基于壓電傳感器的鋼筋銹蝕超聲監(jiān)測研究.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，各種大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)逐漸成為學(xué)術(shù)界的研究熱點。近十幾年來，智能材料結(jié)構(gòu)在工程領(lǐng)域中的成功應(yīng)用，為實現(xiàn)真正意義上的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供了有效的途徑。近年來，壓電陶瓷以其特有的傳感和驅(qū)動功能成為土木工程界廣泛研究和應(yīng)用的智能材料之一。因其具有響應(yīng)速度快、線性關(guān)系好、頻響范圍寬、能耗低、易剪裁、造價低廉且易加工成型等優(yōu)點而在工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面存在著巨大的應(yīng)用潛力。因此，將壓電材料作為基本

2、元件，研發(fā)一套方便、實用的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)也符合我國當(dāng)前的國情。本論文基于上述背景，對利用壓電陶瓷材料進行混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕損傷健康監(jiān)測的相關(guān)技術(shù)進行詳細研究，具體工作包括以下幾個方面：
　　 (1)根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的特點以及壓電陶瓷片的材料特性，以PZT壓電陶瓷為傳感驅(qū)動元件，水泥/聚合物作為封裝材料制備壓電傳感器，并對其性能進行了測試和分析。研究結(jié)果表明：采用該封裝材料制備出的壓電傳感器具有機械強度高、動態(tài)輸出能力強、耐久性

3、能好、可靠性高等優(yōu)異性能。其中，以壓電陶瓷為元件制備的壓電傳感器兼有聲阻抗低、寬頻等特性、線性度高、輸出響應(yīng)良好、可重復(fù)性好、抗壓強度高等優(yōu)點能夠滿足其用于混凝土結(jié)構(gòu)長期、在線、實時監(jiān)測的要求。
　　 (2)本文以將制作好的壓電傳感器貼于鋼筋斷面的形式進行研究，采用電解液加速銹蝕法加快鋼筋銹蝕，能在較短時間內(nèi)獲得期望的銹蝕率。相對于螺紋鋼筋，用光圓鋼筋加速銹蝕，消除了鋼筋表面的不規(guī)則（如肋條）造成的對銹蝕率計算的影響，使銹蝕更為

4、均勻，由此計算出的理論銹蝕率與按照鋼筋重量損失所得到的實測銹蝕率之間的誤差更符合實際。通過分析超聲波信號幅值隨時間的變化趨勢圖，可以得出鋼筋的銹蝕程度及銹蝕量，隨著銹蝕的進行，銹蝕產(chǎn)物的不斷產(chǎn)生，超聲波幅值也發(fā)生了顯著的變化，此研究可以清晰的反應(yīng)出鋼筋、銹蝕產(chǎn)物及混凝土三者之間的關(guān)系。
　　 (3)利用電阻應(yīng)變片和壓電傳感器同時對鋼筋銹蝕進行了監(jiān)測研究，通過分析試驗所得的應(yīng)變片微應(yīng)變與傳感器接收到的超聲波幅值隨銹蝕時間的變化趨勢

5、可知，大約在120h，應(yīng)變片微應(yīng)變發(fā)生了突變，超聲波幅值停止增長并開始趨于穩(wěn)定，說明了由于隨著銹蝕產(chǎn)物的不斷積累和膨脹，對周圍砂漿產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，內(nèi)部出現(xiàn)裂縫并不斷發(fā)展到表面，刺激外貼的電阻應(yīng)變片，使得微應(yīng)變迅速增大。而此時砂漿內(nèi)部也由于鋼筋和砂漿界面脫離，使得超聲波只沿著鋼筋傳播，幅值趨于穩(wěn)定。
　　 (4)利用聲發(fā)射儀和電阻應(yīng)變片同時對鋼筋銹蝕進行了監(jiān)測研究，實驗結(jié)果顯示，應(yīng)變片微應(yīng)變與聲發(fā)射信號數(shù)量隨著銹蝕時間的增長有

6、著相同的增長趨勢。兩參數(shù)特征值均大約在8h出現(xiàn)突變，該變化能夠反映出此時因銹蝕的不斷進行，銹蝕產(chǎn)物的不斷產(chǎn)生和膨脹，逐漸對周圍砂漿產(chǎn)生拉應(yīng)力，使砂漿內(nèi)產(chǎn)生了大量的微裂縫并逐漸發(fā)展至表面。
　　 (5)本文利用壓電傳感器、電阻應(yīng)變片、聲發(fā)射儀器三種方法對鋼筋銹蝕進行了研究，試驗得到的應(yīng)變片的微應(yīng)變、聲發(fā)射信號數(shù)等參數(shù)特征值，與利用壓電傳感器監(jiān)測銹蝕得到超聲波幅值的變化存在良好的對應(yīng)關(guān)系，從而也驗證了本研究所用壓電陶瓷傳感器監(jiān)測鋼筋