水泥基压电传感器的制备、性能及其在土木工程中的应用研究

  6.1  引言

  6.2  行人及车辆的动态监测

  6.3 桥梁结构的健康监测

  6.4  本章小结

  为解决传统压电材料与土木工程结构之间在力学、声学相容性、界面匹配、可靠性及耐久性等方面存在的诸多问题,本文开发了一种适用于混凝土结构的水泥基压电复合材料及传感器,探讨了其用于混凝土结构监测的可行性。论文主要从以下几个方面进行了理论分析和实验研究工作,并取得了一定的研究成果分别以普通硅酸盐水泥,水泥聚合物水泥、环氧树脂及固化剂的混合物作为基体材料,采用切割一浇注法制备一型、一型水泥基和水泥聚合物基压电复合材料。通过对压电复合材料的综合性能进行分析与讨论,获得了以下结论与压电陶瓷相比,厚度、基体组成及连通类型不同的压电复合材料,其声阻抗率及机械品质因数均显著的降低,基本能够满足宽频及与混凝土材料声阻抗匹配等要求尤其是当材料厚度较大时,以水泥聚合物为基体的同类型压电复合材料的压电、机电及声阻抗等方面的性能均要优于以水泥为基体的同类型压电复合材料。分别以压电陶瓷及压电复合材料为传感元件,水泥、环氧树脂及固化剂的混合物作为封装材料制备压电传感器。通过对压电传感器的性能进行相关测试及分析,主要获得了以下结论特制的水泥聚合物基封装材料具有强度高、防水性好,与混凝土相容性优良等特点,以其制备出的压电传感器具有机械强度高、耐久性好、动态输出能力强,可靠性高等优异性能制备出的用于水泥水化进程监测的接收型压电复合材料传感器具有声阻抗低及宽频特性,能够有效的接收经水泥浆体衰减后的超声波,确保水泥水化反应进程监测的顺利进行压电传感器的机电阻抗谱分析结果表明,无论是压电陶瓷传感器还是压电复合材料传感器,当其与结构祸合后,机电阻抗谱均会产生明显的变化。因而,通过压电传感器机电阻抗的变化,我们可以获取结构的机械阻抗变化情况,从而实现对结构的无损检测制备出的压电交通传感器具有线性度高、输出响应良好、可重复性好、抗压强度高、耐久性优良等优点,能够满足其用于道路车辆动态监测的要求。分别采用埋入式压电陶瓷及压电复合材料传感器对水泥的水化反应进程进行监测研究。研究结果表明,基于压电传感器的超声波传播法及机电阻抗技术均能够良好的反映出水泥的水化反应进程,通过实验分析,主要获得了以下结论与压电陶瓷传感器相比,压电复合材料传感器接收的超声波具有首次波比大、首波明显、主频单一等优势,尤其是以水泥聚合物为基体制备的压电复合材料传感器的接收性能最佳由压电传感器的接收波波形及频谱随水泥水化反应进程的变化规律可知,在水泥水化反应初期的几个小时内,水化反应较为复杂,超声波在水泥浆体中传播时的衰减严重,波形曲线不明显。根据接收波波形曲线及频谱图的变化规律,可将水泥水化反应初期分为水化开始后一及一两个阶段,水化反应前,接收波波形不明显,幅值较小且变化不大当水化反应进行到约时,接收波的主频突然降低,直至水化反应后又突然恢复至初始频率,说明此时的水泥水化反应过程发生了剧烈的变化水化反应后,接收波的波形逐渐清晰,首波幅值增大,首波起始点前移,但接收波主的频率则基本保持不变根据压电传感器接收的超声波参数主频率、主频幅值、波速、首波波幅等随水泥水化反应时间的变化特点,基本可将水泥水化反应开始后的分为三个阶段,即诱导期约一、加速期约一与衰减期约,其中,在加速期阶段,超声波参数均会出现明显的转变点,这基本与水泥的终凝时间相对应根据埋入水泥浆体中压电传感器的机电阻抗随水泥水化反应时间的变化特点,基本可以得出与超声波传播法反映一致的水泥水化反应规律,从实验的角度证明了基于压电传感器的机电阻抗技术监测水泥水化反应是完全可行的。