正确测量混凝土结构中的应力分布状况,对结构的性能监测、健康诊断和灾害防御均有重要意义。传统的应力测量大都采用在构件表面粘贴应变片的方法,通过测量应变、结合材料的弹性模量间接获得应力数据。这种方法虽然简单直观、成本低廉,但并不能测定结构在非线性受力阶段的应力,并且难以通过粘贴应变片的方法获得混凝土内部的应力数据。为测量混凝土内部应力,需要发展新的应力传感器。

1880年居里兄弟发现压电效应,在此后的100多年间,对压电材料的研究受到越来越多的重视(张福学,2001)。压电材料具有优良的频率特性和可集成特性,频响范围宽、敏感频率高,在土木工程健康检测、结构振动控制及压力与应力测量方面有广泛的应用。压电陶瓷(Piezoelectric Ceramics,PZT)作为压电材料的一种,能够有效实现电信号与力信号的转换,为应力测量提供了可能。Tracy和Chang(1998a,b)率先将压电陶瓷作为传感器用以识别复合板受到的冲击作用。陈雨等(2005)通过分级加载试验,发现PZT元件参数(如压电陶瓷在谐振点和反谐振点处的阻抗、静态电容与动态电容等)与应力之间有着近乎线性的关系。Song等(2007a)将PZT传感器埋入钢筋混凝土梁,通过冲击试验发现力锤输出的力信号峰值与PZT传感器输出的电压信号峰值间有明显的线性关系。湖南大学许斌团队(李立飞,2011; 刘益明,2013)发明了基于压电陶瓷的混凝土动态应力传感器,并提出了相应的标定方法,对传感器在冲击荷载、简谐荷载及方波荷载作用下的灵敏度进行了标定。研究发现,由于压电陶瓷材料的压电常数本身有一定的离散性,而压电陶瓷片的焊接和封装过程难免会有一定差异,因此制成的传感器的灵敏度也会有一定的离散性。截至目前,对于在混凝土研究中应用的压电陶瓷应力传感器,大多数研究主要集中于冲击荷载作用试验。本文在前人基础上,设计并制作了一批压电陶瓷应力传感器,通过系列动力加载试验测量传感器表面荷载与输出电压,建立应力—电压关系,为混凝土中的应力测量提供新方法。

当对压电陶瓷施加机械变形时,就会引起内部正负电荷中心发生相对移动而产生点的极化,从而导致元件两个表面上出现符号相反的束缚电荷,电荷密度与单位面积上的外力成比例,这种现象称为正压电效应。压电常数是表征压电材料压电性能的重要参数。一般认为,压电常数越高,压电材料实现电能与机械能间相互转换的能力越强,材料的压电性能越好(李春雷等,2009)。

本文试验采用上海联能科技有限公司生产的PZT-5A型压电陶瓷,如图1所示,压电陶瓷分为5 mm×5 mm×0.3 mm(A型)和10 mm×10 mm×0.3 mm(B型)两种尺寸类型,生产厂商给出的压电常数参考值为450×10^-12 C·N^-1。选择两种规格尺寸的压电陶瓷片各75片,采用该公司生产的YE2370A型d₃₃测量仪进行压电常数测量,

表1 压电常数d₃₃测量结果(单位:10^-12 C·N^-1)

结果如表1所示。由表1可见,压电陶瓷片的压电常数具有一定离散性,且样本均值与生产厂商给出的参考值之间有一定偏差。图2为测得压电常数分布情况及按照高斯分布拟合的结果,从图中可知,对于同批次、同尺寸的压电陶瓷,其压电常数近似满足正态分布。

图1 两种尺寸类型的压电陶瓷片

图2 A型(a)、B型(b)PZT压电常数分布情况及拟合曲线图示

压电陶瓷片与结构主体有粘贴式和埋入式这两种结合方式(孙威,2009)。“智能骨料”即为埋入式的代表(Song et al,2007b; 蒙彦宇等,2009)。本文试验所制作的应力传感器由基座、压电陶瓷片、导线、环氧树脂及盖板组成,如图3a所示。基座由水泥净浆浇筑而成,浇筑时预留尺寸约为2.0 mm×1.5 mm的凹槽。制作应力传感器时,首先在导线一端焊接压电陶瓷片并做防水绝缘处理,如图3b所示,在导线另一端焊接BNC接头。用502胶水把处理过的压电陶瓷粘结在基座上,如图4所示,并将导线及焊点置于凹槽内,使得压电陶瓷片与基座表面紧密结合。为满足防水绝缘性能和一定的机械强度,在导线与凹槽之间填充环氧树脂。最后在压电陶瓷表面涂抹环氧树脂胶,覆盖钢盖板,保证传感器受力面水平。

本文基于压电陶瓷材料设计制作了能够埋入混凝土内部的“智能骨料”,并对其进行动态响应试验,通过分析得到以下结论:

(1)压电陶瓷应力传感器在应变率为10^-2 s^-1、5×10^-3 s^-1的动荷载作用下,输出的电压信号与作用在传感器上的荷载呈现明显的线性关系,线性相关系数在0.95以上。结果表明:应变率不小于5×10^-3 s^-1时,A、B型应力传感器均可以反映实际的应力水平及其变化趋势。

(2)在相同的加载速率下,B型应力传感器的灵敏度要远高于A型应力传感器,但其量程要远小于A型应力传感器。可通过减小面积等方法来突破量程方面的限制,以提高应力传感器的使用范围。

(3)应力传感器的灵敏度系数具有一定的离散性,灵敏度系数的变异系数一般在20%左右,这会对实际测量造成一定影响。在实际应用中,可以通过改进焊接方法、严格控制封装过程等手段,尽可能控制应力传感器灵敏度系数的离散性。