基于壓電陶瓷的地聚合物砂漿強度發展監測研究

胡鵬兵，陳 娟，孫 航，蔡高潔，胡現岳，劉謹寧

(長江大學城市建設學院，荊州 434023)

0 引 言

壓電陶瓷具有奇異的正逆壓電效應，當受到較小的外力時，機械能可以轉換成電能，當施加交流電壓時，電能轉換成機械能。利用正逆壓電效應，壓電陶瓷既可作傳感器又可作驅動器。將壓電陶瓷嵌入混凝土中并對其施加激勵，可在混凝土中產生應力波[1-2]。基于壓電陶瓷傳感器應力波分析研究普通混凝土齡期與強度的關系已被多位研究者證明有效[3]。Song等[4-6]將壓電陶瓷片封裝在人造大理石中，將制成的壓電陶瓷智能骨料內嵌于混凝土試件，通過觀測壓電傳感器諧波幅值的發展，成功監測到混凝土結構強度的發展過程。Shin等[7-8]基于阻抗法的壓電監測技術，通過將壓電陶瓷片粘貼在試件表面監測了混凝土早期強度發展。孫威等[9]提出了一種將壓電陶瓷智能骨料傳感器成對埋置于混凝土梁內部的混凝土強度監測方法。朱茜[10]利用壓電主動監測技術監測硫鋁酸鹽水泥-硅酸鹽水泥復合水泥砂漿,結果表明，壓電主動監測技術能夠準確方便地監測水泥基材料的水化過程。杜永峰等[11]基于壓電波動法原理，提出一種利用壓電陶瓷智能骨料監測套筒灌漿料早期強度的方法。

地聚合物是一種通過堿激發硅鋁原材料而形成的無機膠凝材料，其制備過程中排放的溫室氣體CO2相較于普通波特蘭水泥顯著降低，而且地聚合物有很好的耐酸堿和耐高溫性能，是一種優勢顯著的水泥替代品[12-14]。

本文將地聚合物膠凝材料應用于砂漿，利用壓電陶瓷主動感應法，將時域信號圖分析和小波包能量分析相結合，開展地聚合物砂漿早期強度健康監測，對于地聚合物砂漿強度理論體系建立和工程實踐指導都具有重要意義。

1 實 驗

1.1 材料參數

本文采用的基于鋯鈦酸鉛(PZT)的壓電陶瓷智能骨料由生產商將PZT片封裝在人造大理石中制作而成，PZT智能骨料及構造如圖1所示，其基本特征參數如表1所示。

圖1 PZT智能骨料及構造Fig.1 PZT smart aggregate and construction

表1 壓電陶瓷傳感器特征參數Table 1 Characteristic parameters of piezoelectric ceramic sensor

地聚合物砂漿采用鞏義市鉑潤耐火材料有限公司生產的F級粉煤灰、鞏義市辰義耐材磨料有限公司生產的偏高嶺土、嘉善縣優瑞耐火材料有限公司生產的SP38型水玻璃硅酸鈉溶液、新疆中泰化學股份有限公司生產的片狀NaOH固體、廈門艾思歐標準砂有限公司生產的中國ISO標準砂以及自來水制成，其材料配合比如表2所示。

表2 地聚合物砂漿材料配合比Table 2 Mix proportion of geopolymer mortar

1.2 試件設計與制作

依據《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》GB/T 17671—1999[15]，本文共設計制作7組地聚合物砂漿試件，試件各組設計參數如表3所示，其中第1組和第2組試件分別內置兩個壓電陶瓷智能骨料，用來監測地聚合物砂漿強度發展過程中的信號波，第3組～第7組試件使用三連模成型，同時成型3個試件，取其測試強度有效值作為各試件齡期對應的抗壓強度。

表3 試件基本設計參數Table 3 Basic design parameters of specimens

1.3 監測方法

本文采用主動感應法，將兩個PZT智能骨料嵌入每個監測試件，其中PZT-a作為發射端發射應力波，PZT-b作為接收端接收穿過地聚合物砂漿試件介質的應力波，試件內部構造如圖2所示。

圖2 地聚合物砂漿內部構造示意圖Fig.2 Structure diagram in geopolymer mortar

基于NI-USB6361采集器、DG1302型雙通道任意波發射器、PZT智能骨料、筆記本電腦和NI LabVIEW軟件系統組成地聚合物砂漿監測系統，監測裝置如圖3所示。為使監測信號具有普適性與全面性，監測準備時經過多次調試。本文監測系統中，DG1302型雙通道任意波發射器產生激勵給智能骨料PZT-a生成的正弦應力波信號通過地聚合物砂漿介質后，由NI-USB6361采集器接收傳感器PZT-b信號，采樣頻率為2 MS/s。

圖3 地聚合物砂漿監測系統裝置圖Fig.3 Device diagram of geopolymer mortar monitoring system

2 結果與討論

2.1 地聚合物砂漿抗壓強度

在養護齡期1 d、2 d、3 d、7 d和28 d，依照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》GB/T 17671—1999[15]要求，在砂漿抗壓強度試驗機上進行地聚合物砂漿抗壓強度測試，加載速率為2.5 kN/s，加載結果有效值換算為抗壓強度fc(t)，結果如表4所示。

為方便數據分析，將地聚合物砂漿抗壓強度進行數學歸一化處理。以地聚合物砂漿28 d抗壓強度為強度參照標準，各設計養護齡期強度計算指標可根據式(1)計算得到，數學歸一化處理結果如表4所示，可以看出地聚合物砂漿在7 d已經達到28 d強度的83%以上。

表4 地聚合物砂漿抗壓強度Table 4 Compressive strength of geopolymer mortar

(1)

式中：τ(t)表示齡期為t時的抗壓強度fc(t)與28 d抗壓強度fc(28 d)的比值。

2.2 時域信號分析

時域信號是由發射器通過正弦波作為激勵信號對發射傳感器PZT-a施加激勵，由接收傳感器PZT-b采集獲得。正弦掃頻波作為激勵信號，起始頻率200 Hz，終止頻率600 kHz，幅值10 V，信號周期1 s。

圖4為試件GM-PZT-1和GM-PZT-2的時域信號圖。時域信號圖是指1個信號周期(T=1 s)內，試件GM-PZT-1(或GM-PZT-2)分別在養護齡期1 d、2 d、3 d、7 d和28 d時，傳感器PZT-b接收到的壓電信號波形圖。時域信號圖反映試件各齡期應力波幅值變化，以期表征地聚合物砂漿強度隨齡期的變化。

如圖4(a)所示，隨齡期1 d至7 d變化過程中，試件 GM-PZT-1中應力波電壓幅值由0.014 V逐漸增加至0.076 V，達到28 d應力波峰值(0.096 V)的79.2%；如圖4(b)所示，隨齡期1 d至7 d變化過程中，試件GM-PZT-2中應力波電壓幅值由0.012 V逐漸增加至0.078 V，達到28 d應力波峰值(0.087 V)的89.7%，同時，應力波電壓幅值圖隨齡期增加波形更加飽滿。結合表4所示的不同養護齡期的地聚合物砂漿抗壓強度試驗結果，表明隨著養護齡期的增加，地聚合物砂漿抗壓強度逐漸增大，相應測得的電壓幅值逐步增加，應力波電壓幅值能反映地聚合物砂漿隨著養護齡期的增加，抗壓強度逐漸增大的變化過程。

圖4 時域信號圖Fig.4 Time-domain signal diagrams

2.3 小波包能量分析

Ljs=[Lj1，Lj2，Lj3，…，Ljm](s=1，2，…，m)

(2)

基于壓電阻抗方法定量考慮結構變化的均方根指數指標[17]，將信號子集Lj的能量Ej定義為：

(3)

將分解信號子集Lj的能量求和，即可得到上述定義PZT-b輸出信號L各頻帶指數對應總能量E，用來表征PZT-b輸出一次信號的能量值。即可得E的計算式：

(4)

利用小波包能量分析方法，基于MATLAB計算軟件進行數據處理分析。壓電陶瓷智能骨料監測信號幅值因不同壓電骨料存在差異，為方便數據分析，對小波包能量計算結果進行數學歸一化處理。

本文以監測試件齡期28 d能量值E(28 d)作為能量參照標準，各設計養護齡期能量值可通過式(5)計算得到，數學歸一化處理結果如表5所示。對比表4可以看出，隨齡期的增加，地聚合物砂漿強度變化過程與壓電信號幅值計算總能量具有一致性。

表5 小波包能量分析結果Table 5 Results of wavelet packet energy analysis

表6 數據擬合Table 6 Data fitting

(5)

式中:λ(t)表示設計齡期為t時對應能量值E(t)與28 d能量值E(28 d)的比值。

2.4 強度-能量值擬合函數

根據上述分析過程，基于試驗值，考慮PZT智能骨料靈敏度存在差別，監測信號具有監測偶然性偏差，首先分別對試件GM-PZT-1和GM-PZT-2監測數據進行誤差處理，處理方法為各養護齡期監測值分別減去養護齡期為1 d時的監測值得到λ*(t)，并取其平均值得到λ，地聚合物砂漿抗壓強度用同樣方法處理得到τ，然后進行τ-λ數據回歸擬合，處理后數據如表6所示，最后建立地聚合物砂漿強度-能量τ(λ)相關性函數關系，擬合關系式如式(6)所示，最大誤差δ(3.4%)不超過5%。

τ(λ)=-0.855λ2+1.274λ+0.092

(6)

(7)

3 結 論

(1)壓電陶瓷智能骨料在地聚合物砂漿介質中應力波幅值變化能夠表征地聚合物砂漿強度隨齡期的變化過程。養護齡期1～7 d變化過程中，時域信號圖中應力波電壓幅值增速較大，試件GM-PZT-1和試件 GM-PZT-2中養護齡期為7 d時的應力波電壓幅值分別達到28 d應力波幅值的79.2%和89.7%，應力波電壓波形圖隨齡期增加波形更加飽滿，應力波電壓幅值隨齡期的增長速率能夠反映出地聚合物砂漿的早期強度發展過程。

(2)小波包能量計算結果與試驗數據結果分析表明，隨齡期的增加，地聚合物砂漿強度變化過程與對應壓電信號計算總能量具有一致性。基于地聚合物砂漿抗壓強度試驗值與壓電陶瓷信號計算能量值進行數值關系回歸擬合，建立地聚合物砂漿抗壓強度-小波包壓電信號能量二次多項式：τ(λ)=-0.855λ2+1.274λ+0.092，計算值與試驗值最大誤差δ(3.4%)不超過5%。