杜国锋,吴方红,何明星,李 召,别雪梦
(长江大学城市建设学院, 长江大学结构工程与防灾研究所, 湖北荆州434023)
基于压电陶瓷的高强度智能骨料研制
杜国锋,吴方红,何明星,李召,别雪梦
(长江大学城市建设学院, 长江大学结构工程与防灾研究所, 湖北荆州434023)
摘要:为研究混凝土动力灾变中内部应力变化和工作机理,选用Q345钢材和压电陶瓷传感器制作了6个高强压电智能骨料,通过电液伺服试验机和力锤分别对智能骨料进行标定,得出各个智能骨料的灵敏度,并将各个智能骨料的灵敏度值与理论值进行了比较。试验结果表明,智能骨料的输出电压与加载的压力值呈良好的线性关系,试验值与理论分析结果相吻合,表明所研制的高强度智能骨料可以用于高强混凝土实时应力的监测,研究成果可为工程实践提供参考。
关键词:智能骨料;灵敏度;PZT;高强度
0引言
近年来,压电陶瓷(简称PZT)因其响应速度快、能耗低、造价低并兼有传感和激励的双重效应而广泛地应用于混凝土结构、钢管混凝土结构的健康监测及损伤诊断[1-2]。Saafi等[3]提出了混凝土结构基于压电陶瓷主动传感的健康监测方法。Song等[4-8]提出了基于d33型压电陶瓷片的压电陶瓷智能骨料(SA,Smart Aggregate),可用于混凝土的早期强度监测、超高车辆对桥梁的碰撞监测以及钢筋混凝土结构的健康监测。Hou等[9-10]提出利用大理石包裹的智能骨料监测较大幅值的压应力和剪应力。阎石等[11-12]提出了埋入式压电陶瓷传感器的力学模型并进行了试验验证,利用有限元方法证明了力学模型的可行性。许斌等[13-14]利用PZT智能骨料传感器对钢管与核心混凝土剥离进行了检测。杜国锋等[15]提出了一种任意激励下“单压电片—粘结层—主体结构”动力耦合模型,通过对模型的理论推导得到了电导纳的计算公式。
高强混凝土广泛应用于高层、超高层建筑以及大跨度桥梁[16]。我国将混凝土抗压强度达到或者超过60 MPa的混凝土称为高强混凝土,而在工程实际中混凝土强度等级可能达到100 MPa以上,这些结构在服役的过程中往往处于高应力状态[17]。因此,要求在高应力状态下进行应力监测的传感器必须能够承受较高的应力。目前在结构试验中测量应力的方法是采取在结构的表面布置应变片,通过应变监测值反推应力。然而,对于截面尺寸较大和受力复杂的构件,应变片的应变值无法准确地反映出结构内部的受力状态,因而无法判断结构的损伤状态。针对结构内部的应力测量,一些学者提出了一种基于水泥基的应力应变传感器,但这些传感器并不适用于高强混凝土应力的测量,因为在较高应力状态,这些水泥基制作成的传感器极可能被压碎[18-19]。为此,本研究采用了Q345钢材作为压电智能骨料的外壳,用于高强混凝土内部应力监测,以避免类似于水泥基智能骨料在较高应力下被压坏。以单向极化智能骨料为研究对象,采取不同的加载方式对智能骨料灵敏度进行标定,以期为多向极化智能骨料的研制奠定基础,满足监测混凝土内部某点空间应力状态的需求,使之更好地应用于实际工程。
1压电陶瓷的工作原理
压电陶瓷具有压电效应,在外力的作用下能够产生电荷,称之为正压电效应;在压电材料两个表面施加电压时会导致压电材料产生变形,从而产生应力,称之为逆压电效应。
当外力为零,而且只存在电场时,电位移与电场强度的关系可表示为:
(1)
表示成张量分量式,则为:
Di=εijEj,i,j=1,2,3,
(2)
式中,Di表示电位移,εij表示压电陶瓷的介电常数,Ej表示电场强度。
对于已经极化的压电陶瓷片,也可采用电应变和电场强度来表示,即:
(3)
表示成张量分量式则为:
εi=dijEj,i=1,2,3,4,5,6;j=1,2,3,
(4)
式中,εi表示电应变,dij表示压电陶瓷的压电常数。
本文中采用的是d33型PZT片,如图1所示。在表面施加1对平行于极化方向的力时,压电陶瓷会产生变形,陶瓷片的极化作用会在两个表面上产生电荷,如图2所示。压电效应外力和产生电荷之间的关系可表示为:
q=d33F,
(5)
式中,d33表示压电常数,F表示作用在陶瓷片表面的压力。
图1d33型PZT片及极化方向
Fig.1The polarization direction
ofd33mode PZT patch
图2沿极化方向施加荷载与电荷输出
Fig.2Loading along the polarization
direction and output charge
2压电智能骨料的制作
目前,国内外学者所提出的智能骨料均是采用水泥基或者大理石作为外壳,用在高强混凝土中,在较高应力下水泥基和大理石外壳均有可能被压碎,从而影响传感器的正常使用。文献[11]研究结果表明,智能骨料的外形尺寸对智能骨料的性能有着较大的影响。因此,本研究选择了Q345钢材作为智能骨料的外壳,以防止智能骨料在较高应力下被压碎。
采用Q345钢材作为智能骨料的外壳时,为保证钢块表面的平整度以及后续试验中智能骨料与混凝土二者之间能够有效地结合在一起,使智能骨料与混凝土共同变形,需对钢块的表面进行刻纹处理。钢块的尺寸为20 mm×20 mm×10 mm,钢块和陶瓷片之间采用环氧树脂封装,为防止外界噪声信号的干扰,陶瓷片采用屏蔽导线引出,并采用BNC接头连接。PZT采用武汉海创电子股份有限公司生产的PZT-5H,尺寸为10 mm×10 mm×0.8 mm,其相关的材料参数见表1。环氧树脂封装层的厚度为5 mm,最终成型的智能骨料尺寸为20 mm×20 mm×25 mm,如图3所示。
表1 压电陶瓷参数
(a) 骨料组成示意图(b) 骨料成型图
图3压电智能骨料组成示意图及成型图
Fig.3Structure and photo of the Smart aggregate
3压电智能骨料的标定
3.1灵敏度的定义
图4 智能骨料荷载示意图Fig.4 Schematic diagram of loading mode on the Smart aggregate
压电智能骨料在外荷载作用下将极化,如图4所示。此外,由式(5)可知,输出电荷与作用在智能骨料上的压力成正比关系。利用数据采集仪采集输出的电荷,经电荷电压转换器转换成电压,可得到电压与压力之间的关系为:
(6)
将式(6)代入到式(5),可得:
(7)
式中,U表示经电荷电压转换器产生的电压,q表示压电材料的产生的电荷,Cf表示电荷电压转换器的反馈电容,d33为压电陶瓷片的压电常数,F为作用在智能骨料上的压力。
由F=σAe,式(7)可变为:
(8)
式中,Ae为压电陶瓷片的上表面面积,σ表示PZT上的均布应力。
由式(8)可知,输出电压与作用在PZT面上的均布应力成正比关系,故智能骨料的灵敏度可定义为单位输出电压与其相对应力的比值,即:
(9)
故试验时只需要根据输出的电压和施加荷载的大小便可确定出每个智能骨料的灵敏度α。
由式(8)可得理论上高强度压电智能骨料的灵敏度为:
(10)
对于外观尺寸、PZT参数和电荷电压转换的反馈电容都已知的智能骨料,可以直接计算得到其灵敏度理论值。在本研究中,通过式(10)可计算得到各个智能骨料理论上的灵敏度α=0.44 V/MPa。
3.2智能骨料标定
3.2.1往复加载模式标定
往复加载模式标定试验流程如图5所示,采用WAW-600B微机控制电液伺服万能试验机施加荷载,压电陶瓷产生的电荷信号经HK9209电荷放大器转换为电压并进行放大,电荷放大器的反馈电容Cf=100 nF,电压信号由INV3018C采集模块进行采集。试验现场如图6所示。
图5 试验流程图
图6 试验现场
试验采用正弦加载模式,对传感器加载1~3 kN的正弦荷载,平衡位置为2 kN,加载频率为2 Hz,初始加载到平衡位置2 kN时保持预载3 min,保证智能骨料与试验机机座接触稳定,然后进行加载,加载制度如图7所示。
图7 试验加载制度
以SA1为例,施加荷载和输出电压的时程关系曲线如图8所示。从图8可以看出,二者波形基本相同。将不同压力值与对应的输出电压值进行线性拟合,得到如图9所示的标定结果。从图9可以看出,PZT的输出电压值与施加在智能骨料上的应力值呈线性关系,斜线的斜率即表示所标定的智能骨料的灵敏度α。
图8SA1荷载和输出电压的时程关系曲线
Fig.8The time curve of load and output voltage on SA1
图9SA1应力与输出电压的关系曲线
Fig.9The relation of stress and output voltage on SA1
6个智能骨料的灵敏度标定值及输出电压与施加荷载的相关系数如表2所示。各个骨料之间的灵敏度存在着一定差异,这可能与焊接PZT片时的焊接工艺以及智能骨料的封装工艺有关系,但各个智能骨料的输出电压与施加荷载的相关系数高,线性相关好,通过试验标定得到的灵敏度与理论计算值的误差在15%以内,主要原因在于智能骨料封装工艺还没有达到电子器件标准化制作要求,加载过程难以保证智能骨料单向均匀受压,但本研究结果说明高强度智能骨料应用于混凝土内部应力监测是可行的。
表2 各智能骨料的标定灵敏度
3.2.2冲击加载模式标定
在冲击加载模式标定试验中,采用力锤敲击固定在台座上的智能骨料,并采集力锤输出的电压值和智能骨料输出的电压值。该标定模式下的数据采集系统与往复加载标定试验中的数据采集系统相同。每敲击1次便可得到力锤和智能骨料的时程曲线,取不同应力大小的峰值和智能骨料输出电压的峰值作为一组数据,通过改变敲击力度可以得到多组数据,然后进行数据拟合,可得到每个智能骨料在冲击荷载作用下的灵敏度。
表3 不均匀荷载下各智能骨料的标定灵敏度
各个智能骨料在冲击荷载作用下的灵敏度和对应的输出电压与施加荷载相关性系数如表3所示。结合表2和表3可以看出,各个智能骨料的灵敏度标定值存在着一定差异,但与理论计算值的误差均保持在15%的范围以内。在冲击荷载下,智能骨料的灵敏度要低于电液伺服加载模型的,线性相关性也不如往复加载模型的好。其原因在于对智能骨料敲击时,每次敲击的力度以及敲击力的方向并不能保证完全垂直于智能骨料上表面,使得数据离散性较大。
4结语
①试验结果显示,采用钢块作为外壳,环氧树脂作为粘接剂制成的6个智能骨料性能相似,表明文中高强度智能骨料的研制方法是可行且有效的。智能骨料自身的强度高,可用于高强混凝土结构内部应力监测。
②通过往复加载模式和冲击加载模式标定了各个智能骨料的灵敏度,两种不同加载模式的标定结果表明,智能骨料受到的荷载和输出电压呈线性关系,与理论计算的结果大致相吻合且比较稳定,为其应用于实际工程提供了可行性验证。
③智能骨料埋置于混凝土内会承受围压作用,其实验边界条件与实际工程中的不同,进而会导致试验标定的灵敏度与实际工程中的灵敏度存在一定差异。这是今后研究中需要着重考虑的问题。此外,三维受力下智能骨料的灵敏度系数的确定方法亦是今后研究的重点内容。
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(责任编辑唐汉民裴润梅)
Development of high strength smart aggregate based on piezoelectric ceramic transducers
DU Guo-feng,WU Fang-hong,HE Ming-xing,LI Zhao,BIE Xue-meng
(School of Urban Construction,Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction,Yangtze University, Jingzhou 434023,China)
Abstract:In order to study the interior stress change and working mechanism in dynamic collapse of concrete, 6 high-strength smart aggregates were made using the Q345 steel and piezoelectric ceramic transducers. The sensitivity coefficient of the smart aggregates was calibrated by the electro-hydraulic servo tester and force-hammer, respectively, and the calibrated sensitivity value was compared with the theoretical value. The experimental results imply a linear relationship between the output voltage of smart aggregate and the load. The experimental results are agreed with the theoretical analysis results, which indicates that the developed high-strength smart aggregate can be used for monitoring real-time stress of high strength concrete.
Key words:smart aggregates;sensitivity;PZT;high strength
中图分类号:TU528.1;TU375
文献标识码:A
文章编号:1001-7445(2016)02-0301-07
doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0301
通讯作者:杜国锋(1975—),男,吉林四平人,长江大学教授,工学博士;E-mail:gfd_1125@126.com。
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51378077);湖北省自然科学基金(创新群体)资助项目(2015CFA029);湖北省教育厅科技计划重点项目(D20131205)
收稿日期:2015-12-10;
修订日期:2016-02-20
引文格式:杜国锋,吴方红,何明星,等.基于压电陶瓷的高强度智能骨料研制[J].广西大学学报(自然科学版),2016,41(2):301-307.