基于壓電陶瓷的早期混凝土強度試驗研究

李鵬飛，徐卓君

(信陽學院，河南 信陽 464000)

1 壓電陶瓷的工作原理

1.1 壓電陶瓷簡介

壓電陶瓷具有奇異的壓電效應，即當受到較小的外力時，機械能就可以轉換成電能，而當施加交流電壓時，電能會被轉換成機械能。

壓電效應意味著一旦壓電元件在外部機械變形，內部正電荷和負電荷將移動，并且會有正負兩種電荷分布在元件的兩個表面上。外力的大小直接決定了電荷分布密度，這被稱為正壓電效應。通過這種效果，可以闡明壓電材料將機械能轉換成電能的能力。逆壓電效應指壓電元件在受到電壓作用后，正負兩種電荷移動，使元件變形。該逆壓電效應，表明了壓電材料具有將電能轉換成機械能的能力。

基于壓電陶瓷的這種特性，可將其制作成具有信號發射和接收雙重功能的智能傳感器材料，從而被本試驗用于監測早期混凝土強度變化的傳感器。

1.2 智能骨料簡介

壓電陶瓷材料外層用細石混凝土或者砂漿進行包裹(體積約15～25 cm3)，養護達到強度后配置傳輸線即可埋置在混凝土試件中發揮作用。這種材料和結構主體之間具備良好的兼容性、良好的耐久性能，并且能有效地規避與克服周圍環境的干擾。因其不僅可以發揮出壓電陶瓷的性能，還能起到真實骨料的作用，所以我們將這種包裹后的壓電陶瓷稱為智能骨料。

2 能量波動法原理

應力波傳播衰減發生在各向異性的混凝土中，如由于不均勻材料產生的散射衰減；由于內部吸收的介質顆粒之間的摩擦；由于傳播距離的增加從而造成擴散衰減。這些原因直接影響應力波能量。混凝土最典型的特征是分布不均勻，結構內部顆粒存在顯著摩擦，從而會導致應力波出現衰減。而隨著混凝土強度的增加，衰減幅度也明顯下降?；炷林袘Σǖ膫鞑C理如式(1)所示。

v=λf

(1)

式中：v是應力波在混凝土中的傳播速度，λ是應力波的波長，f是應力波的頻率。

圖1描繪了應力波于2種介質交界處的反射和折射情況。其中，W1，WR，WT分別為入射波、反射波和透射波。E1，ER，ET分別是入射波、反射波和透射波的波能。能量守恒原理如式(2)所示。

圖1 應力波在裂縫處的傳播

E1=EH+ER+ET

(2)

式中：EH為能量損失。

如果入射波能量是固定的，則傳播過程中的介質顆粒越多，應力波就容易被反射，相應的ER就會隨之增加；由于EH的產生具有不可逆性，所以相應的EH將減小，因此，如果激勵信號固定，在混凝土強度不斷增加的同時，ET將隨之減少。本本研究基于應力波能量傳遞理論上，通過試驗研究監測，當早期混凝土強度不斷增加時，彈性波能量如何變化的過程。

3 早期強度監測試驗

3.1 試驗概況

本試驗采用NI-USB-6363監測系統，該系統可以進行多項信息的檢測，如信號發射與采集、自動濾波、自動進行數據時效處理、裂隙檢測和安全預警等多項工作，具有良好的試驗檢測性能，適用于本研究，另外便于攜帶，具有適用性強、可靠性好等特點。

在本試驗中，利用NI-USB-6363便攜式采集器(如圖2)中的主動監測功能，通過壓電陶瓷感知混凝土結構自身的波動反應，進而實現監測結構強度變化過程。在該系統的主動監測模塊中包括壓電智能材料和信號發生器以及信號采集裝置、筆記本電腦等(如圖3)。具體的監測信號選型及其參數如下：掃頻信號：f=50 Hz～100 kHz，幅值為10 V，信號持時間10 s，信號發射與采樣100 ks/s。

圖2 NI-USB-6363 采集器

圖3 試驗監測系統

本試驗試件由C50混凝土組成，并將智能骨料預埋置于混凝土試件中。試件的尺寸為600 mm×100 mm×100 mm，詳細構造如圖4所示。利用2塊智能骨料組合成的一維列陣來分析混凝土強度變化過程，試驗中采用鋼絲來固定骨料。

圖4 混凝土試件尺寸及傳感器布置

3.2 試驗方案

本次試驗過程中，混凝土試件左側智能骨料作為發射器，激勵信號；右側智能骨料作為接受器，采集信號。將試驗樣本分為兩組，每組3個樣本。一組進行預埋傳感器(智能骨料)，另一組不埋置傳感器，分組編號分別為I組和II組。其中，I組的試驗結果，進行混凝土強度的信號幅值分析。II組試件用于標準混凝土試塊強度試驗，混凝土參數和養護條件同I組一樣，試驗結果用來作為I組的對照數據。具體的試件尺寸和傳感器間距，如表1所示。

在本試驗中，根據研究目的，分為兩部分試驗，一是進行混凝土試件的信號幅值監測試驗，二是進行混凝土試件的抗壓強度試驗。試驗所用混凝土為同批次、同規格、同條件養護。

表1 混凝土試件尺寸

4 試驗監測內容

4.1 混凝土強度數據監測

由于混凝土初期的流動性，在澆筑后的2 d內無法進行標準抗壓試驗。第三天后，進行標準壓縮試驗。其余的混凝土標準立方體試塊的制作、養護、強度試驗及強度值計算方法均按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)規定進行。

在試驗中，對第II組的混凝土試件進行抗壓強度試驗，依次測量計算(3 d～28 d)試件B1、B2和B3的強度值。結論是，所測試件的試驗強度都符合第28 d的設計要求，可適用于本試驗。

圖5 試件B1混凝土強度百分率

本文選取試件B1的試驗結果進行分析，根據混凝土試件的28 d強度值，計算養護齡期下混凝土試件的強度百分比，計算結果如圖5所示。由圖可知，混凝土在3 d(72 h)內達到設計強度的77%以上，7 d(168 h)內達到設計強度的85%以上，這與混凝土的基本強度增長規律一致，表明試驗結果具有可靠性，可用作I組的對照樣本。

4.2 混凝土早期強度信號幅值監測

混凝土澆筑之后，便可對I組試件進行信號監測。監測過程中要記錄每個齡期下的數據結果，并統計好相應試驗環境溫度，為了控制試驗產生的偶然誤差，每個試件樣本的監測數據采集50個，監測波形變化。在進行正式試驗之前，所有的試驗儀器應當在通電運行一段時間后再用于試驗，這樣可以降低儀器的檢測誤差。此外由于每天個時段的溫度時刻在變化，因此要在同一時刻進行試驗。

試驗采集到28 d內的信號數據，由于篇幅限制，選取監測數據較好的樣本(試件A2)從澆筑完成第一天到第28 d部分信號數據，經濾波優化處理后采集到的波形數據如圖6所示。前7 d內混凝土水化熱過程進展較為快速，混凝土結構內部變化無規律，對比圖(a)～圖(d)前7 d內的波形模糊沒有規律，信號幅值變化較大。7 d后， 混凝土強度增長速率逐漸下降，對比圖(e)～圖(h)信號波形變化逐步趨于穩定，信號幅值變化較小。

5 結 論

(1)通過試驗并結合應力波理論，驗證了壓電陶瓷傳感器所產生的能量波在混凝土早期強度監測中的傳播機理。

圖6 混凝土早期強度監測波形圖(豎坐標是信號幅值/V，橫坐標是時間/S)

(2)監測試驗中智能骨料的諧波響應幅值變化規律與混凝土早期強度變化過程保持一致。