摘要：将压电陶瓷(PZT)智能骨料成对嵌入地聚合物砂浆试件内部,利用主动感应法监测不同龄期地聚合物砂浆压电应力波信号,将时域信号图分析和小波包能量分析相结合,探讨了压电信号能量变化与地聚合物砂浆强度变化的对应关系。时域信号图分析表明,随着地聚合物砂浆养护龄期的增加,压电陶瓷智能电压幅值逐步增加,反映了地聚合物砂浆抗压强度的变化过程。小波包能量分析表明,随龄期的增加,地聚合物砂浆抗压强度变化过程与压电信号幅值计算总能量具有一致性。基于地聚合物砂浆抗压强度试验结果与压电陶瓷应力波所计算的能量值,拟合出地聚合物砂浆强度与压电应力波信号计算总能量的相关函数关系。
关键词: 压电陶瓷智能骨料, 地聚合物砂浆, 主动感应法, 小波包能量分析, 时域信号图, 函数关系
0 引 言
压电陶瓷具有奇异的正逆压电效应,当受到较小的外力时,机械能可以转换成电能,当施加交流电压时,电能转换成机械能。利用正逆压电效应,压电陶瓷既可作传感器又可作驱动器。 将压电陶瓷嵌入混凝土中并对其施加激励,可在混凝土中产生应力波[1-2]。基于压电陶瓷传感器应力波分析研究普通混凝土龄期与强度的关系已被多位研究者证明有效[3]。Song 等[4-6]将压电陶瓷片封装在人造大理石中,将制成的压电陶瓷智能骨料内嵌于混凝土试件,通过观测压电传感器谐波幅值的发展,成功监测到混凝土结构强度的发展过程。Shin 等[7-8]基于阻抗法的压电监测技术,通过将压电陶瓷片粘贴在试件表面监测了混凝土早期强度发展。孙威等[9]提出了一种将压电陶瓷智能骨料传感器成对埋置于混凝土梁内部的混凝土强度监测方法。朱茜[10]利用压电主动监测技术监测硫铝酸盐水泥-硅酸盐水泥复合水泥砂浆,结果表明,压电主动监测技术能够准确方便地监测水泥基材料的水化过程。杜永峰等[11]基于压电波动法原理,提出一种利用压电陶瓷智能骨料监测套筒灌浆料早期强度的方法。
地聚合物是一种通过碱激发硅铝原材料而形成的无机胶凝材料,其制备过程中排放的温室气体 CO2 相较于普通波特兰水泥显著降低,而且地聚合物有很好的耐酸碱和耐高温性能,是一种优势显著的水泥替代品[12-14]。
本文将地聚合物胶凝材料应用于砂浆,利用压电陶瓷主动感应法,将时域信号图分析和小波包能量分析相结合,开展地聚合物砂浆早期强度健康监测,对于地聚合物砂浆强度理论体系建立和工程实践指导都具有重要意义。
1 实 验
1. 1 材料参数
本文采用的基于锆钛酸铅(PZT)的压电陶瓷智能骨料由生产商将 PZT 片封装在人造大理石中制作而成,PZT 智能骨料及构造如图 1 所示,其基本特征参数如表 1 所示。
图 1 PZT 智能骨料及构造
表 1 压电陶瓷传感器特征参数
地聚合物砂浆采用巩义市铂润耐火材料有限公司生产的 F 级粉煤灰、巩义市辰义耐材磨料有限公司生产的偏高岭土、嘉善县优瑞耐火材料有限公司生产的 SP38 型水玻璃硅酸钠溶液、新疆中泰化学股份有限公司生产的片状 NaOH 固体、厦门艾思欧标准砂有限公司生产的中国 ISO 标准砂以及自来水制成,其材料配合比如表 2 所示。
表 2 地聚合物砂浆材料配合比
1. 2 试件设计与制作
依据《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》GB/T 17671—1999[15],本文共设计制作 7 组地聚合物砂浆试件,试件各组设计参数如表 3 所示,其中第 1 组和第 2 组试件分别内置两个压电陶瓷智能骨料,用来监测地聚合物砂浆强度发展过程中的信号波,第 3 组 ~ 第 7 组试件使用三连模成型,同时成型 3 个试件,取其测试强度有效值作为各试件龄期对应的抗压强度。
表 3 试件基本设计参数
1. 3 监测方法
本文采用主动感应法,将两个 PZT 智能骨料嵌入每个监测试件,其中 PZT-a 作为发射端发射应力波,PZT-b 作为接收端接收穿过地聚合物砂浆试件介质的应力波,试件内部构造如图 2 所示。
图 2 地聚合物砂浆内部构造示意图
基于 NI-USB6361 采集器、DG1302 型双通道任意波发射器、PZT 智能骨料、笔记本电脑和 NI LabVIEW软件系统组成地聚合物砂浆监测系统,监测装置如图 3 所示。 为使监测信号具有普适性与全面性,监测准备时经过多次调试。 本文监测系统中,DG1302 型双通道任意波发射器产生激励给智能骨料 PZT-a 生成的正弦应力波信号通过地聚合物砂浆介质后,由 NI-USB6361 采集器接收传感器 PZT-b 信号,采样频率为 2 MS / s。
图 3 地聚合物砂浆监测系统装置图
2 结果与讨论
2. 1 地聚合物砂浆抗压强度
在养护龄期 1 d、2 d、3 d、7 d 和 28 d,依照《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》GB / T 17671—1999[15] 要求,在砂浆抗压强度试验机上进行地聚合物砂浆抗压强度测试,加载速率为 2. 5 kN/ s,加载结果有效值换算为抗压强度 fc(t),结果如表 4 所示。
为方便数据分析,将地聚合物砂浆抗压强度进行数学归一化处理。 以地聚合物砂浆 28 d 抗压强度为强度参照标准,各设计养护龄期强度计算指标可根据式(1)计算得到,数学归一化处理结果如表 4 所示,可以看出地聚合物砂浆在 7 d 已经达到 28 d 强度的 83% 以上。
式中:τ(t)表示龄期为 t 时的抗压强度 fc(t)与 28 d 抗压强度 fc(28 d)的比值。
表 4 地聚合物砂浆抗压强度
2. 2 时域信号分析
时域信号是由发射器通过正弦波作为激励信号对发射传感器 PZT-a 施加激励,由接收传感器 PZT-b 采集获得。 正弦扫频波作为激励信号,起始频率 200 Hz,终止频率 600 kHz,幅值 10 V,信号周期 1 s。
图 4 为试件 GM-PZT-1 和 GM-PZT-2 的时域信号图(彩色效果见电子版)。 时域信号图是指 1 个信号周期(T = 1 s)内,试件 GM-PZT-1(或 GM-PZT-2)分别在养护龄期 1 d、2 d、3 d、7 d 和 28 d 时,传感器 PZT-b 接收到的压电信号波形图。 时域信号图反映试件各龄期应力波幅值变化,以期表征地聚合物砂浆强度随龄期的变化。
如图 4(a)所示,随龄期 1 d 至 7 d 变化过程中,试件 GM-PZT-1 中应力波电压幅值由 0. 014 V 逐渐增加至 0. 076 V,达到 28 d 应力波峰值(0. 096 V)的 79. 2% ;如图 4(b)所示,随龄期 1 d 至 7 d 变化过程中,试件GM-PZT-2 中应力波电压幅值由 0. 012 V 逐渐增加至0. 078 V,达到28 d 应力波峰值(0. 087 V)的89. 7% ,同时,应力波电压幅值图随龄期增加波形更加饱满。结合表 4 所示的不同养护龄期的地聚合物砂浆抗压强度试验结果,表明随着养护龄期的增加,地聚合物砂浆抗压强度逐渐增大,相应测得的电压幅值逐步增加,应力波电压幅值能反映地聚合物砂浆随着养护龄期的增加,抗压强度逐渐增大的变化过程。
图 4 时域信号图
2. 3 小波包能量分析
小波包能量分析可对小波分析没有细分的高频部分进一步分解,并能根据被分析信号的特征,自适应选择相应频带,使之与信号的频谱相匹配,从而更加精细地分析试验数据,提高了试验结果的可靠性和准确性。本文基于小波包能量分析方法计算压电陶瓷智能骨料接收的信号能量。将 PZT-b 输出信号 L 用 n 级小波包分解为 2n 级具有不同频带的信号集{L1 ,L2 ,L3 ,…,Ln2 },j 为频带指数(j = 1,2,…,2n)[16]。对应 j 频带的采样数据量为 m,则信号子集可表示为:
Ljs = [Lj1 ,Lj2 ,Lj3 ,…,Ljm ](s = 1,2,…,m) (2)
基于压电阻抗方法定量考虑结构变化的均方根指数指标[17],将信号子集 Lj 的能量 Ej 定义为:
将分解信号子集 Lj 的能量求和,即可得到上述定义 PZT-b 输出信号 L 各频带指数对应总能量 E,用来表征 PZT-b 输出一次信号的能量值。 即可得 E 的计算式:
利用小波包能量分析方法,基于 MATLAB 计算软件进行数据处理分析。 压电陶瓷智能骨料监测信号幅值因不同压电骨料存在差异,为方便数据分析,对小波包能量计算结果进行数学归一化处理。
本文以监测试件龄期 28 d 能量值 E(28 d)作为能量参照标准,各设计养护龄期能量值可通过式(5)计算得到,数学归一化处理结果如表 5 所示。 对比表 4 可以看出,随龄期的增加,地聚合物砂浆强度变化过程与压电信号幅值计算总能量具有一致性。
式中:λ(t)表示设计龄期为 t 时对应能量值 E(t)与 28 d 能量值 E(28 d)的比值。
表 5 小波包能量分析结果
2. 4 强度-能量值拟合函数
根据上述分析过程,基于试验值,考虑 PZT 智能骨料灵敏度存在差别,监测信号具有监测偶然性偏差,首先分别对试件 GM-PZT-1 和 GM-PZT-2 监测数据进行误差处理,处理方法为各养护龄期监测值分别减去养护龄期为 1 d 时的监测值得到 λ∗(t),并取其平均值得到 λ,地聚合物砂浆抗压强度用同样方法处理得到 τ,然后进行 τ-λ 数据回归拟合,处理后数据如表 6 所示,最后建立地聚合物砂浆强度-能量 τ(λ)相关性函数关系,拟合关系式如式(6)所示,最大误差 δ(3. 4% )不超过 5% 。
表 6 数据拟合
3 结 论
(1)压电陶瓷智能骨料在地聚合物砂浆介质中应力波幅值变化能够表征地聚合物砂浆强度随龄期的变化过程。 养护龄期 1 ~ 7 d 变化过程中,时域信号图中应力波电压幅值增速较大,试件 GM-PZT-1 和试件GM-PZT-2 中养护龄期为 7 d 时的应力波电压幅值分别达到 28 d 应力波幅值的 79. 2% 和 89. 7% ,应力波电压波形图随龄期增加波形更加饱满,应力波电压幅值随龄期的增长速率能够反映出地聚合物砂浆的早期强度发展过程。
(2)小波包能量计算结果与试验数据结果分析表明,随龄期的增加,地聚合物砂浆强度变化过程与对应压电信号计算总能量具有一致性。 基于地聚合物砂浆抗压强度试验值与压电陶瓷信号计算能量值进行数值关系回归拟合,建立地聚合物砂浆抗压强度-小波包压电信号能量二次多项式:τ(λ) = - 0. 855λ² + 1. 274λ + 0. 092,计算值与试验值最大误差 δ(3. 4% )不超过 5% 。
参 考 文 献
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