傳感器殼體材料對混凝土內應力波測試影響

黃家蓉，吳 飚，王 幸，楊建超，孔德鋒

(軍事科學院國防工程研究院，河南 洛陽 471023)

0 引 言

混凝土材料廣泛應用于民用、國防工程建設和防護工程結構中。工程結構中混凝土除了承受靜載荷外，常不可避免地承受急劇變化的動載荷，如爆炸、沖擊和地震等。沖擊載荷下混凝土材料的動態力學性能，對研究爆炸沖擊、高速撞擊、侵徹、動態損傷等問題都有著重要的影響[1]。在混凝土構件中埋入應力波傳感器，對構件進行動態加載，測量其動態力學響應是研究混凝土動態特性的重要方法。國內外學者在不同的沖擊試驗中對混凝土靶內應力波進行了測試研究[2-3]，但由于混凝土本構關系的復雜性，其靶內應力波測試技術并不成熟。

試驗研究中，傳感器敏感元件都是用金屬殼體封裝成不同結構型式置入測試環境使用[4]，但金屬材料與混凝土的彈性模量及波阻抗等參數都不一致，傳感器的埋入勢必改變巖土介質的原應力場，引起應力的重新分布，傳感器感受的應力與未擾動時該點的應力并不相同[5]，試驗中存在介質材料匹配問題。長期以來研究者們對傳感器等效彈模和被測介質的彈模比、傳感器形狀尺寸和高徑比等如何影響匹配誤差進行了研究，獲得了一些成果，但試驗中獲得的數據比較離散，并沒有形成公認的規律或理論[6]。已發表的公開文獻中未見傳感器殼體材料對測試結果影響研究的報道，傳感器產品也不如爆炸場空氣沖擊波壓力測試技術成熟，試驗中獲得混凝土內應力波傳播規律的資料鮮有報道。

應力波基礎一書中論述到：在應力波傳播實驗研究中，如果傳感器的波阻抗（ρ0C0）能夠和介質的波阻抗相匹配，就能避免對波傳播本身帶來不必要的干擾，可避免或減少波傳播失真[7]。據此，推測傳感器殼體材料的波阻抗與混凝土越接近，應力波失真度應該越小，為此，本文選用兩種金屬材料作襯底制作傳感器埋入混凝土試件，用SHPB加載進行了試驗研究，分析兩種材料對應力波傳播的影響，以期對混凝土內應力波測量傳感器設計提供參考。

1 試驗設計

1.1 試驗方案

PVDF壓電薄膜在固體介質中的應力波測試技術已經成為爆炸沖擊測試領域的重要手段[8]。PVDF壓電薄膜經過極化以后具有很強的壓電效應，壓電常數可以達到石英晶體的10倍，頻響高，量程范圍大，較適合爆炸荷載測量。不銹鋼和鋁是常用的傳感器殼體材料，因此選用這兩種金屬作傳感器底板進行試驗研究，表1是材料的相關參數。底板設計尺寸及裝配如圖1所示，傳感器底板厚3 mm，護線蓋板厚2 mm，將PVDF薄膜粘貼在底板上，信號引線用蓋板進行保護，把制作好的傳感器澆筑在混凝土試件中，用SHPB進行加載試驗，測量入射波、透射波和混凝土試件中的應力波，分析兩種材料對應力波輸出信號的影響。

表1 3種材料的有關性能參數[7,9-10]

圖1 傳感器設計及裝配

1.2 試件澆筑

試件尺寸：φ100 mm×80 mm。各做3個，共6個試件。傳感器先固定在鋼模具中部如圖2所示，并將引線引出，然后澆筑混凝土并養護28天后脫模，同時澆筑3個抗壓檢測試件，滿齡期送檢測站進行強度檢測，抗壓強度檢測為36.5 MPa。試件澆筑結果：從外觀上看鋁底板傳感器試件中間全部有裂縫，且不均勻，鋼底板試件無裂縫，如圖3所示。

圖2 傳感器固定

圖3 混凝土試件

1.3 加載設備及原理

動態加載設備是 φ100 mm SHPB壓桿，原理如圖4所示。試驗時將試件夾在入射桿和透射桿之間，當撞擊桿發射后，由光學探頭和測速儀探測撞擊桿的速度，瞬態數據采集儀分別記錄入射桿和透射桿的應變波形與PVDF傳感器的輸出波形，入射、透射應力波通過桿應變值換算獲得[7,11]。

圖4 SHPB壓桿試驗

2 試驗結果與分析

對6個試件進行了SHPB動態加載試驗，結果是3個鋁底板試件由于中間存在裂縫，導致波形傳播嚴重失真，如圖5所示，圖中Pr、Pt分別表示入射波和透射波。圖5(a)、(e)可以看出，入射波基本沒經過試件透射到透射桿，且3個PVDF輸出波形各異，毫無規律，這說明試件中間的裂縫嚴重影響了波的傳播。圖6是鋼底板試件試驗波形，圖中可以看出入射和透射波形，波形基本一致，透射率大于82%。為對3個鋼底板試件的PVDF輸出信號與透射波比較，對信號進行歸一化處理得圖6(b)、(d)、(f)，可以看出PVDF輸出波與透射波在作用時間和波形上吻合較好。

圖5 鋁底板試件試驗波形

2#和4#試件PVDF輸出有明顯鋸齒狀（圖6(b)、(f)），分析認為是傳感器周圍的混凝土不均勻或存在氣孔，引起了波的反射或折射所致。如圖7所示，從試驗前試件表面、試驗后斷裂的試件中間都可看出明顯的大小分布不均的蜂窩狀氣孔，這都會影響應力波的傳播。

圖6 鋼底板試件試驗波形

圖7 試件表面和內部氣孔

如圖8所示，加載試驗后鋁底板試件基本都是從中間斷成兩截，鋼底板試件完整。查看兩種經沖擊試驗后的試件碎塊，觀察傳感器與混凝土的粘結情況，發現鋁底板傳感器與混凝土呈剝離狀態（圖9(a)），這說明鋁底板與混凝土存在明顯交接縫，影響了應力波傳播，而鋼底板與混凝土粘結牢固（圖9(b)），對應力波傳播影響小。

圖8 兩種試件試驗后

圖9 兩種試件沖擊加載破碎狀

曾輝等[12]研究認為傳感器彈性模量與介質模量比越大，匹配性能越好，對應力波傳播影響越小。從表1中知鋼、鋁與混凝土的彈性模量比分別為8.4、2.8，試驗結果與文獻[12]研究結果一致。

分析鋁底板試件產生裂縫和剝離原因：從表1中3種材料的熱膨脹系數α看，鋼和混凝土的接近，鋁約為混凝土的1.8倍。由于在混凝土凝固過程中，在水熱化影響下，其內部產生大量熱量難以散發，使其內部溫度大幅度上升[13-14]，在升溫降溫過程中，熱膨脹系數不一致會導致熱脹冷縮材料變形不一致，形成交接縫。據此分析認為鋁底板試件出現裂縫應該是鋁和混凝土的熱膨脹系數差別太大、澆筑過程發熱程度不一致引起的。

3 混凝土內應力波傳播測試

有上節試驗結果后，用不銹鋼作殼體制作了一批PVDF壓力傳感器，安裝在3個直徑為2.5 m，高1.6 m的混凝土靶中，用TNT進行內爆炸試驗，成功測得靶內應力波傳播規律。圖10是其中一個靶的實測波形。用AUTODYN軟件對試驗工況進行了仿真，實測結果與仿真計算結果基本吻合，圖11是距爆心200 mm處的一個算例與實測波形比較，可以看出壓力作用時間、峰值和上升沿基本一致。詳細試驗過程及分析請參見文獻[15]。

圖10 2#靶內應力波

圖11 實測波形與仿真結果比較

4 結束語

由于混凝土本構關系比較復雜，它既不是勻質材料，也不是線彈性材料，使其動態力學響應測試困難，人們掌握的動力學數據匱乏。關于混凝土靶內動荷載測試技術，研究者一直在探索中。本文對用鋁和不銹鋼作傳感器襯底進行動態試驗，結果表明：

1）使用不銹鋼作傳感器殼體，測試獲得的應力波與透射波一致性好，使用鋁作傳感器殼體，澆筑試件會出現裂縫，嚴重影響應力波的傳播，導致應力波嚴重失真。

2）在混凝土靶中埋入不銹鋼殼體制作的PVDF傳感器獲得了75%的有效波形，實測結果與AUTODYN軟件仿真結果基本吻合。

3）混凝土凝固過程的升溫降溫過程中，由于鋁和混凝土的熱膨脹系數不一致會引起材料熱脹冷縮變形不一致，導致混凝土與傳感器之間形成交接縫，嚴重影響應力傳播。因此制作混凝土內應力傳感器時，殼體材料的熱膨脹系數是不可忽略的參數。