基于壓電傳感器的混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕監(jiān)測研究.pdf

1、混凝土材料是建筑工程中的主要材料之一，廣泛應(yīng)用于隧道、樓房以及橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施，該材料在使用過程中的安全性和耐久性問題日漸凸顯，所以對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線的健康監(jiān)測具有重要意義。近年來，智能材料的迅速發(fā)展為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)提供了一種新途徑，其中壓電陶瓷憑借其特有的傳感與驅(qū)動(dòng)一體化，以及在傳感方面具有的頻響范圍寬、響應(yīng)快、成本低廉等特點(diǎn)，得到了廣泛的研究與應(yīng)用。本文基于上述背景，在國家自然科學(xué)基金(No.51272090)的支持下，對基于

2、壓電傳感器的混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕監(jiān)測進(jìn)行了研究。主要的研究工作如下：
　　(1)針對混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，分別研發(fā)了適合于混凝土健康監(jiān)測的埋入式機(jī)電阻抗傳感器以及超聲波傳感器。以PZT-5壓電陶瓷為傳感元件，制備機(jī)電阻抗傳感器；研究結(jié)果表明，以1:1:0.25的水泥、環(huán)氧樹脂和固化劑的混合物為防水層的機(jī)電阻抗傳感器具有優(yōu)良的防水效果，通過對耦合于混凝土結(jié)構(gòu)的機(jī)電阻抗傳感器的電阻/抗變化分析，可以實(shí)現(xiàn)對混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的監(jiān)測。分別以

3、PZT-5壓電陶瓷、1-3型壓電復(fù)合材料為傳感元件，制備接收型超聲傳感器，以PZT-4為發(fā)射元件，制備發(fā)射型超聲傳感器；性能測試結(jié)果表明，制備的接收型超聲傳感器，具有諧振峰單一，諧振頻率低，與混凝土有良好相容性，接收性能好等優(yōu)良特性，通過對不同銹蝕率下的接收波變化分析，可以實(shí)現(xiàn)對鋼筋銹蝕的監(jiān)測。
　　(2)以機(jī)電阻抗技術(shù)為理論背景，對不同銹蝕率下機(jī)電阻抗傳感器監(jiān)測所得的電阻/抗頻譜曲線進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，以具有較高機(jī)電耦合系

4、數(shù)的PZT-5壓電陶瓷為傳感元件制備的機(jī)電阻抗傳感器更適合于鋼筋銹蝕監(jiān)測；鋼筋銹蝕后，電阻/抗頻譜曲線漂移，隨著銹蝕率增大，電阻/抗峰值對應(yīng)頻率左移，即變小，電阻/抗峰值增大；不同銹蝕率下的電阻/抗差值頻譜曲線中，差值隨銹蝕率增大而增大；同時(shí)結(jié)合損傷指標(biāo)值，對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕情況做了定量評估，本文中選取的兩個(gè)損傷指數(shù) RMSD、MAPD均能定量的表征混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕情況，對比基于電抗計(jì)算所得的損傷指標(biāo)，基于電阻計(jì)算所得的損傷指

5、標(biāo)值較大，說明其對鋼筋銹蝕更敏感；基于電阻計(jì)算所得的RMSD值在100~150 kHz表現(xiàn)出良好的規(guī)律性，MAPD值在150~200 kHz表現(xiàn)出良好的規(guī)律性，損傷指標(biāo)值隨銹蝕率的增大而增大，能直觀的反映銹蝕程度的增加。
　　(3)以超聲波測試技術(shù)為理論背景，對經(jīng)不同銹蝕率下混凝土結(jié)構(gòu)中傳播的接收波特征參數(shù)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，相比于PZT-5接收型超聲傳感器，1-3型壓電復(fù)合材料接收型超聲傳感器更適合于監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹

6、蝕，具有主頻單一，主頻譜峰尖銳等優(yōu)點(diǎn)，有更好的分辨率；經(jīng)混凝土結(jié)構(gòu)中傳播的接收波形不規(guī)則，出現(xiàn)幾個(gè)連續(xù)波包；接收波波速、波幅、主頻幅值等波特征參數(shù)與鋼筋銹蝕率之間存在明顯的相關(guān)性，當(dāng)鋼筋銹蝕率為0％~2%時(shí)，隨著銹蝕率的增大，接收波波速、波幅、主頻幅值迅速減?。讳P蝕率為2%~6%時(shí)，雖然隨銹蝕率的增大而減小，但降低的幅度變??；銹蝕率大于6%后，基本不發(fā)生變化；接收波主頻亦隨銹蝕率的增大而減小，但對初期銹蝕不敏感；波速、波幅、主頻幅值能很