基于压电传感器的混凝土结构中钢筋锈蚀监测研究

摘要

混凝土材料是建筑工程中的主要材料之一，广泛应用于隧道、楼房以及桥梁等基础设施，该材料在使用过程中的安全性和耐久性问题日渐凸显，所以对混凝土结构进行实时在线的健康监测具有重要意义。近年来，智能材料的迅速发展为结构健康监测技术提供了一种新途径，其中压电陶瓷凭借其特有的传感与驱动一体化，以及在传感方面具有的频响范围宽、响应快、成本低廉等特点，得到了广泛的研究与应用。本文基于上述背景，在国家自然科学基金(No.51272090)的支持下，对基于压电传感器的混凝土结构中钢筋锈蚀监测进行了研究。主要的研究工作如下：
　　(1)针对混凝土结构的特点，分别研发了适合于混凝土健康监测的埋入式机电阻抗传感器以及超声波传感器。以PZT-5压电陶瓷为传感元件，制备机电阻抗传感器；研究结果表明，以1:1:0.25的水泥、环氧树脂和固化剂的混合物为防水层的机电阻抗传感器具有优良的防水效果，通过对耦合于混凝土结构的机电阻抗传感器的电阻/抗变化分析，可以实现对混凝土结构中钢筋锈蚀的监测。分别以PZT-5压电陶瓷、1-3型压电复合材料为传感元件，制备接收型超声传感器，以PZT-4为发射元件，制备发射型超声传感器；性能测试结果表明，制备的接收型超声传感器，具有谐振峰单一，谐振频率低，与混凝土有良好相容性，接收性能好等优良特性，通过对不同锈蚀率下的接收波变化分析，可以实现对钢筋锈蚀的监测。
　　(2)以机电阻抗技术为理论背景，对不同锈蚀率下机电阻抗传感器监测所得的电阻/抗频谱曲线进行了研究。研究结果表明，以具有较高机电耦合系数的PZT-5压电陶瓷为传感元件制备的机电阻抗传感器更适合于钢筋锈蚀监测；钢筋锈蚀后，电阻/抗频谱曲线漂移，随着锈蚀率增大，电阻/抗峰值对应频率左移，即变小，电阻/抗峰值增大；不同锈蚀率下的电阻/抗差值频谱曲线中，差值随锈蚀率增大而增大；同时结合损伤指标值，对混凝土结构中的钢筋锈蚀情况做了定量评估，本文中选取的两个损伤指数 RMSD、MAPD均能定量的表征混凝土结构中钢筋锈蚀情况，对比基于电抗计算所得的损伤指标，基于电阻计算所得的损伤指标值较大，说明其对钢筋锈蚀更敏感；基于电阻计算所得的RMSD值在100~150 kHz表现出良好的规律性，MAPD值在150~200 kHz表现出良好的规律性，损伤指标值随锈蚀率的增大而增大，能直观的反映锈蚀程度的增加。
　　(3)以超声波测试技术为理论背景，对经不同锈蚀率下混凝土结构中传播的接收波特征参数进行了研究。研究结果表明，相比于PZT-5接收型超声传感器，1-3型压电复合材料接收型超声传感器更适合于监测混凝土结构中钢筋锈蚀，具有主频单一，主频谱峰尖锐等优点，有更好的分辨率；经混凝土结构中传播的接收波形不规则，出现几个连续波包；接收波波速、波幅、主频幅值等波特征参数与钢筋锈蚀率之间存在明显的相关性，当钢筋锈蚀率为0％~2%时，随着锈蚀率的增大，接收波波速、波幅、主频幅值迅速减小；锈蚀率为2%~6%时，虽然随锈蚀率的增大而减小，但降低的幅度变小；锈蚀率大于6%后，基本不发生变化；接收波主频亦随锈蚀率的增大而减小，但对初期锈蚀不敏感；波速、波幅、主频幅值能很好的表征混凝土结构中钢筋锈蚀情况。通过计算由超声波声速构筑的损伤变量发现，损伤度与钢筋锈蚀率之间呈现良好的线性关系。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1研究背景与意义

1.2 混凝土结构中钢筋锈蚀发展过程

1.3 混凝土结构中钢筋锈蚀监测研究现状

1.4 基于压电材料的混凝土健康监测研究现状

1.5 本文的研究内容

第二章 基于机电阻抗技术的钢筋锈蚀监测研究

2.1钢筋锈蚀的机电阻抗法监测原理

2.2 机电阻抗法监测钢筋锈蚀试验设计

2.3 试验结果分析与讨论

2.4 本章小结

第三章 基于超声波技术的钢筋锈蚀监测研究

3.1钢筋锈蚀的超声监测原理

3.2 超声波技术监测钢筋锈蚀试验设计

3.3 试验结果分析与讨论

3.4 本章小结

第四章 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

致谢

附录