埋入式低弹模混凝土应变传感器的研究

杨　杨，蔡　阳，江晨晖，倪彤元

(1.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014；2.浙江省工程结构与防灾减灾技术研究重点实验室，浙江 杭州 310014；

3.浙江工业大学 材料科学与工程学院，浙江 杭州 310014；4.浙江建设职业技术学院，浙江 杭州 311231)



埋入式低弹模混凝土应变传感器的研究

杨杨1,2，蔡阳1，江晨晖3,4，倪彤元1,2

(1.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014；2.浙江省工程结构与防灾减灾技术研究重点实验室，浙江 杭州 310014；

3.浙江工业大学 材料科学与工程学院，浙江 杭州 310014；4.浙江建设职业技术学院，浙江 杭州 311231)

摘要：准确监测混凝土变形是评价混凝土材料性能、结构服役能力和健康状态的重要前提，但现有方法通常只能适用于硬化混凝土材料及其结构，不适用于自早龄期开始的全寿命检测.为了克服这一缺点，开发了一种弹性模量小于35 MPa的低弹模埋入式应变传感器(ESS)，ESS可于混凝土结构浇筑时埋入其内部，自早龄期开始实现对变形的实时监测.同时，ESS也可置于各种结构表面进行变形监测.对比试验结果表明：采用ESS对混凝土试件变形监测所得结果与采用其他方法所得结果具有较好的一致性.

关键词：低弹性模量；埋入型应变传感器；混凝土；变形；早龄期

各种因素引起的变形是反映土木工程材料基本性质和构件、结构服役性能的重要指标之一，因此必须加以精确测量[1-2].有关测量方法和仪器设备的研究历来受到重视.目前应用较多的(微小)变形测量仪器分为接触式位移计[3]和非接触式位移计两大类，接触式位移计使用较为普遍，其安装使用方法简单、价格低廉，但不适用于物性尚未发展健全、强度极低、表面潮湿的被测体(如刚浇筑的混凝土、刚压实的土体等)，且安装位置受到限制，难以实现结构实体变形的长期监测.诸如激光位移计[4]、电容位移计和涡电流位移计[5]等新型非接触式位移计的出现提高了变形测量的精度和自动化程度，但由于设备精密、使用成本高及对测量环境要求严格等不足之处而不能同批次大量采用，更难以被推广.更重要的是，这两类变形测量仪器均安装于被测体外部，其经历的温度条件不同于被测体的温度履历，所获得的变形测量结果需加以修正，而这类修正往往较为复杂，精度也不易满足.

为了弥补既有变形测量仪器存在的上述缺点和不足，本研究开发了一种可埋入式应变传感器(简作ESS).该ESS具有低弹性模量，当安置于待测体(如混凝土、砂浆、水泥浆和土壤等)内部时，可以同步感受待测体自成型之后的变形.ESS可用于微变形的长期监测，且能同步准确反映待测体内部的温度变化，便于进行温度校正.笔者就设计思路、材料选用、加工装配、标定方法和使用方法等五个基本方面就ESS的开发研制进行阐述，所设计的ESS可实现自浇筑完毕开始对混凝土结构任意位置变形的全寿命在线实时监测.

1ESS的设计原理与构成

所研制的ESS采用弹性元件的形变来感受待测体的变形，即利用弹性元件良好的变形感受能力，将待测体的变形量转化为弹性元件的变形，再利用电阻应变测量原理将弹性元件的物理变形量转化成对应的电阻变化量，通过变换装置转成电信号，最后在输出装置上显示应变数据.通过大量试验数据分析，可以建立待测体变形和输出数据(应变)之间的标定关系式，由此关系式即可由ESS的测量结果反演待测体的实际变形.

ESS的测量原理如图1所示，弹性元件采用双Ω形弹簧钢片，中间水平段较两端水平部分稍低(图2中的元件7).当弹簧钢片两端受到轴向压(拉)力作用时，中间水平部分除了受到压(拉)力作用外，还会因偏心产生弯曲变形.换言之，双Ω形弹簧钢片能够在一定的程度上放大端部作用力产生的变形.

图1　埋入型应变传感器的测量原理Fig.1　The measuring principle of ESS

ESS的构造如图2所示.当该传感器埋入被测体预设位置后，被测体发生与传感器轴向平行的变形时，传感器即受到轴向外力作用.这一轴向外力将使传感器上可动承台发生移动(变形)，这一变形将传递至弹簧钢片，粘贴在其上的应变片即可采集到应变数据.同时，铜套管右端设置的低弹性模量的联轴器作为过渡连接器件(或称变形补偿器件)，用于将ESS外部的变形传递到其内部的弹性元件之上.

1—端部法兰；2—联轴器；3—可动承台；4—铜管；5—橡胶套管；6—固定承台；7—双Ω形弹簧钢片；8—电阻应变片；9—应变片引出线(外连屏蔽线)；10—热电偶导线图2　ESS的基本构造Fig.2　Basic structure of ESS

2ESS的制作

除弹簧钢片是采用不锈钢经热处理外，ESS的其他部件均采用铜质材料制作.弹簧钢片在ESS两端的承台上的固定通过内六角螺钉和弹簧垫片完成.

考虑到ESS的长期有效性和可能遭遇的高、低温环境，粘贴应变片采用的粘结剂既有足够的粘结强度，同时还具有高耐久性和耐高、低温性[6].

电阻应变片沿轴向粘贴于弹簧钢片的中间位置，以使ESS具有更好的测量敏感性.同时为了提高测量精度和有效地进行温度补偿，应变片采用四片式全桥接法[7].热电偶置于固定承台内腔中，测量铜质零件从与混凝土接触处传来的温度.

将联轴器插入铜管右端，并通过焊接固定二者.联轴器的右端通过沉头螺钉与传感器右端的可动承台加以固定.然后从可动承台右端旋入端部法兰，法兰与联轴器接触处施以焊接.最后利用橡胶热缩管套在铜套管外表面，用热风枪加热使之收缩形成包覆层.组装过程中，应避免弹簧钢片发生变形，使其处于自由状态(无拉力或压力作用).

装配完成后的ESS如图3所示.

图3　装配完成后的埋入型应变传感器Fig.3　Photographs of ESS

3ESS的基本性能参数

3.1ESS的变形关系标定

通过试验获得ESS整体轴向变形(简称为外部变形)与弹簧钢片弯曲变形(简称为内部变形)之间的定量关系，即变形关系的标定是一项最重要的基本工作之一.本研究自行设计了图4所示的标定装置进行试验.

如图4所示，ESS的外部变形通过设置于其活动端的位移传感器6进行测量.ESS和位移传感器的安装位置如图4所示.ESS两端分别固定在标定装置左端固定支座3和中间可动支座5上，位移传感器则固定在标定装置右端固定支座7上.ESS、位移传感器均接入数据采集仪以获得内、外部变形(应变值).逆时针方向旋动内螺母9，通过固定螺杆8的位移传递作用，中间可动支座向左移动而压缩ESS.通过分析所采集的数据可获得压缩状态下内、外部变形关系.反之，顺时针方向旋动外螺母10，中间可动支座向右移动而拉伸ESS，从而可获得拉伸状态下内、外部变形关系.正式标定前，应对ESS实施预拉、压数次.试验在恒温环境中进行.

1—热电偶导线；2—数据采集线；3—左端固定支座；4—ESS；5—中间可动支座；6—位移传感器；7—右端固定支座；8—固定螺杆；9—外螺母；10—内螺母；11—滑块；12—导杆；13—底板图4　用于ESS的标定装置Fig.4　Calibration device for ESS

ESS标定结果如图5所示.可以发现：在本研究的试验范围内，无论是受压还是受拉状态，ESS的内部应变随外部应变的增大(减小)均表现出一致的线性增大(减小)的特征.数据拟合结果表明：当ESS受压时，其内部应变为其外部应变的0.798倍；类似地，在受拉状态下，ESS的内部应变与外部应变之间同样存在完好线性关系，且内部应变为外部应变的0.867倍.

图5　埋入型应变传感器的内、外部应变之间的关系Fig.5　Relationship between internal and external strain

因此，采用ESS间接地测量轴向拉伸或压缩变形时，其内部变形和外部变形均表现出良好的线性关系，且两者的标定系数的偏差率为

较小，可以近似认为两者一致，标定系数均取0.833(两者的平均值)，即

εint=0.833εext

(1)

式中εint，εext分别为ESS的内、外部应变.

实际应用时，由ESS采集的内部应变代入式(1)即可计算相应的外部变形(即对应ESS埋设部位的混凝土在ESS轴向发生的变形).

3.2ESS的弹性模量

ESS的弹性模量采用量程为10 kN的双立柱式电液伺服试验机测定，弹性模量测试开始测定前先进行3次预加载.试验中位移加载速度设置为0.001 mm/s，预定加载最大位移设为0.250 mm.ESS的轴向应力(轴向压力)随轴向应变(轴向位移)的变化规律如图6所示.

图6　ESS拉伸弹性模量试验结果Fig.6　Testing results of elastic modulus of ESS

计算弹性模量时，为了消除由于加载初期冲击力的影响，拟合基线起点设为应变值50×10-6，从图6中的拟合曲线可以明显看出，ESS的压缩弹性模量(E)约为35.02 MPa.

采用类似的方法可以测定ESS的拉伸弹性模量，测定结果与压缩弹性模量基本一致.

上述ESS的弹性模量值不仅远低于成熟混凝土弹性模量，与凝结硬化初期混凝土的弹性模量相比也低得多[8-9].因此，可以认为ESS对早龄期混凝土的变形具有良好的感应能力，能克服现有接触式测量仪器存在的问题.需要说明的是，由于零配件加工、装配及试验操作等方面的误差，ESS的上述标定测试结果存在一定的个体差异.因此为了提高测量精度，每个ESS须进行单独标定.

3.3ESS的温度特性

将安装好的ESS置于稳态环境中，连接上数据采集仪，待其数据稳定后(避免零漂的影响)记录初始读数，用热风枪较远距离(减少风压产生的影响)环绕着ESS均匀加热，观察数据采集仪所显示的温度值，当ESS的温度即将上升至预定温度时停止加热，记录下ESS的内部应变随温度变化的数据，可得到如图7所示内部应变与温度变化之间的关系.

由图7可看出：在本试验温度范围内，ESS的内部应变随温度变化也表现出良好的线性关系.数据拟合结果表明，温度每变化1 ℃，则ESS的内部应变相应地发生1.549×10-6变化.因此，实际应用中，在温度变化范围不大的场合可以近似忽略温度变化对ESS测量结果的影响.

图7　ESS的温度特性Fig.7　Testing of temperature change behavior of the ESS

4ESS测量的验证结果

为了验证ESS的测量效果，以混凝土因非荷载因素导致的早期变形(主要表现为自收缩)为测量对象，采用在内部埋设ESS和国内外研究者常用的外部设置位移传感器的“外测法”对混凝土的自由变形进行同步测量[10].

该试验所采用混凝土的配合比如下：强度等级为52.5的硅酸盐水泥515 kg/m3；拌合水154.5 kg/m3；普通河砂718 kg/m3；5～16 mm的碎石1 032 kg/m3；高效减水剂7.21 kg/m3.该混凝土的坍落扩展度为610 mm；强度等级为C60.

采用的混凝土试件为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体.试验前按前述方法对ESS进行标定测试，获得基本性能参数.

如图8(a)所示，设置ESS时，为了确保其轴向与试模的长边平行且位于试模的中心位置，防止混凝土浇注入模时ESS的位置发生变化，采用细铁丝绑扎ESS两端，并固定在试模上.细铁丝不可绑扎过紧，且绑扎位置不能在联轴器缝隙处.混凝土浇筑时，应分上下两层进行，浇筑ESS所在位置时，应避免损伤ESS.试件表面抹平整形后，以塑料薄膜覆盖之.静置约30 min后，将ESS的连接导线接入数据采集仪，即可实现被测位置混凝土变形和温度的实时监测，设定的数据采集时间间隔为20 min.

图8　埋入型应变传感器的安装和测试Fig.8　Installation and testing of the ESS

约12 h后拆模并对混凝土试件表面密封.然后按照文献[9]所描述的方法用位移传感器(CDP)对混凝土的自由变形进行外部测量，如图8(b)所示.整个试验均在温度为(20±3) ℃，湿度为(50±5)%的环境下进行.

对直接采集的应变数据(即内部应变)按照式(1)加以修正可得到相应的外部应变，并将该外部应变与CDP测量的外部应变加以对比.对比结果直观地呈现于图9中.显然，二者的时程曲线变化趋势一致，测量值有略微的差距，最大偏差约13×10-6.由于ESS的测量精度高于CDP，所以得到的变形曲线更为光滑.据此试验结果，有理由认为这种新型的应变传感器能够较好的监测混凝土的实时变形趋势，具有可行性.

图9　埋入型应变传感器的测量结果与位移传感器(CDP)的测量结果对比Fig.9　Comparison between measured results obtained from ESS and from CDP

5结论

本研究得出利用偏心弹簧片放大变形方法进行ESS的设计，其原理可行.经试作和优化，ESS的弹性模量仅约为35 MPa，获得了一种适合低强度测量对象(例如早龄期混凝土)的变形监测方法.通过对ESS进行标定与测试，获得了内部变形与外部变形的定量关系以及ESS的基本性能参数.ESS变形测量的结果与CDP位移传感器同步变形测量的结果表现出较好的一致性，同时由于ESS的测量精度高于CDP，所以得到的变形曲线更为光滑.据此试验结果，有理由认为这种新型的应变传感器能够较好的监测混凝土的实时变形趋势，具有可行性.

参考文献：

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[2]郑晓国,焦华丽.真空预压影响区土体变形机理及防治措施研究[J].浙江工业大学学报,2014,42(3):307-308.

[3]CARDOSO E.接触式应变计[J].铁道建筑,1983(1):30.

[4]陈育容,杨旭东,谢铁邦.一种高精度非接触式位移传感器及其应用[J].测量与设备,2007(7):6-11.

[5]韩峰,刘海伦,陈爱国.测试技术基础[M].北京:机械工业出版社,1998.

[6]李淼.粘贴电阻应变计的实践与探索[J].实验科学与技术,2009，7(3):148-151.

[7]吉林工业大学农机系.应变片电测技术[M].北京:机械工业出版社,1978.

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[9]日本建築学会.鉄筋コンクリート造建築物の収縮ひび割れ—メカニズムと対策技術の現状ー[M].东京:丸善株式会社,2003.

[10]江晨晖,杨杨,王晓栋，等.不同养护温度下高强高性能混凝土早龄期自收缩特性[J].新型建筑材料,2013(6):5-8.

(责任编辑：陈石平)

Study on embedded strain sensor with low elastic modulus

for monitoring deformation of concrete

YANG Yang1, 2, CAI Yang1, JIANG Chenhui3, 4, NI Tongyuan1, 2

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2.Zhejiang

Key Laboratory of Civil Engineering Structures & Disaster Prevention and Mitigation Technology, Hangzhou 310014, China;

3. College of Materials Science & Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014,China;

4. Zhejiang College of Construction, Hangzhou 311231, China)

Abstract:Accurate measurement of concrete deformation is a prerequisite for evaluating performance and serviceability of concrete structures. Existing methods only apply to hardened concrete, but not apply to early-age concrete. In order to overcome the shortcoming, an embedded strain sensor (ESS) with a low elastic modulus (less than 35 MPa) is developed. ESS can be buried into specific locations as well as be attached onto the surface of concrete elements. Due to its low elastic modulus, ESS can be used to measure deformation of concrete immediately after casting. A trial test verifies that the results of deformation obtained by ESS coincide with those by a traditional method.

Keywords:low elastic modulus; embedded strain sensor (ESS); concrete; deformation; early age

文章编号：1006-4303(2015)04-0450-05

中图分类号：TU317+.6

文献标志码：A

作者简介：杨杨(1962—)，男，江苏扬中人，教授，博士生导师，研究方向为高强高性能混凝土材料和结构,E-mail：yangyang@zjut.edu.cn.

基金项目：国家自然科学基金面上项目(51378471)

收稿日期：2015-02-06