基于壓電陶瓷的地聚合物砂漿強(qiáng)度發(fā)展監(jiān)測研究

胡鵬兵，陳 娟，孫 航，蔡高潔，胡現(xiàn)岳，劉謹(jǐn)寧

(長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，荊州 434023)

0 引 言

壓電陶瓷具有奇異的正逆壓電效應(yīng)，當(dāng)受到較小的外力時，機(jī)械能可以轉(zhuǎn)換成電能，當(dāng)施加交流電壓時，電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。利用正逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷既可作傳感器又可作驅(qū)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(chǎn)生應(yīng)力波[1-2]。基于壓電陶瓷傳感器應(yīng)力波分析研究普通混凝土齡期與強(qiáng)度的關(guān)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(nèi)嵌于混凝土試件，通過觀測壓電傳感器諧波幅值的發(fā)展，成功監(jiān)測到混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的發(fā)展過程。Shin等[7-8]基于阻抗法的壓電監(jiān)測技術(shù)，通過將壓電陶瓷片粘貼在試件表面監(jiān)測了混凝土早期強(qiáng)度發(fā)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(nèi)部的混凝土強(qiáng)度監(jiān)測方法。朱茜[10]利用壓電主動監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測硫鋁酸鹽水泥-硅酸鹽水泥復(fù)合水泥砂漿,結(jié)果表明，壓電主動監(jiān)測技術(shù)能夠準(zhǔn)確方便地監(jiān)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(jiān)測套筒灌漿料早期強(qiáng)度的方法。

地聚合物是一種通過堿激發(fā)硅鋁原材料而形成的無機(jī)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(yōu)勢顯著的水泥替代品[12-14]。

本文將地聚合物膠凝材料應(yīng)用于砂漿，利用壓電陶瓷主動感應(yīng)法，將時域信號圖分析和小波包能量分析相結(jié)合，開展地聚合物砂漿早期強(qiáng)度健康監(jiān)測，對于地聚合物砂漿強(qiáng)度理論體系建立和工程實(shí)踐指導(dǎo)都具有重要意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料參數(shù)

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

圖1 PZT智能骨料及構(gòu)造Fig.1 PZT smart aggregate and construction

表1 壓電陶瓷傳感器特征參數(shù)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(chǎn)的F級粉煤灰、鞏義市辰義耐材磨料有限公司生產(chǎn)的偏高嶺土、嘉善縣優(yōu)瑞耐火材料有限公司生產(chǎn)的SP38型水玻璃硅酸鈉溶液、新疆中泰化學(xué)股份有限公司生產(chǎn)的片狀NaOH固體、廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的中國ISO標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)與制作

依據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》GB/T 17671—1999[15]，本文共設(shè)計(jì)制作7組地聚合物砂漿試件，試件各組設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示，其中第1組和第2組試件分別內(nèi)置兩個壓電陶瓷智能骨料，用來監(jiān)測地聚合物砂漿強(qiáng)度發(fā)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(qiáng)度有效值作為各試件齡期對應(yīng)的抗壓強(qiáng)度。

表3 試件基本設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 Basic design parameters of specimens

1.3 監(jiān)測方法

本文采用主動感應(yīng)法，將兩個PZT智能骨料嵌入每個監(jiān)測試件，其中PZT-a作為發(fā)射端發(fā)射應(yīng)力波，PZT-b作為接收端接收穿過地聚合物砂漿試件介質(zhì)的應(yīng)力波，試件內(nèi)部構(gòu)造如圖2所示。

圖2 地聚合物砂漿內(nèi)部構(gòu)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(fā)射器、PZT智能骨料、筆記本電腦和NI LabVIEW軟件系統(tǒng)組成地聚合物砂漿監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測裝置如圖3所示。為使監(jiān)測信號具有普適性與全面性，監(jiān)測準(zhǔn)備時經(jīng)過多次調(diào)試。本文監(jiān)測系統(tǒng)中，DG1302型雙通道任意波發(fā)射器產(chǎn)生激勵給智能骨料PZT-a生成的正弦應(yīng)力波信號通過地聚合物砂漿介質(zhì)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(jiān)測系統(tǒng)裝置圖Fig.3 Device diagram of geopolymer mortar monitoring system

2 結(jié)果與討論

2.1 地聚合物砂漿抗壓強(qiáng)度

在養(yǎng)護(hù)齡期1 d、2 d、3 d、7 d和28 d，依照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》GB/T 17671—1999[15]要求，在砂漿抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行地聚合物砂漿抗壓強(qiáng)度測試，加載速率為2.5 kN/s，加載結(jié)果有效值換算為抗壓強(qiáng)度fc(t)，結(jié)果如表4所示。

為方便數(shù)據(jù)分析，將地聚合物砂漿抗壓強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)學(xué)歸一化處理。以地聚合物砂漿28 d抗壓強(qiáng)度為強(qiáng)度參照標(biāo)準(zhǔn)，各設(shè)計(jì)養(yǎng)護(hù)齡期強(qiáng)度計(jì)算指標(biāo)可根據(jù)式(1)計(jì)算得到，數(shù)學(xué)歸一化處理結(jié)果如表4所示，可以看出地聚合物砂漿在7 d已經(jīng)達(dá)到28 d強(qiáng)度的83%以上。

表4 地聚合物砂漿抗壓強(qiáng)度Table 4 Compressive strength of geopolymer mortar

(1)

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

2.2 時域信號分析

時域信號是由發(fā)射器通過正弦波作為激勵信號對發(fā)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(nèi)，試件GM-PZT-1(或GM-PZT-2)分別在養(yǎng)護(hù)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(yīng)力波幅值變化，以期表征地聚合物砂漿強(qiáng)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(yīng)力波電壓幅值由0.014 V逐漸增加至0.076 V，達(dá)到28 d應(yīng)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(yīng)力波電壓幅值由0.012 V逐漸增加至0.078 V，達(dá)到28 d應(yīng)力波峰值(0.087 V)的89.7%，同時，應(yīng)力波電壓幅值圖隨齡期增加波形更加飽滿。結(jié)合表4所示的不同養(yǎng)護(hù)齡期的地聚合物砂漿抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，表明隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，地聚合物砂漿抗壓強(qiáng)度逐漸增大，相應(yīng)測得的電壓幅值逐步增加，應(yīng)力波電壓幅值能反映地聚合物砂漿隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，抗壓強(qiáng)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(jié)構(gòu)變化的均方根指數(shù)指標(biāo)[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(shù)對應(yīng)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(jì)算式：

(4)

利用小波包能量分析方法，基于MATLAB計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。壓電陶瓷智能骨料監(jiān)測信號幅值因不同壓電骨料存在差異，為方便數(shù)據(jù)分析，對小波包能量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)歸一化處理。

本文以監(jiān)測試件齡期28 d能量值E(28 d)作為能量參照標(biāo)準(zhǔn)，各設(shè)計(jì)養(yǎng)護(hù)齡期能量值可通過式(5)計(jì)算得到，數(shù)學(xué)歸一化處理結(jié)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(qiáng)度變化過程與壓電信號幅值計(jì)算總能量具有一致性。

表5 小波包能量分析結(jié)果Table 5 Results of wavelet packet energy analysis

表6 數(shù)據(jù)擬合Table 6 Data fitting

(5)

式中:λ(t)表示設(shè)計(jì)齡期為t時對應(yīng)能量值E(t)與28 d能量值E(28 d)的比值。

2.4 強(qiáng)度-能量值擬合函數(shù)

根據(jù)上述分析過程，基于試驗(yàn)值，考慮PZT智能骨料靈敏度存在差別，監(jiān)測信號具有監(jiān)測偶然性偏差，首先分別對試件GM-PZT-1和GM-PZT-2監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差處理，處理方法為各養(yǎng)護(hù)齡期監(jiān)測值分別減去養(yǎng)護(hù)齡期為1 d時的監(jiān)測值得到λ*(t)，并取其平均值得到λ，地聚合物砂漿抗壓強(qiáng)度用同樣方法處理得到τ，然后進(jìn)行τ-λ數(shù)據(jù)回歸擬合，處理后數(shù)據(jù)如表6所示，最后建立地聚合物砂漿強(qiáng)度-能量τ(λ)相關(guān)性函數(shù)關(guān)系，擬合關(guān)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(jié) 論

(1)壓電陶瓷智能骨料在地聚合物砂漿介質(zhì)中應(yīng)力波幅值變化能夠表征地聚合物砂漿強(qiáng)度隨齡期的變化過程。養(yǎng)護(hù)齡期1～7 d變化過程中，時域信號圖中應(yīng)力波電壓幅值增速較大，試件GM-PZT-1和試件 GM-PZT-2中養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時的應(yīng)力波電壓幅值分別達(dá)到28 d應(yīng)力波幅值的79.2%和89.7%，應(yīng)力波電壓波形圖隨齡期增加波形更加飽滿，應(yīng)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(qiáng)度發(fā)展過程。

(2)小波包能量計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析表明，隨齡期的增加，地聚合物砂漿強(qiáng)度變化過程與對應(yīng)壓電信號計(jì)算總能量具有一致性。基于地聚合物砂漿抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值與壓電陶瓷信號計(jì)算能量值進(jìn)行數(shù)值關(guān)系回歸擬合，建立地聚合物砂漿抗壓強(qiáng)度-小波包壓電信號能量二次多項(xiàng)式：τ(λ)=-0.855λ2+1.274λ+0.092，計(jì)算值與試驗(yàn)值最大誤差δ(3.4%)不超過5%。