖1 壓電陶瓷及智能骨料

圖2 智能骨料位置固定

圖3 測試試件

2.2 試驗裝置及實驗過程

試驗設備由函數/任意波形發生器、壓電陶瓷驅動電源及數字示波器組成。試驗中函數發生器產生的信號經壓電陶瓷驅動電源放大后作用在壓電陶瓷驅動器上，產生的應力波經灌漿料傳播，被傳感器接收，最后產生的信號由示波器顯示和存儲。試驗測試裝置如圖4所示。

圖4 試驗測試裝置

本試驗的目標齡期為1～28 d(24 h、29 h、34 h、48 h、53 h、58 h、72 h、81 h、4 d、5 d、6 d、7 d、8 d、10 d、12 d、14 d、17 d、20 d、24 d、28 d)。考慮不同信號激勵頻率對傳感器監測信號的影響，激勵信號采用頻率分別為100 Hz、500 Hz、1 kHz、5 kHz，峰-峰值為5 V的正弦波。為確保試驗結果的精確性，試驗始終在(25±2) ℃的環境中開展。

2.3 試驗現象及分析

本試驗以信號幅值作為監測信號識別參數，對信號幅值隨灌漿料強度增長的變化規律做定性分析。通過對比同一試件在不同激勵頻率下的試驗結果，分析激勵頻率對信號幅值的影響。圖5～8分別為不同激勵頻率作用下各試件在目標齡期對應的電壓幅值。

圖5 試件1在不同激勵頻率下的電壓幅值

圖6 試件2在不同激勵頻率下的電壓幅值

圖7 試件3在不同激勵頻率下的電壓幅值

圖8 試件4在不同激勵頻率下的電壓幅值

從圖5～8可看出，各個試件的信號幅值隨齡期的變化趨勢相同，即隨著齡期的增長，信號幅值逐漸衰減。對比同一試件在不同激勵頻率下的信號幅值的變化發現，隨著激勵頻率的增加，信號幅值的衰減逐漸增大，這與1.3節中的理論分析結果一致。當以100 Hz激勵時，信號衰減小，信號幅值在整個齡期都較大，但信號整體的離散性較大，在某些齡期點幅值出現較大波動。當以500 Hz、1 kHz進行激勵時，信號幅值的離散性較小，整體變化趨勢穩定。當以5 kHz進行激勵時，信號的吸收衰減增大，導致信號幅值在整個齡期內變化不顯著。通過以上分析可知，與100 Hz、5 kHz正弦波相比，500 Hz、1 kHz作用下激勵效果更好。

為了分析不同的智能骨料間距、不同的試件截面尺寸對監測信號幅值的影響，本文選取在500 Hz作用下的試驗結果。通過對比試件1和2，試件3和4的試驗結果分析智能骨料間距對信號幅值的影響。其結果如圖9、10所示。通過對比試件1和3，試件2和4的試驗結果分析試件截面尺寸對信號幅值的影響。其結果如圖11、12所示。

圖9 試件1、2的電壓幅值

圖10 試件3、4的電壓幅值

圖11 試件1、3的電壓幅值

圖12 試件2、4的電壓幅值

通過對比圖9中試件1、2的信號幅值發現，試件2的信號幅值并未隨著智能骨料間距的增大而減小，反而出現增大的現象。對比圖10中試件3、4的信號幅值發現，與試件3相比，試件4的信號幅值隨智能骨料間距的增大出現先減小后增大的現象。以上試驗現象是由應力波在灌漿料試件內部及邊界的折射和反射引起的，不同位置應力波的疊加模式不同。對比圖11、12的試驗結果發現，與試件1、2相比，隨著試件截面尺寸的增加，試件3、4的信號幅值都出現統一的減小現象。其主要原因是當試件截面尺寸較小時，由于試件的有界性，造成波形間的疊加，導致較小截面試件智能骨料接收信號的幅值較大。通過以上分析可知，與智能骨料間距相比，試件截面尺寸對信號幅值的影響較大，規律性較強。試件截面尺寸越大，接收到的信號幅值越小。

3 套筒灌漿料早期強度監測試驗研究

3.1 試驗概況

為定量分析監測信號幅值與灌漿料強度值之間的關系，在同等條件下同時進行A、B兩組試驗。其中，A組試驗為目標齡期灌漿料強度增長測試試驗，每個齡期制作3個40 mm×40 mm×160 mm的標準試塊，在標準條件下養護的同時，對第2.2節提出的20個目標齡期的試塊進行抗壓強度試驗。A組試驗的標準試塊如圖13所示，抗壓強度測試試驗如圖14所示。B組試驗為同齡期灌漿料信號監測試驗，進行B組試驗設計時，根據第2.3節的分析結果，激勵信號選取激勵效果較好的500 Hz、1 kHz正弦波，智能骨料間距為200 mm。灌漿套筒選用GT20L型全灌漿套筒。試驗選用的灌漿套筒及其測試試件實物圖如圖15所示。

圖13 灌漿料標準試塊

圖14 標準試塊抗壓強度試驗

圖15 灌漿套筒及其測試試件

3.2 試驗結果及分析

對A組試驗的標準試塊進行目標齡期抗壓強度試驗，其早期強度增長曲線如圖16所示。B組試驗目標齡期智能骨料監測信號幅值如圖17所示。

圖16 灌漿料早期強度增長曲線

圖17 智能骨料監測信號電壓幅值

由圖16可知，在齡期前5 d，灌漿料強度值增長迅速，而后增長減緩并最終趨于穩定。由圖17可知，在齡期前5 d，信號幅值衰減迅速，而后衰減減緩并最終趨于穩定。結合圖16、17的試驗現象發現智能骨料監測信號幅值隨齡期的衰減與灌漿料強度值隨齡期的增加基本同步，說明利用智能骨料監測信號幅值的變化來反映灌漿料強度的發展是可行的。

定量分析監測信號幅值與灌漿料強度值之間的關系，需對信號幅值與強度值進行數據擬合分析。為了排除試件截面尺寸、智能骨料間距、儀器使用等因素對后續結論通用性的限制。本文提出對信號幅值和強度值歸一化后進行擬合分析的數據處理方法。對信號幅值而言，以初始信號幅值(即齡期24 h對應的監測信號幅值)作為基礎值，計算各目標齡期的監測信號幅值比，即

(7)

式中：TV為某目標齡期對應的信號幅值比；Vi為某目標齡期對應的信號幅值；V1為初始齡期的信號幅值。對強度值而言，以灌漿料28 d強度值作為基礎值，計算各目標齡期的強度比，即

(8)

利用式(7)、(8)計算出試驗數據的TV、Tc，建立試件在500 Hz、1 kHz作用下的“TV-Tc”散點圖，其結果如圖18所示。

圖18 TV-Tc散點圖

利用MATLAB的Curve Fitting工具箱對圖18中的數據進行曲線擬合，通過試繪選取了曲線穿過散點圖次數較高的3種函數，分別為一元三次多項式函數、指數函數和冪函數進行數據擬合，擬合結果如圖19、20所示，同時通過對比擬合優度參數R2(確定系數)，對比3種函數的R2，R2越接近1時，擬合效果越佳。擬合參數如表3所示。

圖19 500 Hz下TV-Tc擬合曲線

圖20 1 kHz下TV-Tc擬合曲線

表3 TV-Tc曲線擬合參數及優度參數

通過分析圖19、20中的TV-Tc散點圖與各種擬合曲線的關系，橫向比較表3中同一頻率下各擬合函數的R2可看出，3種擬合函數中，一元三次多項式函數的R2最接近1，擬合效果最佳。縱向比較500 Hz、1 kHz作用下一元三次多項式函數的R2，發現500 Hz作用下的R2大于1 kHz作用下的R2，表明500 Hz作用下的試驗數據離散性相對較弱，可擬合度更高。

為了使該監測法在實際工程中具有應用價值，本文根據以上研究成果給出基于壓電智能骨料的套筒灌漿料早期強度無損監測法的標準條件及標準方程。

3.2.1 標準條件

1) 傳感器的選用。傳感器為自制的新式壓電智能骨料，核心部分采用PZT-4型壓電陶瓷片，智能骨料制備按第2.1中所述流程進行。

2) 激勵信號的選定。選取激勵效果最優的500 Hz正弦波。

3) 智能骨料間距的選定。由第2.3節的分析結果可知，當試件截面尺寸較小時，間距為200 mm的智能骨料接收到的信號幅值較大，故智能骨料的間距定為200 mm。

3.2.2 標準方程

通過以上函數擬合分析，得出套筒灌漿料TV-Tc最優擬合關系式為

y=-1.812×x3+3.793×x2-

3.116×x+1.509

(9)

式中：x為某時刻監測獲得的信號幅值比；y為該時刻灌漿料的強度比。

當實際工程中選用套筒灌漿料的28 d抗壓強度值與本文選用灌漿料的28 d抗壓強度值接近時，按照上述標準條件要求制備監測試件并進行監測試驗，由后期監測得到的x，代入式(9)計算得到y，以本文試驗實測強度值96.5 MPa為28 d灌漿料抗壓強度值，計算灌漿料所需測量齡期的強度值。即

fc(t)=y(xt)×fc(28)

(10)

式中：t為齡期；y(xt)為強度比；fc(28)為灌漿料28 d抗壓強度值。

4 結論

通過智能骨料監測信號幅值影響因素分析試驗和套筒灌漿料早期強度監測試驗，得出以下結論：

1) 不同信號激勵頻率作用下，頻率越高，信號衰減越大。與智能骨料間距相比，試件截面尺寸對信號幅值的影響較大，規律性較強，試件截面尺寸越大，信號衰減越大，接收到的信號幅值越小。

2) 智能骨料監測信號幅值隨齡期的衰減與灌漿料強度值隨齡期的增長基本同步。在齡期前5天，智能骨料監測信號幅值衰減迅速，隨后衰減減緩，最終趨于穩定；灌漿料強度值在齡期前5天增長迅速，隨后增長減緩，最終趨于穩定。

3) 3種形式的擬合函數中，一元三次多項式函數的擬合優度參數R2最接近1，擬合效果最優，且500 Hz作用下的擬合結果優于1 kHz。最后給出基于壓電智能骨料的套筒灌漿料早期強度無損監測法的標準條件及標準方程，為實際工程應用提供參考。