基于压电陶瓷的早期混凝土强度试验研究

李鹏飞，徐卓君

(信阳学院，河南 信阳 464000)

1 压电陶瓷的工作原理

1.1 压电陶瓷简介

压电陶瓷具有奇异的压电效应，即当受到较小的外力时，机械能就可以转换成电能，而当施加交流电压时，电能会被转换成机械能。

压电效应意味着一旦压电元件在外部机械变形，内部正电荷和负电荷将移动，并且会有正负两种电荷分布在元件的两个表面上。外力的大小直接决定了电荷分布密度，这被称为正压电效应。通过这种效果，可以阐明压电材料将机械能转换成电能的能力。逆压电效应指压电元件在受到电压作用后，正负两种电荷移动，使元件变形。该逆压电效应，表明了压电材料具有将电能转换成机械能的能力。

基于压电陶瓷的这种特性，可将其制作成具有信号发射和接收双重功能的智能传感器材料，从而被本试验用于监测早期混凝土强度变化的传感器。

1.2 智能骨料简介

压电陶瓷材料外层用细石混凝土或者砂浆进行包裹(体积约15～25 cm3)，养护达到强度后配置传输线即可埋置在混凝土试件中发挥作用。这种材料和结构主体之间具备良好的兼容性、良好的耐久性能，并且能有效地规避与克服周围环境的干扰。因其不仅可以发挥出压电陶瓷的性能，还能起到真实骨料的作用，所以我们将这种包裹后的压电陶瓷称为智能骨料。

2 能量波动法原理

应力波传播衰减发生在各向异性的混凝土中，如由于不均匀材料产生的散射衰减；由于内部吸收的介质颗粒之间的摩擦；由于传播距离的增加从而造成扩散衰减。这些原因直接影响应力波能量。混凝土最典型的特征是分布不均匀，结构内部颗粒存在显著摩擦，从而会导致应力波出现衰减。而随着混凝土强度的增加，衰减幅度也明显下降。混凝土中应力波的传播机理如式(1)所示。

v=λf

(1)

式中：v是应力波在混凝土中的传播速度，λ是应力波的波长，f是应力波的频率。

图1描绘了应力波于2种介质交界处的反射和折射情况。其中，W1，WR，WT分别为入射波、反射波和透射波。E1，ER，ET分别是入射波、反射波和透射波的波能。能量守恒原理如式(2)所示。

图1 应力波在裂缝处的传播

E1=EH+ER+ET

(2)

式中：EH为能量损失。

如果入射波能量是固定的，则传播过程中的介质颗粒越多，应力波就容易被反射，相应的ER就会随之增加；由于EH的产生具有不可逆性，所以相应的EH将减小，因此，如果激励信号固定，在混凝土强度不断增加的同时，ET将随之减少。本本研究基于应力波能量传递理论上，通过试验研究监测，当早期混凝土强度不断增加时，弹性波能量如何变化的过程。

3 早期强度监测试验

3.1 试验概况

本试验采用NI-USB-6363监测系统，该系统可以进行多项信息的检测，如信号发射与采集、自动滤波、自动进行数据时效处理、裂隙检测和安全预警等多项工作，具有良好的试验检测性能，适用于本研究，另外便于携带，具有适用性强、可靠性好等特点。

在本试验中，利用NI-USB-6363便携式采集器(如图2)中的主动监测功能，通过压电陶瓷感知混凝土结构自身的波动反应，进而实现监测结构强度变化过程。在该系统的主动监测模块中包括压电智能材料和信号发生器以及信号采集装置、笔记本电脑等(如图3)。具体的监测信号选型及其参数如下：扫频信号：f=50 Hz～100 kHz，幅值为10 V，信号持时间10 s，信号发射与采样100 ks/s。

图2 NI-USB-6363 采集器

图3 试验监测系统

本试验试件由C50混凝土组成，并将智能骨料预埋置于混凝土试件中。试件的尺寸为600 mm×100 mm×100 mm，详细构造如图4所示。利用2块智能骨料组合成的一维列阵来分析混凝土强度变化过程，试验中采用钢丝来固定骨料。

图4 混凝土试件尺寸及传感器布置

3.2 试验方案

本次试验过程中，混凝土试件左侧智能骨料作为发射器，激励信号；右侧智能骨料作为接受器，采集信号。将试验样本分为两组，每组3个样本。一组进行预埋传感器(智能骨料)，另一组不埋置传感器，分组编号分别为I组和II组。其中，I组的试验结果，进行混凝土强度的信号幅值分析。II组试件用于标准混凝土试块强度试验，混凝土参数和养护条件同I组一样，试验结果用来作为I组的对照数据。具体的试件尺寸和传感器间距，如表1所示。

在本试验中，根据研究目的，分为两部分试验，一是进行混凝土试件的信号幅值监测试验，二是进行混凝土试件的抗压强度试验。试验所用混凝土为同批次、同规格、同条件养护。

表1 混凝土试件尺寸

4 试验监测内容

4.1 混凝土强度数据监测

由于混凝土初期的流动性，在浇筑后的2 d内无法进行标准抗压试验。第三天后，进行标准压缩试验。其余的混凝土标准立方体试块的制作、养护、强度试验及强度值计算方法均按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)规定进行。

在试验中，对第II组的混凝土试件进行抗压强度试验，依次测量计算(3 d～28 d)试件B1、B2和B3的强度值。结论是，所测试件的试验强度都符合第28 d的设计要求，可适用于本试验。

图5 试件B1混凝土强度百分率

本文选取试件B1的试验结果进行分析，根据混凝土试件的28 d强度值，计算养护龄期下混凝土试件的强度百分比，计算结果如图5所示。由图可知，混凝土在3 d(72 h)内达到设计强度的77%以上，7 d(168 h)内达到设计强度的85%以上，这与混凝土的基本强度增长规律一致，表明试验结果具有可靠性，可用作I组的对照样本。

4.2 混凝土早期强度信号幅值监测

混凝土浇筑之后，便可对I组试件进行信号监测。监测过程中要记录每个龄期下的数据结果，并统计好相应试验环境温度，为了控制试验产生的偶然误差，每个试件样本的监测数据采集50个，监测波形变化。在进行正式试验之前，所有的试验仪器应当在通电运行一段时间后再用于试验，这样可以降低仪器的检测误差。此外由于每天个时段的温度时刻在变化，因此要在同一时刻进行试验。

试验采集到28 d内的信号数据，由于篇幅限制，选取监测数据较好的样本(试件A2)从浇筑完成第一天到第28 d部分信号数据，经滤波优化处理后采集到的波形数据如图6所示。前7 d内混凝土水化热过程进展较为快速，混凝土结构内部变化无规律，对比图(a)～图(d)前7 d内的波形模糊没有规律，信号幅值变化较大。7 d后， 混凝土强度增长速率逐渐下降，对比图(e)～图(h)信号波形变化逐步趋于稳定，信号幅值变化较小。

5 结 论

(1)通过试验并结合应力波理论，验证了压电陶瓷传感器所产生的能量波在混凝土早期强度监测中的传播机理。

图6 混凝土早期强度监测波形图(竖坐标是信号幅值/V，横坐标是时间/S)

(2)监测试验中智能骨料的谐波响应幅值变化规律与混凝土早期强度变化过程保持一致。