基于压电波动测量的套筒灌浆缺陷检测试验

乔龙西，肖 扬, 罗晓生，张国文，许云鹏，许 斌，夏 颂

(1.华侨大学 土木工程学院，福建 厦门 361021；2.福建省智慧基础设施与监测重点实验室(华侨大学)，福建 厦门 361021；3.中建二局第一建筑工程有限公司，广东 深圳 518003；4.西安交通大学 电子与信息学部，陕西 西安 710049)

0 引言

建筑工业化是我国住宅建设的重要发展方向，而装配式混凝土结构是实现建筑工业化的有效途径。套筒灌浆连接是装配式混凝土结构中受力钢筋的主要连接方式[1]。由于灌浆过程不可视，灌浆质量可控性差，容易产生灌浆缺陷，灌浆缺陷对结构的力学性能产生不利影响[2]，因此，研究有效的钢筋套筒内部缺陷的检测方法具有重要意义。

近年来，研究人员运用常用的无损检测方法，如冲击回波法、超声波法、X线法及预埋法等对灌浆套筒的缺陷进行检测[3]。何礼航[4]结合冲击回波法中的时间差法和振动法检测套筒灌浆情况，在保证效率的基础上提高了检测精度。但冲击回波法对多排布置的套筒内灌浆缺陷检测效果并不理想。Li等[5]提出了一种基于小波包能量的套筒灌浆缺陷超声波检测方法，试验结果表明，该方法可有效检测一定大小的灌浆缺陷。然而，该方法要求试件套筒壁与灌浆料界面胶结良好且无法检测出较小尺寸的缺陷。许国东等[6]考虑混凝土厚度的影响，应用X线成像技术成功检测出套筒灌浆密实程度和钢筋插入长度。但因X线检测设备庞大且存在放射性，故极大地限制了其应用。预埋传感器法和预埋钢丝拉拔法只能进行定性分析，传感器是成本较高的一次性消耗品，而预埋的钢丝可能在预制构件表面外留置过长，检测前易受到现场扰动和破坏[7]。

锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)是一种能将机械能和电能互相转换的智能材料，具有灵敏度高，响应快，集传感器与驱动器于一身等优点，在结构无损检测和损伤识别方面[8-9]应用广泛。杜永峰等[10]使用压电陶瓷对不同锈蚀程度的灌浆套筒内壁进行检测。周少杰等[11]在套筒壁粘贴压电陶瓷片，通过不同位置压电陶瓷片的机电耦合阻抗测量对套筒内不同程度的灌浆缺陷进行了有效检测。Xu等[12]通过在套筒外壁粘贴压电陶瓷片作为驱动器和传感器，发现了灌浆缺陷对波动传播的影响。许斌等[13-14]将压电陶瓷片进行封装并制成驱动器埋入钢管混凝土柱内部，测量具有模拟剥离损伤的钢管混凝土柱4个监测面上压电陶瓷传感器的输出电压，对试验模型的界面损伤区域进行了准确识别。

考虑到实际工程应用中将压电陶瓷片粘贴于预制构件的钢筋上更便捷，本文提出了一种基于波动测量与分析的套筒灌浆缺陷检测方法。在实验室制作具有不同缺陷尺寸的半灌浆套筒，并在两端连接钢筋表面粘贴压电陶瓷片，采用“一发一收”的形式测量应力波，通过对应力波进行小波包分析，定义了应力波的小波包能量，发现了套筒灌浆缺陷长度与小波包能量值的线性关系，为基于小波包能量的灌浆缺陷尺寸的定量识别奠定了基础。研究结果表明，基于灌浆套筒连接钢筋表面粘贴的压电陶瓷片的应力波的测量与分析，对钢筋连接套筒灌浆缺陷进行检测具有可行性。

1 基于压电波动分析的灌浆缺陷检测原理

用电信号激励作为驱动器的压电陶瓷，驱动器因逆压电效应产生高频振动，进而在结构中产生应力波。应力波在结构中传播时遭遇损伤界面将发生反射和折射等现象，导致应力波信号变化，当高频应力波被作为传感器的压电陶瓷接收后，在正压电效应作用下压电陶瓷传感器输出电信号。通过比较健康结构与存在缺陷结构的输出信号的差异对损伤进行检测。

图1为基于应力波测量的灌浆套筒缺陷检测原理。粘贴于钢筋表面的驱动器产生的应力波沿钢筋传播，进入套筒后分别沿灌浆及套筒壁传播，然后被压电陶瓷传感器接收。材料自身阻尼特性具有耗能作用[15]，应力波在灌浆和套筒壁传播过程中能量耗散不同，因为灌浆料的阻尼比套筒钢材阻尼大，所以对套筒钢材而言，灌浆料中波动能量耗散更大。缺陷长度小的试件中，灌浆料中应力波的能量耗散大，传感器输出信号能量小。因此，通过比较不同缺陷尺寸套筒输出信号的差异可反应损伤程度。

2 试验研究

2.1 试件设计与制作

本试验中套筒试件采用某型号半灌浆套筒，该套筒一端采用螺纹钢筋机械连接，另一端采用钢筋插入灌浆连接。套筒尺寸为∅56 mm×292 mm，钢筋螺纹端连接长度为20 mm，灌浆料为某型号专用高强灌浆料，试件纵向钢筋为直径∅28 mm的HRB400螺纹钢筋，如图2所示。用EVA泡棉材料包裹连接钢筋模拟3个不同缺陷尺寸，灌浆缺陷距离钢筋端部10 mm，制作一个健康试件用于对比。

图2 人工模拟灌浆缺陷状况

模拟的灌浆缺陷尺寸如表1所示。其中轴向长度是灌浆缺陷沿套筒纵轴方向的长度，厚度指灌浆缺陷沿套筒径向的厚度。灌浆缺陷沿全圆周方向均匀布置。试件1代表健康试件。

表1 试件缺陷尺寸表

2.2 压电陶瓷片的布置

本试验所采用的压电陶瓷驱动器和传感器为压缩型，平面尺寸为15 mm×10 mm，厚度为0.3 mm。为便于粘贴，通过翻边处理使压电陶瓷片的正负电极位于同一面上。图3为健康与带灌浆缺陷的试件上压电陶瓷片布置图，空白部分表示人为设置的套筒灌浆缺陷。

图3 健康与带灌浆缺陷的试件及压电陶瓷片布置图

先将钢筋打磨出光滑平面，用棉花蘸取酒精擦拭表面的灰尘，涂抹一层AB胶作为绝缘处理，待绝缘层完全固化后，再把涂抹AB胶的压电片轻轻按压在粘贴位置。

2.3 试验装置

使用任意函数发生器对压电陶瓷驱动器施加电压信号，压电陶瓷传感器信号由NI数据采集仪进行采集，连接电脑采用LabVIEW程序滤波处理，采集程序的采样频率设置为1 MHz，试验装置如图4所示。为了降低频散效应，选择合适的窗函数对激励信号进行调制[16]。本实验选用汉宁窗调制的幅值V0=5 V、中心频率f=20 kHz的信号作为激励信号，其函数表达式为

图4 试验测试装置

(1)

式中：t为时间变量；T为信号周期。激励信号时域图如图5所示。

图5 激励信号时域图

2.4 试验结果与分析

在套筒灌浆养护28天后，对压电驱动器PZT1施加电压信号，4个试件压电陶瓷传感器PZT2、PZT3输出电压信号如图6、7所示。

图6 不同试件PZT2传感器输出时域信号比较

图7 不同试件PZT3传感器输出时域信号比较

由图6、7测试结果可知，当套筒存在灌浆缺陷时，钢筋表面压电陶瓷传感器的测量信号幅值较健康试件明显增大，且随着缺陷尺寸的增大，PZT2、PZT3输出电压幅值也相应增大，此现象与基于表面波测量检测钢管混凝土界面剥离试验[17]相似。

如第1节所述，由于应力波沿钢筋传播能量损耗较小，灌浆后沿钢筋传播的应力波进入内部灌浆料将导致压电传感器的接收信号幅值降低。因此，灌浆无缺陷时，应力波在灌浆中传播时能量耗散多，进而钢筋表面压电传感器的输出电压信号幅值减小。灌浆缺陷尺寸越大，应力波在灌浆中传播时损耗减小，钢筋表面压电传感器的输出电压信号幅值大。为进一步阐明试验研究发现的现象，开展了灌浆套筒应力波多物理场模拟研究。

3 数值模拟研究

分别建立灌浆套筒与压电陶瓷片构成的多物理场耦合模型，并对耦合模型中压电陶瓷传感器的瞬态时程响应进行分析。

3.1 耦合模型的建立

模型与试验所用半灌浆套筒尺寸相同，忽略灌浆口与出浆口的影响。其材料参数、阻尼、计算时间步长及压电陶瓷片相关参数的设置参见文献[18]。

3.2 物理场与边界条件设定

在固体力学场中，设置套筒物理边界条件为自由，套筒、钢筋与压电陶瓷片的接触点设置为耦合节点，变形协调。在电场中，所有压电陶瓷片与钢筋接触面设置接地，压电陶瓷驱动器另一面设置为终端，激励信号与试验相同，而传感器的另一面设置为接收终端，输出电压响应。

3.3 网格尺寸划分和时间步长的设置

模型中采用四面体网格单元进行划分。由于激励信号频率较高，波长较短，网格划分需要足够精细，最大单元尺寸h应满足：

h≥λ/5

(2)

式中λ为激励信号作用下产生的应力波波长。网格划分如图8所示。

图8 数值模型网格划分图

3.4 数值模拟时域信号结果

通过数值模拟得到健康与带灌浆缺陷的数值模型中PZT2、PZT3传感器时域信号，对其进行比较，结果如图9、10所示。

图9 不同试件中PZT2传感器输出时域信号比较

图10 不同试件中PZT3传感器输出时域信号比较

由图9、10可见，灌浆缺陷的存在导致钢筋表面压电陶瓷传感器的输出电压信号幅值显著上升，且缺陷长度越大，则传感器电压幅值越大。数值模拟结果呈现的规律与试验结果一致。

4 缺陷评价指标分析

小波包分析不仅具有傅里叶和小波分析的优点，而且具有对低高频信号更精细的分解能力。本文对具有不同尺寸缺陷的灌浆套筒的试验实测信号进行小波包分解重构，计算接收信号的小波包能量值[19-20]。将有灌浆缺陷试件的不同传感器信号的小波包能量与完好试件信号的小波包能量进行对比，得到灌浆缺陷与波动测量小波包能量的关系。以缺陷长度为横坐标，将PZT2、PZT3的小波包能量值点进行线性拟合，表述缺陷长度与小波包能量的定量关系，根据此关系可对灌浆缺陷长度进行定量检测。不同试件上压电陶瓷传感器PZT2和PZT3的测量信号的小波包能量的计算结果分别如图11、12所示。

图11 PZT2传感器在不同缺陷程度下输出电压的评价指标

图12 PZT3传感器在不同缺陷程度下输出电压的评价指标

通过线性拟合得到PZT2、PZT3传感器测量信号的小波包能量值与灌浆缺陷长度的关系分别为

yPZT2=4.074 1×10-5x+0.003 45×10-3

(3)

yPZT3=3.810 4×10-5x+0.003 51×10-3

(4)

式中：x为缺陷长度；yPZT2为PZT2传感器测量信号的小波包能量值，拟合曲线的相关系数为0.985 9；yPZT3为PZT3传感器测量信号的小波包能量值，拟合曲线的相关系数为0.983 5。

5 结论

通过在套筒连接钢筋表面粘贴压电陶瓷片分别作为驱动器和传感器，基于钢筋表面压电陶瓷片的波动测量与分析，对钢筋连接套筒内的灌浆缺陷进行检测。通过对带有不同缺陷的灌浆套筒试件的试验研究验证了所提出方法的可行性。通过数值模拟，进一步分析了灌浆缺陷对钢筋表面压电陶瓷传感器测量信号的影响。基于试验与数值模拟研究，得到如下结论：

1) 套筒内存在灌浆缺陷时，应力波在灌浆中传播时能量损耗会降低，表现为带灌浆缺陷的套筒试件中位于钢筋表面的压电陶瓷传感器输出电压幅值比健康试件的电压幅值大。

2) 钢筋表面压电传感器测量信号的小波包能量与套筒灌浆缺陷尺寸有较明显的线性相关关系，小波包能量指标越大，灌浆缺陷尺寸越大。

3) 通过拟合所得灌浆缺陷长度与钢筋表面压电陶瓷片测量信号小波包能量的线性关系，可为灌浆缺陷尺寸的定量检测提供依据。

基于钢筋表面粘贴压电陶瓷驱动器和传感器的波动测量与分析，对套筒灌浆缺陷进行检测及对缺陷尺寸进行定量评估具有可行性。本文方法具有较高的工程应用价值。