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(fā)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(jiān)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(yǎng)護達到強度后配置傳輸線即可埋置在混凝土試件中發(fā)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(guī)避與克服周圍環(huán)境的干擾。因其不僅可以發(fā)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(fā)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?；炷磷畹湫偷奶卣魇欠植疾痪鶆?，結構內部顆粒存在顯著摩擦，從而會導致應力波出現(xiàn)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(jiān)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(jiān)測試驗

3.1 試驗概況

本試驗采用NI-USB-6363監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以進行多項信息的檢測，如信號發(fā)射與采集、自動濾波、自動進行數(shù)據(jù)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(jiān)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(xiàn)監(jiān)測結構強度變化過程。在該系統(tǒng)的主動監(jiān)測模塊中包括壓電智能材料和信號發(fā)生器以及信號采集裝置、筆記本電腦等(如圖3)。具體的監(jiān)測信號選型及其參數(shù)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(fā)射與采樣100 ks/s。

圖2 NI-USB-6363 采集器

圖3 試驗監(jiān)測系統(tǒng)

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(fā)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(shù)和養(yǎng)護條件同I組一樣，試驗結果用來作為I組的對照數(shù)據(jù)。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(jù)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(jiān)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(guī)格、同條件養(yǎng)護。

表1 混凝土試件尺寸

4 試驗監(jiān)測內容

4.1 混凝土強度數(shù)據(jù)監(jiān)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(yǎng)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(guī)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(jù)混凝土試件的28 d強度值，計算養(yǎng)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(guī)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(jiān)測

混凝土澆筑之后，便可對I組試件進行信號監(jiān)測。監(jiān)測過程中要記錄每個齡期下的數(shù)據(jù)結果，并統(tǒng)計好相應試驗環(huán)境溫度，為了控制試驗產生的偶然誤差，每個試件樣本的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集50個，監(jiān)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(shù)據(jù)，由于篇幅限制，選取監(jiān)測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，經濾波優(yōu)化處理后采集到的波形數(shù)據(jù)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(guī)律，對比圖(a)～圖(d)前7 d內的波形模糊沒有規(guī)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(wěn)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(jiān)測中的傳播機理。

圖6 混凝土早期強度監(jiān)測波形圖(豎坐標是信號幅值/V，橫坐標是時間/S)

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