張 明，孔艷冬，劉 揚(yáng)，殷新鋒，魯乃唯，黃 胄

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114;2.紹興市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，浙江 紹興 312000)

0 引 言

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于土木工程[1]。與整體式現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比，裝配式結(jié)構(gòu)具有運(yùn)輸方便，施工周期短，環(huán)境影響小，質(zhì)量保證容易，自復(fù)位能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而引起了人們的廣泛關(guān)注。然而，裝配式結(jié)構(gòu)的綜合性能與界面材料的質(zhì)量息息相關(guān)。由于界面處的混凝土中有一層水泥砂漿基質(zhì)，因此不如整體澆筑的混凝土密實(shí)，并且容易成為外部有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土的通道。這成為裝配式結(jié)構(gòu)抵抗不利環(huán)境影響的最薄弱環(huán)節(jié)。同時(shí)，由行駛中的車輛引起的動(dòng)態(tài)載荷、腐蝕、極端事件期間的沖擊載荷等導(dǎo)致界面處的脫粘裂紋，嚴(yán)重削弱結(jié)構(gòu)的完整性和承載能力。另一方面，納米材料可以通過混凝土材料的物理效應(yīng)顯著提高結(jié)構(gòu)的性能，使得結(jié)構(gòu)的界面損傷檢測(cè)成為非常復(fù)雜的問題。智能材料的出現(xiàn)，如壓電陶瓷材料，特別是鋯鈦酸鉛(Pb-based lanthanum-doped zirconate titanates,PZT)，通過完全集成的智能骨料(SAs)主動(dòng)傳感技術(shù)為解決這一問題提供一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的健康監(jiān)測(cè)方法[2～4]。

本文提出了一種基于應(yīng)力波傳播的嵌入式SAs主動(dòng)傳感方法來監(jiān)測(cè)裝配式混凝土梁的界面脫粘性能。分別在未含納米材料裝配式混凝土梁、含2 %濃度的納米CaCO3裝配式混凝土梁、含2 %濃度的納米TiO2裝配式混凝土梁進(jìn)行了試驗(yàn)。埋入裝配式混凝土梁中三個(gè)不同橫截面的空間位置中的SAs傳感器分別用作驅(qū)動(dòng)器和傳感器。在整個(gè)加載過程中，對(duì)脫粘引起的裂紋進(jìn)行監(jiān)測(cè)。裂紋對(duì)傳播的應(yīng)力波能量具有衰減作用，而應(yīng)力波能量可以通過接收信號(hào)在時(shí)域和小波包能量中反映出來?；谛〔ò鼡p傷指標(biāo)量化了信號(hào)能量的變化。實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了基于主動(dòng)傳感的SAs傳感器監(jiān)測(cè)含納米材料的裝配式混凝土梁界面脫粘裂紋的可行性。

1 檢測(cè)原理

基于SAs的主動(dòng)傳感方法需要至少一對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器和傳感器，放置在混凝土的表面或內(nèi)部，然后與混凝土一起形成壓電智能結(jié)構(gòu)[5]。在混凝土中嵌入了3只SAs，其中2只SA1作為驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生應(yīng)力波，該應(yīng)力波從一個(gè)混凝土構(gòu)件內(nèi)部通過界面?zhèn)鞑サ搅硪换炷翗?gòu)件，并被SA2傳感器接收并檢測(cè)波響應(yīng)。為了識(shí)別混凝土梁界面損傷狀態(tài)，進(jìn)行了周期性加載試驗(yàn)?；炷亮航缑婷撜硴p傷監(jiān)測(cè)的主動(dòng)傳感方法檢測(cè)原理如圖1所示。加載前，混凝土梁處于健康狀態(tài)時(shí)，傳感器可以接收到較強(qiáng)的應(yīng)力信號(hào)作為基本信號(hào)。隨著載荷的增加，混凝土梁開始出現(xiàn)裂縫。應(yīng)力波在混凝土傳播過程中得到反射，SAs接收到的應(yīng)力波信被衰減。隨著荷載的繼續(xù)增大，接收到的信號(hào)將隨著裂紋的數(shù)量和嚴(yán)重程度的增加而連續(xù)減小。

圖1 主動(dòng)傳感方法脫粘損傷原理

2 試驗(yàn)方法

2.1 納米材料

為了提升混凝土的性能，選用具有增韌補(bǔ)強(qiáng)的納米材料。納米CaCO3擁有提高材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量。納米TiO2可以使材料有較高的硬度、密度、以及抗老化作用。購(gòu)買商品級(jí)納米TiO2和CaCO3，其尺寸范圍為50～100 nm。含有高濃度的納米TiO2和CaCO3的混凝土，納米顆粒具有聚集的傾向，因此會(huì)出現(xiàn)更高的粒徑[6,7]。由于團(tuán)聚的傾向，降低了納米顆粒在混凝土中作為有效填料的能力。所以選擇納米材料的濃度不宜采取過高。本試驗(yàn)采用2 %濃度的納米TiO2和CaCO3，表現(xiàn)出成核和填充效應(yīng)，并且導(dǎo)致更少的多孔和更均勻的結(jié)構(gòu)。

2.2 智能骨料

SAs是通過使用環(huán)氧樹脂將帶有導(dǎo)線的PZT嵌入到兩塊大理石之間而形成的[8]。為了進(jìn)行連接，將引線的一端焊接到PZT貼片的陽極和陰極，另一端連接到BNC連接器。SAs作為一種低成本的多功能裝置，可用于混凝土結(jié)構(gòu)的綜合監(jiān)測(cè)，如混凝土裂縫檢測(cè)、混凝土水化特性監(jiān)測(cè)和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)脫粘檢測(cè)等[9,11]。制成的壓電傳感器如圖2所示。SAs的直徑為25 mm，高度為20 mm。PZT的尺寸為15 mm×10 mm×0.3 mm。

圖2 SAs和PZT

2.3 試樣制作

為了監(jiān)測(cè)混凝土梁的開裂特性，設(shè)計(jì)制作了三種不同類型的混凝土梁試件?；炷亮涸嚰?個(gè)單齒混凝土塊組成，用高強(qiáng)度環(huán)氧樹脂膠粘劑粘結(jié)拼裝形成。梁1為未添加任何納米材料的普通混凝土試件；梁2在混凝土中混入2 %濃度的納米TiO2；梁3在混凝土中混入2 %濃度的納米CaCO3。表1給出了混凝土梁試件澆筑的詳細(xì)配合比。

表1 混凝土試件的配合比 (kg/m3)

試件的的尺寸和鋼筋是相同的。梁的尺寸為600 mm×300 mm×100 mm。

圖3顯示了試件的三維模型。

圖3 混凝土梁3D模型

試件的詳細(xì)尺寸如圖4所示。

圖4 混凝土梁平面示意(單位: cm)

試驗(yàn)梁中主筋為φ14鋼筋，屈服強(qiáng)度為378 MPa，極限強(qiáng)度為556 MPa，彈性模量為200 GPa，伸長(zhǎng)率為54 %; 箍筋為φ8鋼筋，屈服強(qiáng)度為325 MPa，極限強(qiáng)度為490 MPa，彈性模量為200 GPa，伸長(zhǎng)率為23 %。鋼筋的保護(hù)層厚度為30 mm。試驗(yàn)中采用鋼絲將智能骨料固定在鋼筋上。其中SA1和SA2分別位于混凝土塊的中間。

2.4 試驗(yàn)裝置

本文使用的損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置主要包括帶有環(huán)氧樹脂膠界面的裝配式混凝土梁、SAs、反力架、負(fù)荷傳感器、螺旋千斤頂、鋼墊塊、載荷分配梁、混凝土支撐墩、固定支座、滑動(dòng)支座、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(NI—USB 6366)、帶有支持軟件的筆記本電腦，如圖5所示。

圖5 試件加載系統(tǒng)

帶有SAs的混凝土梁通過固定支座和滑動(dòng)支座安裝在混凝土支撐墩上。螺旋千斤頂產(chǎn)生的荷載通過鋼墊塊和帶有固定支座和滑動(dòng)支座的載荷分配梁傳遞到混凝土梁試樣。加載值由負(fù)荷傳感器測(cè)量。NI—USB 6366集成了信號(hào)發(fā)生器和接收器，可以使驅(qū)動(dòng)器SAs產(chǎn)生正弦波信號(hào)，傳感器SAs收集響應(yīng)信號(hào)。使用NI LabVIEW[12,13]軟件編寫支持?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)NI—USB 6366的程序，以確定輸入信號(hào)參數(shù)。掃頻正弦波信號(hào)頻率為100 Hz～150 kHz，幅值為10 V，周期為1 s，采樣頻率為1 MHz。

2.5 試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)采取單調(diào)加載靜力方法進(jìn)行。采用兩點(diǎn)方式進(jìn)行加載，集中荷載通過分配梁轉(zhuǎn)化為二個(gè)大小相等的力。采用螺旋千斤頂加載試件，在試驗(yàn)過程中用負(fù)荷傳感器控制荷載，然后轉(zhuǎn)換成加載力，對(duì)混凝土梁進(jìn)行損傷試驗(yàn)。環(huán)氧樹脂膠界面厚度為2 mm。橫向加載力由N1和N2調(diào)節(jié)。在試驗(yàn)中，SA1—1和SA1—2分別安裝在梁的左右兩側(cè)。這類骨料可被視為監(jiān)測(cè)信號(hào)發(fā)射器。而安裝在梁中間位置的S2扮演接收器的功能。

第一步，對(duì)于每一個(gè)供給點(diǎn)j，給定空間距離閾值d0，形成一個(gè)空間作用域，計(jì)算在該作用域內(nèi)每個(gè)需求點(diǎn)k的人數(shù)，利用高斯方程賦予權(quán)重并將這些加權(quán)后的人口進(jìn)行加和，可得到供給點(diǎn)j的潛在需求者數(shù).再利用供給點(diǎn)j的面積或規(guī)模除以其潛在需求者總數(shù)，計(jì)算出供需比率Rj：

在正式加載試驗(yàn)之前，為了消除試件的初始缺陷并確保各部件處于良好狀態(tài)并且加載設(shè)備和試驗(yàn)儀器能夠正常工作，進(jìn)行預(yù)加載試驗(yàn)。靜載荷試驗(yàn)從零開始，直至試件失效為止。測(cè)試中每個(gè)負(fù)載水平的增量為10 kN。試驗(yàn)加載開始前，即荷載等級(jí)為0 kN 時(shí)，利用掃頻信號(hào)分別對(duì)SAs進(jìn)行激勵(lì)并采集健康狀態(tài)下的數(shù)據(jù)。在加載過程中，每加載到一個(gè)荷載等級(jí)，則采集一次數(shù)據(jù)，同一位置進(jìn)行多次測(cè)量。每個(gè)加載階段結(jié)束后，試件都有足夠的變形時(shí)間，變形穩(wěn)定后測(cè)量數(shù)據(jù)。最后，收集信號(hào)輸入到電腦終端，利用反饋的監(jiān)測(cè)信號(hào)，進(jìn)行后期試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析，得出試驗(yàn)結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試件的加載特性

從表2中可以看出，梁2和梁3的開裂荷載和極限荷載明顯高于梁1的開裂荷載和極限荷載。梁3的開裂荷載和極限荷載高于梁2的開裂荷載和極限荷載。與梁1相比，梁2的開裂荷載和極限荷載分別增加了50 %和16.7 %。與梁1相比，梁3的開裂荷載和極限荷載分別增加了100 %和33.3 %。分析表明，通過在混凝土中添加納米材料可以改善試件的荷載特性。納米CaCO3比納米TiO2更好地改善了試件的加載特性。

表2 試驗(yàn)梁特征荷載

3.2 時(shí)域分析

為了減小本文的篇幅，時(shí)域信號(hào)分析只給出SA1—1傳感器三種典型工作狀態(tài)下的信號(hào)。在試驗(yàn)過程中，試件的三種典型工作狀態(tài):1)試樣未加載時(shí)處于完全健康狀態(tài)；2)將試樣加載到開始出現(xiàn)裂縫的狀態(tài)。3)加載試樣直到裂縫發(fā)展到破壞狀態(tài)。圖6反映了掃描后的正弦波信號(hào)對(duì)一個(gè)周期的傳感器信號(hào)的響應(yīng)。結(jié)果表明，傳感器信號(hào)的幅值隨荷載的增加而減小。原因是隨著荷載的增加，在試件的界面處會(huì)發(fā)生脫粘裂縫。脫粘裂縫引起應(yīng)力波信號(hào)的反射和衰減。通過時(shí)域分析可以確定試件的初始脫粘和破壞狀態(tài)。

圖6 梁1，梁2，梁3中SA1—1傳感器的時(shí)域信號(hào)

從圖6可以看出，梁2和梁3的幅值明顯大于梁1的幅值。梁3的幅值高于梁2的幅值。結(jié)果表明，與未含有納米材料梁的強(qiáng)度相比，含有納米材料梁的強(qiáng)度有很大的提高。含有納米CaCO3梁的強(qiáng)度高于含有納米TiO2梁。

上述分析表明，納米材料的成核和填充作用降低了混凝土內(nèi)部的孔隙率，提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而增強(qiáng)了應(yīng)力波的傳播，使信號(hào)幅值增大。在相同濃度下，納米CaCO3的成核和填充效果優(yōu)于納米TiO2。

3.3 小波包能量分析

為了量化在加載過程中檢測(cè)到的信號(hào)能量，使用小波包能量分析方法來計(jì)算信號(hào)能量。從圖7(a)中發(fā)現(xiàn)，梁2和梁3中小波包能量比梁1有較大的提高。加載前，梁2和梁3的小波包能量比梁1提升了90.75 %和229.05 %。證明了含有納米材料梁的強(qiáng)度高于未含有納米材料梁。含有納米CaCO3梁的強(qiáng)度高于含有納米TiO2梁。梁1和梁2以及梁3的界面初始脫粘裂縫分別發(fā)生在20,30,40 kN階段，導(dǎo)致傳感器接收到的能量大大降低。在發(fā)生初始脫粘裂縫階段，梁2和梁3的小波包能量梯度比梁1有較大的提升。梁2和梁3的小波包能量梯度比梁1提升了50.20 %和131.74 %。證明了含有納米材料梁的界面粘結(jié)強(qiáng)度高于未含有納米材料梁。含有納米CaCO3梁的界面粘結(jié)強(qiáng)度高于含有納米TiO2梁。同理，小波包能量圖的下降趨勢(shì)也能反映出含有納米材料梁有較好的延性破壞。上述分析表明，小波包能量具有檢測(cè)混凝土梁強(qiáng)度和初始脫粘裂縫萌生的能力。脫粘裂縫發(fā)生后，能量的衰減值會(huì)持續(xù)監(jiān)控脫粘裂縫的發(fā)展。

圖7 梁中SA1—1傳感器的能量與損傷指標(biāo)

3.4 小波包損傷指數(shù)

4 結(jié) 論

本文采用SAs傳感器誘導(dǎo)應(yīng)力波的主動(dòng)傳感方法對(duì)裝配式混凝土梁的界面脫粘性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)表明，由于納米材料的成核和填充作用，使含有納米混凝土成為波傳播的良好通道。因此嵌入的SAs誘發(fā)的應(yīng)力波對(duì)界面的脫粘條件敏感。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1)含納米材料混凝土梁的界面粘結(jié)性能顯著增強(qiáng)，并且優(yōu)于不含納米材料混凝土梁。相同濃度下，含納米CaCO3梁的界面粘結(jié)性能強(qiáng)于含納米TiO2梁。

2)試驗(yàn)結(jié)果表明，SAs傳感器接收到信號(hào)的時(shí)域幅值和小波包能量隨著脫粘裂紋損傷的發(fā)生而減小。隨著荷載的增加，脫粘裂縫誘發(fā)損傷逐漸增大。未含納米材料梁的信號(hào)幅值(小波包能量)比含納米材料梁的信號(hào)幅值(小波包能量)減小的快。相同濃度下，含納米TiO2梁的信號(hào)幅值(小波包能量)比含納米CaCO3梁減小的快。

3)分析表明，納米材料的成核和填充作用降低了混凝土內(nèi)部的孔隙率，有效改善了荷載特性，從而增強(qiáng)了應(yīng)力波的傳播，并降低了傳播過程中的能耗。在相同濃度下，納米CaCO3的成核和填充效果要優(yōu)于納米TiO2。

4)小波包理論已成功地應(yīng)用于裝配式混凝土梁界面脫粘過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。基于小波包的能量分析和損傷指數(shù)有效地解釋了裝配式混凝土梁界面脫粘過程。