CN104165907A - 基于压电阻抗法的混凝土试块固化过程监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于压电阻抗法的混凝土试块固化过程监测方法，从粘贴在混凝土试块的压电陶瓷的压电导纳信号中提取共振频率偏移指标和均方根偏差偏移指标监测混凝土试块抗压强度和弹性模量在固化过程中的变化。为混凝土试块抗压强度和弹性模量在固化过程中的实时监测提供了新的途径。与现有技术相比，本发明可以实现快速监测，能够在没有压力机情况下快速得到混凝土试块抗压强度和弹性模量，从而准确控制混凝土在浇筑过程中的质量。

Description

基于压电阻抗法的混凝土试块固化过程监测方法

技术领域

本发明涉及一种结构监测技术，特别涉及一种基于压电阻抗法的混凝土试块固化过程监测方法。

背景技术

作为混凝土结构设计的重要依据，抗压强度和弹性模量是混凝土主要的力学性质。按照传统的方法，通常要对混凝土试件进行28天标准养护后，通过测试方可获得。对于施工现场来说，在获悉抗压强度之前，常常已经浇灌了某种配合比的大量的混凝土，而不知道它是否满足要求。相反，如果能在浇筑混凝土后数小时内得到其预期的28天强度和弹性模量，就可以采取包括调整配合比等措施控制混凝土的质量。

发明内容

本发明是针对在混凝土结构在浇筑后监测的重要性的问题，提出了一种基于压电阻抗法的混凝土试块固化过程监测方法，通过粘贴在混凝土试块的压电陶瓷的压电导纳信号中监测混凝土试块抗压强度和弹性模量在固化过程中的变化。

本发明的技术方案为：一种基于压电阻抗法的混凝土试块固化过程监测方法，具体包括如下步骤：

1）在混凝土试块上粘贴压电陶瓷片，将阻抗分析仪与压电陶瓷片相连，对混凝土试块进行压电阻抗测试并获取混凝土试块抗压强度、弹性模量和压电陶瓷的压电导纳信号；

2）对压电导纳信号进行分析处理，得到混凝土试块的抗压强度和弹性模量所对应的共振频率和均方根偏差；

3）选取第28天后的混凝土试块抗压强度、弹性模量和测得的压电导纳信号作为参考信号，对共振频率和均方根偏差进行分析处理，得到共振频率偏移指标和均方根偏差偏移指标；

4）由混凝土试块的抗压强度、弹性模量与共振频率偏移指标、均方根偏差偏移指标建立的关系得到混凝土试块固化过程中的抗压强度和弹性模量变化关系,根据这种关系可以得到混凝土试块的抗压强度和弹性模量。

所述步骤2）均方根偏差的计算公式为：

                 

式中：Y _k 为压电导纳信号，N为压电导纳信号的采样点数目，i为初始状态下的压电导纳信号，j为采集状态下的压电导纳信号。

所述步骤3）中共振频率偏移指标的计算公式为：

△f/△f _u =( f _j –f _i )/( f _u –f _i )，f _i 为初始状态下的共振频率，f _j 为28天内采集状态下的共振频率，f _u 为最终状态下的共振频率，均方根偏差偏移指标的计算公式为：

△R/△R _u =(R _j –R _i )/(R _u –R _i )，R _i 为初始状态下的均方根偏差，R _j 为28天内采集状态下的均方根偏差，R _u 为最终状态下的均方根偏差。

本发明的有益效果在于：本发明基于压电阻抗法的混凝土试块固化过程监测方法，为混凝土试块抗压强度和弹性模量在固化过程中的实时监测提供了新的途径。与现有技术相比，本发明可以实现快速监测，能够在没有压力机情况下快速得到混凝土试块抗压强度和弹性模量，从而准确控制混凝土在浇筑过程中的质量。

附图说明

图1为本发明对混凝土试块固化过程监测的原理示意图；

图2为本发明实施算例中混凝土试块的压电导纳图；

图3为本发明实施算例中以共振频率偏移为指标的相对混凝土试块抗压强度经验曲线拟合图；

图4为本发明实施算例中以共振频率偏移为指标的相对弹性模量经验曲线拟合图；

图5为本发明实施算例中以均方根偏差偏移为指标的相对混凝土试块抗压强度经验曲线拟合图；

图6为本发明实施算例中以均方根偏差偏移为指标的相对弹性模量经验曲线拟合图。

具体实施方式

一种基于压电阻抗法的混凝土试块固化过程监测方法，从粘贴在混凝土试块的压电陶瓷的压电导纳信号中提取共振频率偏移指标和均方根偏差偏移指标监测混凝土试块抗压强度和弹性模量在固化过程中的变化。进一步，其包括以下步骤：

1）对混凝土试块进行压电阻抗测试并获取混凝土试块抗压强度、弹性模量和压电陶瓷的压电导纳信号；

2）对压电导纳信号进行分析处理，得到共振频率和均方根偏差，均方根偏差的计算公式为：

              

式中：Y _k 为压电导纳信号，N为压电导纳信号的采样点数目，i为初始状态下的压电导纳信号，j为采集状态下的压电导纳信号；

3）选取第28天后的混凝土试块抗压强度、弹性模量和测得的压电导纳信号作为参考信号，对共振频率和均方根偏差进行分析处理，得到共振频率偏移指标和均方根偏差偏移指标，共振频率偏移指标的计算公式为：

△f/△f _u =( f _j –f _i )/( f _u –f _i )，f _i 为初始状态下的共振频率，f _j 为28天内采集状态下的共振频率，f _u 为最终状态下的共振频率，均方根偏差偏移指标的计算公式为：

△R/△R _u =(R _j –R _i )/(R _u –R _i )，R _i 为初始状态下的均方根偏差，R _j 为28天内采集状态下的均方根偏差，R _u 为最终状态下的均方根偏差；

4）由混凝土试块的抗压强度、弹性模量与共振频率偏移指标、均方根偏差偏移指标建立的关系得到混凝土试块固化过程中的抗压强度和弹性模量变化关系,根据这种关系可以得到混凝土试块的抗压强度和弹性模量。

在混凝土试块上粘贴压电陶瓷片，将阻抗分析仪与压电陶瓷片相连，采用压力机测量混凝土试块抗压强度和弹性模量。

根据压电导纳信号提取混凝土试块的抗压强度和弹性模量所对应的共振频率和均方根偏差。

根据混凝土试块的抗压强度和弹性模量所对应的共振频率和均方根偏差，提取共振频率偏移指标和均方根偏差偏移指标。

由混凝土试块的抗压强度、弹性模量与共振频率偏移指标、均方根偏差偏移指标建立的关系得到混凝土试块固化过程中的抗压强度和弹性模量的变化关系。

压电阻抗法的工作原理：

基于压电陶瓷的压电阻抗法是应用压电陶瓷的力-电耦合特性，综合考虑压电陶瓷的动态特性和被测结构的阻抗信息而提出的一种实时监测方法。采用一维模型模拟压电陶瓷与混凝土结构之间的相互作用（图1），建模时需考虑压电陶瓷的动态特征和本体结构的阻抗，模拟时压电陶瓷在交变电压作用下被看成一个薄片，仅能产生纵向膨胀和收缩。压电陶瓷与混凝土结构耦合作用下的电导纳公式为：

                                        （2）

                                                                           （3）

式中：Y(ω)为导纳值（阻抗的倒数），能够在压电陶瓷上测得；I、V分别为压电陶瓷的输出电流和电压；Z _a 、Z _s 分别为压电陶瓷和本体结构的压电阻抗值；w _a 、l _a 、h _a 分别为压电陶瓷的宽度、长度和厚度；ω为所加激励的角频率；，ρ为压电陶瓷的密度；为电场强度E ₃为零（或常数）时的复弹性模量，E _p 为弹性模量，η为机械损耗因数；d ₃₁为压电应变常数；E ₃为所加电场强度；为应力T ₁为零（或常数）时的复介电常数，为介电常数，δ为介电损耗因数。

式(1)中的第一项是压电陶瓷本身的导纳值，随频率的增加而逐渐增大；第二项包括压电陶瓷和混凝土试块的阻抗，混凝土试块在固化过程中刚度和阻尼发生改变影响到混凝土试块的工作性能，从而导致混凝土试块的阻抗Z_s发生变化，而压电陶瓷粘贴在混凝土试块上，它本身的阻抗Z_a是不变的，因此混凝土试块的阻抗值Z_s唯一地决定第二项的数值变化。因此，可以认为任何导纳信号的改变都是由混凝土试块固化引起的。

经验曲线拟合：

因为共振频率偏移与均方根偏差指标跟混凝土试块的抗压强度和弹性模量在龄期内的变化有很大的关联，因此可以建立混凝土试块的相对强度和相对弹性模量（S/Su）与共振频率偏移和均方根偏差偏移指标之间的数学公式关系，从而可以预测混凝土抗压强度和弹性模量在固化过程中变化。采用指数函数来进行曲线拟合。

                 （4）

式中：x分别为共振频率偏移和数理统计指标；c ₁和c ₂分别为经验拟合系数。

同时，采用确定系数r ²来判断拟合曲线对测量值的拟合程度，r ²越高，表明拟合曲线对测量值的拟合程度越高。确定系数r ²的计算公式为：

                （5）

式中：y _i 为测量值；f _i 为用拟合公式计算的拟合值，n为测量点的数目，如图3所示，y _i 为相对立方体强度测量值，f _i 为拟合公式计算的相对立方体强度拟合值。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：基于压电陶瓷的压电阻抗监测方法为混凝土试块抗压强度和弹性模量在固化过程中的实时监测提供了新的途径。与现有技术相比，本发明可以实现快速监测，能够在没有压力机情况下快速得到混凝土试块抗压强度和弹性模量，从而准确控制混凝土在浇筑过程中的质量。

制作三组强度等级混凝土试块，分别为MixA、MixB和MixC，混凝土试块尺寸为150mm×150mm×150mm，在混凝土试块表面粘贴尺寸为10mm×10mm×0.2mm的压电陶瓷片。具体实施步骤为：

1）对混凝土试块进行压力试验，通过压力机得到混凝土试块的抗压强度和弹性模量，通过阻抗分析仪得到压电陶瓷的压电导纳信号，压电陶瓷的压电导纳信号见图2。

2）对压电导纳信号进行分析处理，得到共振频率和均方根偏差。

3）选取第28天后的混凝土试块抗压强度、弹性模量和测得的压电导纳信号作为参考信号，对共振频率和均方根偏差进行分析处理，得到共振频率偏移指标和均方根偏差偏移指标。根据共振频率偏移指标和均方根偏差偏移指标进行经验曲线拟合建立混凝土试块抗压强度、弹性模量和共振频率偏移指标、均方根偏差偏移指标之间的关系，分别如图3、4、5、6所示，由这种关系得到混凝土试块固化过程中抗压强度和弹性模量的变化。

Claims (3)

1.一种基于压电阻抗法的混凝土试块固化过程监测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）在混凝土试块上粘贴压电陶瓷片，将阻抗分析仪与压电陶瓷片相连，对混凝土试块进行压电阻抗测试并获取混凝土试块抗压强度、弹性模量和压电陶瓷的压电导纳信号；

2）对压电导纳信号进行分析处理，得到混凝土试块的抗压强度和弹性模量所对应的共振频率和均方根偏差；

3）选取第28天后的混凝土试块抗压强度、弹性模量和测得的压电导纳信号作为参考信号，对共振频率和均方根偏差进行分析处理，得到共振频率偏移指标和均方根偏差偏移指标；

4）由混凝土试块的抗压强度、弹性模量与共振频率偏移指标、均方根偏差偏移指标建立的关系得到混凝土试块固化过程中的抗压强度和弹性模量变化关系,根据这种关系可以得到混凝土试块的抗压强度和弹性模量。

2.根据权利要求1所述基于压电阻抗法的混凝土试块固化过程监测方法，其特征在于，所述步骤2）均方根偏差的计算公式为：

       

式中：Y _k 为压电导纳信号，N为压电导纳信号的采样点数目，i为初始状态下的压电导纳信号，j为采集状态下的压电导纳信号。

3.根据权利要求2所述基于压电阻抗法的混凝土试块固化过程监测方法，其特征在于，所述步骤3）中共振频率偏移指标的计算公式为：

△f/△f _u =( f _j –f _i )/( f _u –f _i )，f _i 为初始状态下的共振频率，f _j 为28天内采集状态下的共振频率，f _u 为最终状态下的共振频率，均方根偏差偏移指标的计算公式为：

△R/△R _u =(R _j –R _i )/(R _u –R _i )，R _i 为初始状态下的均方根偏差，R _j 为28天内采集状态下的均方根偏差，R _u 为最终状态下的均方根偏差。