基于壓電傳感器的纖維陶?；炷羶鋈趽p傷檢測(cè)

江子航, 翟荃, 張繼承*, 杜國鋒

(1.長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院, 荊州 434023; 2.中建三局第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司, 武漢 430040)

纖維陶?；炷潦且环N新型建筑材料[1],陶?；炷辆哂休p質(zhì)的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)纖維的加入,使陶?；炷恋目估阅芎脱有砸驳玫搅溯^大提升,在工程界中的應(yīng)用越來越廣泛。然而纖維陶?；炷猎谥袊鞅焙蜄|北地區(qū)服役過程中易受到低溫凍融的危害,直接影響到結(jié)構(gòu)的安全性[2-4],因此,采取一種無損檢測(cè)的方法來檢測(cè)纖維陶粒混凝土凍融程度具有重要意義。

到目前為止,結(jié)構(gòu)損傷的檢測(cè)方法常見有聲發(fā)射法、X射線法和紅外熱成像等[5-7],這些方法可以反映結(jié)構(gòu)的局部損傷,但都需要昂貴的費(fèi)用和復(fù)雜的算法程序,難以進(jìn)行實(shí)時(shí)和無損檢測(cè)。壓電陶瓷傳感器作為智能材料的一種,以其低成本和響應(yīng)速度快等特點(diǎn),被廣泛地應(yīng)用在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中[8-11]。蔣田勇等[12]基于壓電智能骨料對(duì)型鋼-混凝土結(jié)構(gòu)界面損傷進(jìn)行監(jiān)測(cè),試驗(yàn)結(jié)果證明了基于壓電陶瓷的主動(dòng)傳感監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)型鋼-混凝土結(jié)構(gòu)界面損傷狀況的可行性;劉孝禹等[13]利用壓電陶瓷傳感器,對(duì)玻璃纖維(glassfibre reinforced plastics,GFRP)管約束碳纖維混凝土組合柱的損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),試驗(yàn)表明該方法對(duì)纖維增強(qiáng)混凝土柱的損傷能進(jìn)行較準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);孫威等[14]使用壓電陶瓷傳感器對(duì)動(dòng)力荷載作用下的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)裂縫損傷全過程進(jìn)行監(jiān)測(cè);Zhai等[15]基于壓電陶瓷傳感器,使用主動(dòng)傳感法對(duì)十字形鋼管混凝土柱內(nèi)部核心混凝土進(jìn)行損傷監(jiān)測(cè)。學(xué)者們基于壓電陶瓷傳感器對(duì)混凝土在不同工況下的服役過程進(jìn)行損傷檢測(cè),但對(duì)混凝土在凍融循環(huán)工況下的損傷檢測(cè)研究較少。

現(xiàn)基于壓電陶瓷傳感器對(duì)纖維陶?；炷猎趦鋈谘h(huán)下的損傷檢測(cè)進(jìn)行可行性研究,在纖維陶?；炷猎嚰蓚?cè)裝貼壓電傳感器進(jìn)行損傷檢測(cè),將一個(gè)壓電傳感器作為發(fā)射器發(fā)射應(yīng)力波信號(hào)在纖維陶?；炷猎嚰袀鞑?另一個(gè)傳感器作為接收器接收通過纖維陶粒混凝土試件的應(yīng)力波信號(hào)。當(dāng)纖維陶?；炷猎嚰鋈诖螖?shù)增加時(shí),其內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展對(duì)應(yīng)力波信號(hào)的傳播產(chǎn)生衰減,同時(shí)試件相對(duì)動(dòng)彈模量和抗彎強(qiáng)度下降?；趹?yīng)力波衰減,使用小波包分析法得到凍融損傷指數(shù),與混凝土凍融損傷程度和抗彎強(qiáng)度損失率進(jìn)行對(duì)比和擬合,證明了該方法檢測(cè)纖維陶?；炷猎嚰鋈趽p傷的可行性。

1 試驗(yàn)原理

1.1 壓電波動(dòng)法

本次試驗(yàn)采用壓電波動(dòng)法來檢測(cè)纖維陶?；炷羶鋈谘h(huán)的損傷狀況,PZT1傳感器經(jīng)過電信號(hào)激勵(lì)產(chǎn)生應(yīng)力波,應(yīng)力波在混凝土試件中傳播,由PZT2接收。當(dāng)混凝土試件表面或者內(nèi)部出現(xiàn)裂縫或者孔洞時(shí),應(yīng)力波在其內(nèi)部傳播能量會(huì)有損耗,導(dǎo)致PZT2接收到的信號(hào)幅值減小,壓電波動(dòng)法檢測(cè)纖維陶?；炷羶鋈谘h(huán)的損傷原理如圖1所示。

圖1 混凝土損傷檢測(cè)原理Fig.1 Principle of concrete damage detection

1.2 小波包能量分析原理

為了將初始信號(hào)進(jìn)行量化分析,采用小波包分解對(duì)初始信號(hào)進(jìn)行分析,得到該信號(hào)的小波包能量的峰值大小。小波包分析法的信號(hào)處理步驟如下。

將PZT2采集到初始信號(hào)S用n級(jí)小波包分解為2n個(gè)小波包信號(hào)集,即

S=S1+S2+…+Si+…+S2n

(1)

式(1)中:Si為分解信號(hào);i為頻帶指數(shù)(i= 1,2,…,2n)。Si可表示為

Si=[Si,1,Si,2,…,Si,m]

(2)

式(2)中:m為采樣數(shù)據(jù)的數(shù)量。

Si的能量Ei定義為

(3)

在時(shí)刻j,信號(hào)的能量向量可以表示為

Ej,i=[Ej,1,Ej,2,…,Ej,2n]

(4)

為更加直觀地觀察不同凍融次數(shù)后的纖維陶粒混凝土的損傷程度,基于小波包分析法,將計(jì)算得到的小波包能量數(shù)值,使用均方根偏差法得到基于纖維陶?；炷两】禒顟B(tài)下的損傷程度,稱為損傷指數(shù)(DI),其公式為

(5)

式(5)中:Ek,i為纖維陶?；炷两】禒顟B(tài)下的能量向量;Ej,i為纖維陶?；炷恋趈時(shí)刻第i個(gè)頻帶指數(shù)處的信號(hào)能量向量。

由式(5)可以看出,當(dāng)DI=0時(shí),說明纖維陶粒混凝土處于健康狀態(tài);當(dāng)DI=1時(shí),可以判斷纖維陶?；炷撂幱谄茐臓顟B(tài)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用華新牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥制備纖維陶?；炷?粉煤灰為Ⅱ級(jí),細(xì)骨料為細(xì)度模量2.36的干燥河砂,粗骨料為粒徑5～10 mm的球形陶粒,減水劑采用減水率30%的高效減水劑。聚丙烯纖維 (polypropylene fiber, PF) 直徑31 μm,楊氏模量3.5 GPa。玄武巖纖維(basalt fiber, BF)直徑17.4 μm,楊氏模量2.5 GPa。本次試驗(yàn)制備的所有試件體積配合比相同,水泥∶粉煤灰∶河砂∶陶粒∶水∶減水劑=1∶0.32∶1.94∶1.22∶0.48∶0.02。為確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,每個(gè)凍融次數(shù)下設(shè)置3個(gè)相同試塊,制成45個(gè)纖維陶?；炷猎嚰?尺寸為100 mm×100 mm×400 mm,試件編號(hào)及纖維摻入比例如表1所示。

表1 試件編號(hào)Table 1 Specimen number

對(duì)其進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn),試驗(yàn)設(shè)計(jì)的凍融循環(huán)次數(shù)為0、50、100、150、200,圖2展示了3種纖維陶?；炷猎?次和200次下試件的外觀變化,可以看出混凝土試件在經(jīng)歷凍融循環(huán)后試件表面有水泥砂漿和陶粒粗骨料損傷脫落。對(duì)每個(gè)試件在不同凍融次數(shù)下進(jìn)行壓電損傷檢測(cè),壓電損傷檢測(cè)使用的壓電材料是鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PZT-5H),其主要性能參數(shù)如表2所示,其外觀形狀如圖3所示。

表2 PZT-5H性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of the PZT-5H

圖2 凍融次數(shù)為0和200時(shí)纖維陶?；炷猎嚰﨔ig.2 Fiber ceramsite concrete specimens with freeze-thaw times of 0 and 200

圖3 壓電陶瓷傳感器Fig.3 Piezoelectric ceramic sensor

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)如圖4所示。在正式試驗(yàn)前,對(duì)信號(hào)發(fā)射器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)試,選取了最優(yōu)信號(hào)頻段進(jìn)行驅(qū)動(dòng),選取生成應(yīng)力波信號(hào)的起始頻率和終止頻率分別為100 Hz和100 kHz,周期為1 s,電壓幅值為10 V。

圖4 試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)Fig.4 Test detection system

3 結(jié)果分析

3.1 相對(duì)動(dòng)彈模量

纖維陶?；炷恋膬鋈谘h(huán)損傷過程,是混凝土自由水在溫度變化下結(jié)冰和融化,使混凝土內(nèi)部裂縫產(chǎn)生與發(fā)展,纖維在一定程度上阻止裂縫的發(fā)展,當(dāng)達(dá)到纖維承受限值,纖維陶?；炷猎嚰茐??；炷料鄬?duì)動(dòng)彈模量是反映混凝土內(nèi)部損傷的指標(biāo)之一,使用纖維陶?；炷料鄬?duì)動(dòng)彈模量來評(píng)價(jià)纖維陶粒混凝土的損傷程度,根據(jù)損傷力學(xué)理論知識(shí),損傷程度D可以定義為

(6)

式(6)中:E(N)為凍融循環(huán)n次后纖維陶?；炷恋膭?dòng)彈模量;E(0)為未經(jīng)過凍融循環(huán)的纖維陶?；炷恋膭?dòng)彈模量;En為凍融循環(huán)n次后纖維陶?；炷恋南鄬?duì)動(dòng)彈模量,%;D為纖維陶?；炷恋膬鋈趽p傷程度。

三組纖維陶粒混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量和損傷程度變化如圖5所示,隨著凍融次數(shù)增加,三組試件的相對(duì)動(dòng)彈模量呈下降趨勢(shì),同時(shí)損傷程度D增大。其中在凍融150次前,P1.2相較于B1相對(duì)動(dòng)彈模量下降更緩慢,這是由于PF是低彈性模量纖維,能夠更好地抑制混凝土基體中微裂紋的形成和發(fā)展,從而改善混凝土的抗凍性。經(jīng)過200次凍融后,P1.2相對(duì)動(dòng)彈模量下降曲率增大,凍融損傷程度開始高于B1,這是由于在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后,微裂紋逐漸擴(kuò)大導(dǎo)致PF達(dá)到抗拉強(qiáng)度限值,同時(shí)BF彈性模量高,能夠有效抑制裂縫的發(fā)展。P1.2B1相較于兩種纖維單摻試件來說損傷程度最低,原因是此時(shí)纖維混摻比例適當(dāng),既能保證纖維分散不“結(jié)團(tuán)”,又能發(fā)揮出纖維延緩混凝土內(nèi)部損傷的作用。3組試件的損傷程度表明,兩種纖維混摻比例適當(dāng)時(shí),能夠顯著提高陶粒混凝土的抗凍性能。

圖5 纖維陶?；炷羶鋈谘h(huán)評(píng)價(jià)指標(biāo)Fig.5 Evaluation index of freeze-thaw cycle of fiber ceramsite concrete

3.2 抗彎強(qiáng)度損失率

試件進(jìn)行動(dòng)彈模量和壓電傳感試驗(yàn)后,對(duì)試件進(jìn)行抗彎強(qiáng)度試驗(yàn),圖6為3組試件不同凍融次數(shù)下的抗彎強(qiáng)度損失率柱狀圖。凍融次數(shù)從0增加到200次,3組試件的抗彎強(qiáng)度在不斷下降,這是由于在凍融循環(huán)過程中,試件中的自由水在溫度變化下結(jié)冰和融化,這個(gè)過程隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加周而復(fù)始,使試件內(nèi)部產(chǎn)生靜水壓力和滲透壓力,導(dǎo)致試件內(nèi)部不斷有裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。在凍融次數(shù)達(dá)到200次時(shí),B1抗彎強(qiáng)度損失率小于P1.2,結(jié)果顯示玄武巖纖維比聚丙烯纖維更有利于提高陶?；炷恋目箖鲂?混摻聚丙烯和玄武巖纖維的抗彎強(qiáng)度損失率要小于兩種纖維單摻,表明在這兩種纖維混摻比例下,陶粒混凝土的抗凍性能有明顯提升。

圖6 纖維陶?；炷量箯潖?qiáng)度損失率Fig.6 Loss rate of flexural strength of fiber ceramide concrete

3.3 壓電信號(hào)分析

通過對(duì)試件進(jìn)行壓電損傷檢測(cè),得到不同凍融次數(shù)下纖維陶粒混凝土試件表面智能骨料接收到的應(yīng)力波,如圖7所示,隨著凍融次數(shù)增加,3種混凝土試件電壓幅值逐漸減小,表明3種試件在進(jìn)行凍融循環(huán)后,其內(nèi)部混凝土裂縫發(fā)展和孔洞產(chǎn)生導(dǎo)致應(yīng)力波在混凝土傳播過程中能量損耗增加,采集到的信號(hào)幅值減小。當(dāng)凍融循環(huán)進(jìn)行到200次,接收器采集到信號(hào)基本為白噪聲,幾乎觀察不到電壓幅值,表明在200次凍融試驗(yàn)下,纖維陶?；炷羶?nèi)部損傷嚴(yán)重,作為發(fā)射器的壓電陶瓷發(fā)射出的應(yīng)力波在混凝土傳播中能量損耗過大,作為接收器的壓電陶瓷難以接收到信號(hào)。此外,對(duì)比3種試件在不同凍融次數(shù)下的壓電信號(hào),應(yīng)力波信號(hào)變化趨勢(shì)相同,但每種試件接收到的應(yīng)力波信號(hào)都有獨(dú)有的特征,原因是內(nèi)部摻入的纖維不同導(dǎo)致混凝土的致密性不同。對(duì)比3種試件在凍融0次下的信號(hào)圖,P1.2B1的電壓幅值要顯著高于P1.2和B1,這表明混摻纖維陶?；炷恋闹旅苄砸獌?yōu)于兩種單摻纖維的試件,使得應(yīng)力波在傳遞過程中能量損耗小,因此通過電壓信號(hào)幅值的變化可以用來初步定性分析纖維陶粒混凝土在凍融后的損傷程度。

圖7 不同凍融次數(shù)下壓電信號(hào)變化Fig.7 Changes of voltage signal under different freeze-thaw times

3.4 小波包能量分析

為定量評(píng)估試件凍融后的損傷程度,通過初始信號(hào)基于小波包分析法得到小波包能量數(shù)值,再計(jì)算得到損傷指數(shù)DI來進(jìn)行定量分析,同時(shí)將DI和抗彎強(qiáng)度損傷率LB進(jìn)行對(duì)比,分析兩者數(shù)據(jù)對(duì)纖維陶?；炷猎嚰p傷評(píng)估的一致性,從而驗(yàn)證本文使用壓電主動(dòng)法檢測(cè)纖維陶?；炷羶鋈趽p傷的可行性,圖8為3種試件在不同凍融次數(shù)下的小波包能量圖和DI-LB圖。

圖8 纖維陶粒混凝土的小波包能量和DI-LB圖Fig.8 Wavelet packet energy and DI-LB diagram of fiber ceramide concrete

分析3種試件的小波包能量圖,P1.2和B1試件在凍融次數(shù)為0時(shí),兩者小波包能量在80左右,P1.2B1的小波包能量接近100,表明P1.2B1試件內(nèi)部密實(shí)性更好,減少了應(yīng)力波在試件內(nèi)部傳播過程中的損耗。3種試件的凍融次數(shù)從0增加到200次,混凝土內(nèi)部水反復(fù)結(jié)冰與融化,導(dǎo)致3種混凝土試件內(nèi)部不斷有裂縫產(chǎn)生和發(fā)展,使得3種試件的損傷隨著凍融次數(shù)的增加而增加,應(yīng)力波在試件內(nèi)部傳播能量損耗增加,3種纖維陶粒混凝土試件的小波包能量從90左右下降到30左右,且小波包能量下降速率平緩,可以看出凍融循環(huán)對(duì)3種混凝土試件的損傷在慢慢累積,這與試件的相對(duì)動(dòng)彈模量下降趨勢(shì)相同。對(duì)比3種試件的DI和LB,隨著凍融次數(shù)增加,DI從0增加到凍融次數(shù)為200次時(shí)的0.6,與LB以及前文所述的損傷程度D的變化趨勢(shì)相同,表明DI可以定量評(píng)估試件的損傷程度。

3.5 D-DI和LB-DI的相關(guān)性

為進(jìn)一步驗(yàn)證基于壓電智能骨料測(cè)得信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到的DI與纖維陶粒混凝土凍融后D以及LB的相關(guān)性,將DI與D和DI與LB進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,得到DI-D和DI-LB的擬合公式為

(7)

(8)

式中:Dn為纖維陶?；炷羶鋈谘h(huán)為n次的損傷程度;DIn為纖維陶?；炷羶鋈谘h(huán)為n次的損傷指數(shù);LBn為纖維陶?；炷羶鋈谘h(huán)為n次的抗彎強(qiáng)度損失率。

根據(jù)擬合式(7)和式(8)對(duì)本文測(cè)試的3種試件進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖9和圖10,可以看出纖維陶?；炷羶鋈趽p傷指數(shù)DI的試驗(yàn)值與計(jì)算值吻合較好,DI-D相關(guān)系數(shù)達(dá)到97.33%,DI-LB相關(guān)系數(shù)達(dá)到96.29%。

圖9 基于D的損傷指數(shù)DI對(duì)比Fig.9 Comparison of damage index DI based on D

圖10 基于LB的損傷指數(shù)DI對(duì)比Fig.10 Comparison of damage index DI based on LB

4 結(jié)論

(1)基于壓電陶瓷傳感器的主動(dòng)傳感法對(duì)3種纖維陶?；炷猎诓煌瑑鋈谘h(huán)次數(shù)下的損傷進(jìn)行檢測(cè),試驗(yàn)結(jié)果表明,時(shí)域信號(hào)圖的幅值變化,可以定性地描述試件凍融損傷過程。

(2)隨著凍融次數(shù)增加,試件的動(dòng)彈模量和抗彎強(qiáng)度減小,試驗(yàn)結(jié)果表明,P1.2B1動(dòng)彈模量下降速率和抗彎強(qiáng)度損失率最低。此外,通過觀察試件的應(yīng)力波信號(hào)可以看出,P1.2B1信號(hào)幅值顯著高于P1.2和B1,表明P1.2B1的致密性最優(yōu)。

(3)通過對(duì)應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行小波包數(shù)據(jù)分解計(jì)算得到DI,將凍融次數(shù)-DI柱狀圖和凍融次數(shù)-LB折線圖進(jìn)行對(duì)比,說明DI能很好地反映試件凍融損傷的發(fā)展趨勢(shì),并能定量描述試件凍融損傷破壞過程。

(4)將時(shí)域信號(hào)圖得到的損傷指數(shù)與相對(duì)動(dòng)彈模量得到的損傷程度和抗彎試驗(yàn)后的抗彎強(qiáng)度損失率進(jìn)行相關(guān)性擬合分析,擬合相關(guān)性較高,表明基于壓電陶瓷的主動(dòng)傳感法檢測(cè)混凝土試件凍融損傷是一種可行性較高的方法。