埋入式声发射传感器与混凝土的相容性和耦合机理研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
51072069
项目类别：
面上项目
资助金额：
39.0万
负责人：
程新
依托单位：
济南大学
学科分类：
E0202.无机非金属基础材料
结题年份：
2013
批准年份：
2010
项目状态：
已结题
起止时间：
2011-01-01 至2013-12-31

项目参与者：
秦磊；黄世峰；彭亚萍；徐东宇；任宏伟；鞠超；孙敏；
关键词：
相容性混凝土声发射监测水泥基压电复合材料耦合机理

项目摘要

声发射技术可以对混凝土破坏的全过程实施实时、动态监测，这对提高结构的可靠性、安全性、降低维护费用等具有非常重要的意义。传感器与混凝土的相容性和耦合作用是制约混凝土声发射监测技术发展的主要因素。本研究针对混凝土声发射信号的特点，以水泥为基体，压电陶瓷为功能体，制备机械品质因数低、声阻抗与混凝土相匹配的水泥基压电复合材料，并以此为感知元件制备适合于混凝土声发射监测的埋入式传感器。探讨传感器的力学、声学性能，研究传感器与混凝土的相容性，明确此相容性与传感器性能的相关性；研究传感器埋入混凝土前后性能的变化规律，分析边界条件对传感器振动模式的影响，明确传感器与混凝土的耦合机理，建立传感器－混凝土一体化模型；研究埋入式传感器所接收声发射信号的首波上升沿、波幅、频谱响应等特征，进行混凝土声发射源的精确定位，实现对混凝土的健康监测。本研究不仅有重要的理论意义，而且更具有重要的工程应用价值。

结项摘要

混凝土是土木工程中应用最广泛的结构材料，在其服役过程中，将不可避免的产生材料性能退化、损伤累积及断裂，在整个断裂过程中都会伴随有声发射产生。因此采用声发射技术对混凝土结构进行实时在线监测具有重要意义。本项目根据混凝土声发射技术对声发射传感器在宽频、相容特性等方面的要求，制备了适合埋入混凝土中进行声发射监测传感器，并对其声发射参数开展了相关试验研究，给出了声发射参数的确定方法，确定了最佳声发射基本参数；利用声发射技术，通过模拟声波在已知距离的两传感器间传播的时间差，分别进行了不同距离下砂浆、素混凝土和钢筋混凝土三种不同的水泥基材料中声发射波速试验，确定了声发射传感器在不同边界条件下对水泥基材料声发射波速变化的监测能力，通过实验研究获得了声波在不同水泥基材料中的传播规律；并将声发射传感器埋入混凝土中，通过铅笔断铅模拟声发射源进行3D定位试验，并与外置式试验结果对比，确定了合理布置传感器后埋入式传感器对声发射3D定位精度的提高程度，证明了将传感器埋入混凝土中对实现其声发射定位具有一定的可行性和有效性；抗压试验结果表明声发射传感器能够准确的反应出水泥基材料在受压过程中的连续性信号，随着加载过程的进行，声发射信号的幅值等都有明显的增加，当载荷超过破坏载荷的70%左右时，声发射信号能量突然增加；三点弯曲试验结果表明，撞击实验曲线和试验机加载曲线之间有很好的一致性，整个声发射过程可分为3个阶段，即初始阶段、稳定阶段和不稳定阶段，所接收的声发射信号能够很好的反应混凝土的断裂过程。总之，运用埋入式声发射传感器，能够在线、实时、原位的对混凝土结构中裂缝发展进行定位监测，及时反映水泥基材料裂缝损伤的发展并做出预测和评估。