CN110455914B - 基于内置压电陶瓷元件的灌浆套筒内部灌浆状态检测方法 - Google Patents

Abstract

基于内置压电陶瓷元件的灌浆套筒内部灌浆状态检测方法，涉及结构监测和无损检测的技术领域。本发明是为了解决现有对钢筋套筒内灌浆料的密实度进行监测的方法无法精确评估灌浆套筒内部各部位灌浆状态的问题。在灌浆套筒内表面且分别靠近灌浆套筒上的灌浆口、排浆口和灌浆套筒中部三处位置中的其中一处或三处位置粘贴压电陶瓷片，压电陶瓷片通过信号线与超声导波激励接收装置或电阻抗测试仪器连接；将模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的超声导波信号和采集到的灌浆套筒内部未灌浆时的超声导波信号均作为超声导波参考信号，采集灌浆完成并硬化后的超生导波信号与所述参考信号对比，判断套筒内灌浆状态。用于检测灌浆套筒内部灌浆状态。

Description

基于内置压电陶瓷元件的灌浆套筒内部灌浆状态检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于内置压电陶瓷元件的灌浆套筒施工质量检测与监测方法，主要用于各类土木工程结构中灌浆套筒的施工质量检测与监测，属于结构监测和无损检测的技术领域。

背景技术

预制装配式混凝土结构是以构件预制化生产、装配式施工为生产方式，以设计标准化、构件产品化、施工机械化为特征，能够整合设计、生产、施工等整个产业链，实现建筑产品节能、环保、全生命周期价值最大化的可持续发展的新型建筑生产方式。预制拼装混凝土结构其中一个关键技术点是预制构件间的连接。目前主要的连接形式有，灌浆套筒连接、灌浆金属波纹管、预应力连接等。其中灌浆套筒连接，现场施工所需时间短、不需要张拉预应力筋、现场工作量显著减小、正常使用条件下力学性能与传统现浇结构类似，具有一定的力学和经济优越性，是目前应用最为广泛、最为成熟的连接形式。

如图1至3所示，灌浆套筒由带肋钢筋6、灌浆套筒2和灌浆料7所组成。连接技术原理是：将带肋钢筋6插入灌浆套筒2后，将灌浆料7灌入灌浆套筒2，充满灌浆套筒2与带肋钢筋6之间的间隙，灌浆料7硬化后与带肋钢筋6和灌浆套筒2内壁形成紧密啮合，并在带肋钢筋6和灌浆套筒2之间有效传力，即将灌浆套筒2内的两根带肋钢筋6连接在一起。灌浆套筒是装配式混凝土结构中最关键的技术和施工步骤之一。灌浆套筒的施工质量及其受力状态也是保证装配式混凝土结构在各种荷载作用下结构整体性能和安全的最重要因素之一。

灌浆套筒位于装配式混凝土结构内部，在施工阶段处于隐蔽位置，因此其施工质量不易控制，可能发生如漏浆、灌浆不饱满、不密实等现象，由此导致受力钢筋锚固长度减小，影响带肋钢筋6与灌浆套筒2之间的有效传力，从而影响整个结构的受力性能和抗震性能等。同时，由于灌浆套筒所处的位置，对其灌浆质量、灌浆固化过程、受力状态等进行实时监测或检测也存在很大难度。目前，施工过程中如何检测或监测灌浆套筒灌浆质量已成为工程界普遍关注的问题。

近几年，国内外学者和技术人员已提出了几种灌浆套筒施工质量检测技术，如超声法、预埋光纤法、预埋热敏电阻、外贴压电传感器等。由于灌浆套筒中的钢套筒壁厚较大(通常4～12毫米)，在结构外部使用超声法检测灌浆套筒施工质量时，超声波及其反射波很难两次穿透外层厚混凝土和钢套筒，此外，在结构外部无法对灌浆套筒进行精确定位，结构中钢筋对超声信号的干扰等因素都导致超声法检测灌浆套筒内部灌浆料的密实度成功率不高。其他几种方法也都存在一定的局限性。如公布号为CN108226230A，发明专利申请名称为“一种基于压电阻抗效应的钢筋套筒灌浆料密实度缺陷监测方法”的内容是通过在连接受力钢筋的套筒表面预埋压电陶瓷片，用细软导线将压电陶瓷片与精密阻抗分析仪连接，测量压电陶瓷片的电导纳信号，从而定量判断套筒内灌浆密实度。该方法在一定程度上可对套筒内灌浆密实度进行定量分析，但由于传感器粘贴于灌浆套筒外表面，其对内部灌浆状态并不十分敏感，且易受套筒外部混凝土状态影响，无法精确评估灌浆套筒内部各部位灌浆状态。

发明内容

本发明是为了解决现有对钢筋套筒内灌浆料的密实度进行监测的方法无法精确评估灌浆套筒内部各部位灌浆状态的问题。现提供基于内置压电陶瓷元件的灌浆套筒内部灌浆状态检测方法。

基于内置压电陶瓷元件的灌浆套筒内部灌浆状态检测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、在灌浆套筒内表面且分别靠近灌浆套筒上的灌浆口1、排浆口2和灌浆套筒中部三处位置中的其中一处位置上粘贴压电陶瓷片5或者在三处位置上均粘贴压电陶瓷片5，粘贴好的压电陶瓷片5通过信号线8与超声导波激励接收装置或电阻抗测试仪器连接；

步骤二、利用超声导波激励接收装置向其中一处位置上的压电陶瓷片5施加电压信号，使该位置上的压电陶瓷片5激发超声导波信号，同时使用超声导波激励接收装置分别接收该处位置上或者另外两处位置上的压电陶瓷片5采集到的超声导波信号；

将模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的超声导波信号和采集到的灌浆套筒内部未灌浆时的超声导波信号均作为超声导波参考信号，并采集灌浆完成并硬化后的超生导波信号；

或者利用电阻抗测试仪器向三处位置上的压电陶瓷片5施加激励信号，同时使用电阻抗测试仪器分别接收三处位置上的压电陶瓷片5反馈的电阻抗信号，

将模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的电阻抗参考信号和采集到的灌浆套筒内部未灌浆时的电阻抗信号均作为电阻抗参考信号，并采集灌浆完成并硬化后的电阻抗信号；

步骤三、将灌浆完成并硬化后的超声导波信号与超声导波参考信号对比判断套筒内灌浆状态：

当采用其中一个压电陶瓷片5同时激发超声导波信号并接收从灌浆套筒端部或未饱满的灌浆料反射的超声导波信号时，超声导波激励接收装置通过采集该反射的超声导波信号的波包数和幅值判断灌浆是否饱满，若在设定时间内只接收到一个反射的超声导波信号波包，且该波包幅值小于灌浆套筒内部未灌浆时的超声导波参考信号的幅值或近似等于模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的超声导波参考信号的幅值，说明灌浆饱满；若在设定时间内接收到了多于一个的反射超声导波信号波包或在设定时间内接收到的超声导波信号波包数和幅值与模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的超声导波参考信号波包数和幅值不同，说明灌浆不饱满；

当从另外两处位置上的压电陶瓷片5分别采集到两个透射的超声导波信号，如果该两个超声导波信号的幅值，均与灌浆套筒内部未灌浆时采集的超声导波参考信号的幅值近似相等，而均大于模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的超声导波参考信号的幅值，说明灌浆料与套筒壁粘结不完全，灌浆套筒内的灌浆料产生硬化收缩的状态；

将灌浆完成并硬化后的电阻抗信号与电阻抗参考信号对比判断套筒内灌浆状态：

将从三个位置处的压电陶瓷片采集到的电阻抗信号分别构成三个曲线，将该三个曲线分别与灌浆套筒内部未灌浆时的电阻抗参考信号对比，若该三个曲线相对电阻抗参考信号构成的曲线峰值均发生向右偏移的情况且三个曲线峰值向右偏移的频率相等，说明灌浆套筒在灌浆口1、排浆口2和灌浆套筒中部位置的灌浆料均为饱满状态；若三个曲线相对电阻抗参考信号构成的曲线峰值均发生向右偏移的情况，且三个曲线峰值向右偏移的频率不等，三个曲线峰值中向右偏移频率最小的位置处的灌浆料为未饱满状态；

将从三个位置处的压电陶瓷片采集到的电阻抗信号分别构成三个曲线，将该三个曲线分别与模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的电阻抗参考信号对比，若该三个曲线均与模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的电阻抗参考信号构成的曲线峰值位置近似相等，说明灌浆套筒在灌浆口1、排浆口2和灌浆套筒中部位置的灌浆料均为饱满状态；若三个曲线与模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的电阻抗参考信号构成的曲线峰值相比均发生向左偏移的情况，且三个曲线峰值向左偏移的频率不等且偏移最大位置处的灌浆料为未饱满状态；

灌浆料硬化若干时间后，从三处位置上的压电陶瓷片5采集到电阻抗信号分别构成三个曲线，将该三个曲线分别与模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的电阻抗参考信号号构成的曲线峰值相比，若该三个曲线与电阻抗参考信号构成的曲线峰值位置近似相等，说明灌浆套筒在灌浆口1、排浆口2和灌浆套筒中部位置的灌浆料均粘结完全；若三个曲线与模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的电阻抗参考信号构成的曲线相比均发生向左偏移的情况，且三个曲线峰值向左偏移的频率不等，三个曲线中偏移最大的位置处的灌浆料为不完全粘结状态。

优选的，压电陶瓷片5为矩形片、环形片或者扇环片。

优选的，步骤二中的电压信号为高频窄带电压信号。

本发明的有益效果为：

本申请将压电陶瓷片粘贴在套筒内表面，利用压电陶瓷片的正逆压电效应，将其中一处位置上的压电陶瓷片作为驱动器，在其上施加高频窄带电压信号，可激发超声导波在灌浆套筒内传播，另外两处位置上或该处位置上的压电陶瓷片作为传感器，接收经过灌浆套筒筒体和内部灌浆传播而来的超声导波信号。空灌浆套筒中，超声导波只沿筒壁传播，此时超声导波可以考虑为在空圆柱体内传播。部分或完全灌浆之后，如图3至图5所示，超声导波会通过筒壁和内部灌浆料同时传播，此时超声导波可以考虑为在具有双层材料的实心圆柱体内传播。上述两种状态超声导波信号差异很大。此外，灌浆料不饱满，未覆盖压电陶瓷片，也会影响超声导波信号的传播特征。最后，如果硬化后发生灌浆料收缩现象，脱离套筒和压电陶瓷片，超声导波又恢复到在部分空心圆柱体内传播的状态。因此，分析灌浆之前及灌浆之后超声导波信号特征，可判断灌浆料是否饱满、灌浆料是否产生硬化收缩的状态。

本申请还可以利用压电陶瓷片的机电耦合特性，通过直接测量压电陶瓷片的电阻抗，间接反应灌浆套筒及其内部灌浆料的机械阻抗。压电陶瓷片粘贴于灌浆套筒内表面后，与灌浆套筒形成机电耦合系统。此时，压电陶瓷片的电阻抗会受到如下因素影响：灌浆料是否覆盖特定位置压电陶瓷片、灌浆料在套筒内的充满程度、灌浆料硬化过程中的收缩。因此，通过测量压电陶瓷片的电阻抗也可分析判断灌浆料是否饱满、灌浆料是否发生硬化收缩导致灌浆料不完全粘结状态。

在实际工程应用中，各种外部影响因素和测试噪声等都有可能影响测试结果的精度，本申请充分利用同一套压电传感元件，将上述两种测量方法的检测结果相互校核补充，可更精确地判断灌浆套筒的施工质量。

本申请提出的基于内置压电陶瓷元件的灌浆套筒内部灌浆状态检测方法，与其他检测原理的灌浆套筒相比，使用的压电传感器轻薄、成本低、对套筒影响小、结构简单、无复杂电路、耐久性好、制作方式简单。利用一种传感元件，实现两种传感原理的测量。通过后期数据分析可实现对灌浆套筒施工全过程更精确的检测和长期监测，及时发现施工质量不合格的灌浆套筒连接件，从而保证了结构整体安全。

附图说明

图1为压电陶瓷片在灌浆套筒内的位置图；

图2为放入带肋钢筋后的灌浆套筒的结构示意图；

图3为灌浆套筒内部分灌浆的状态图；

图4为灌浆套筒内更多部分灌浆的状态图；

图5为灌浆套筒内全部灌浆的状态图；

图6为灌浆套筒内压电陶瓷片与超声导波激励与接收仪器或电阻抗测试仪器的连接图；

图7(a)、图7(b)、图7(c)和图7(d)均为压电陶瓷片的形状图；

图8为超声导波激励接收装置激发出的高频窄带电压信号图；

图9为图8中信号的傅里叶谱信号；

图10为灌浆套筒内未灌浆时压电陶瓷片接收到的超声导波信号的曲线示意图；

图11为灌浆套筒内部分灌浆时压电陶瓷片接收到的超声导波信号的曲线示意图；

图12为灌浆套筒内全部灌浆时压电陶瓷片接收到的超声导波信号的曲线示意图；

图13为灌浆套筒内未灌浆时电阻抗信号的曲线示意图；

图14为灌浆套筒内部分灌浆时电阻抗信号的曲线示意图；

图15为灌浆套筒内全部灌浆时电阻抗信号的曲线示意图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例所述的基于内置压电陶瓷元件的灌浆套筒内部灌浆状态检测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、将压电陶瓷片5粘贴在灌浆套筒内表面且靠近灌浆套筒上的排浆口2处的位置上，将压电陶瓷片5通过信号线8与超声导波激励接收装置或电阻抗测试仪器连接；

步骤二、利用超声导波激励接收装置向该位置上的压电陶瓷片5施加电压信号，使该位置上的压电陶瓷片5激发超声导波信号，同时使用超声导波激励接收装置接收该位置上采集到的超声导波信号；

将模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的超声导波信号和采集到的灌浆套筒内部未灌浆时的超声导波信号均作为超声导波参考信号，并采集灌浆完成并硬化后的超生导波信号；

步骤三、将灌浆完成并硬化后的超声导波信号与超声导波参考信号对比判断套筒内灌浆状态：

采用灌浆口1处的压电陶瓷片5同时激发超声导波信号并接收从灌浆套筒端部或未饱满的灌浆料反射的超声导波信号时，超声导波激励接收装置通过采集该反射的超声导波信号的波包数和幅值判断灌浆是否饱满，若在设定时间内只接收到一个反射的超声导波信号波包，且该波包幅值小于灌浆套筒内部未灌浆时的超声导波参考信号的幅值或近似等于模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的超声导波参考信号的幅值，说明灌浆饱满；若在设定时间内接收到了多于一个的反射超声导波信号波包或在设定时间内接收到的超声导波信号波包数和幅值与模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的超声导波参考信号波包数和幅值不同，说明灌浆不饱满。

本实施例中，压电陶瓷片的正负极可分别在两面，也可将一极上翻，两极在同一面。压电陶瓷片正负极分别接有细信号线(以图7中5为例，8为正极和负极连接的信号线)。信号线最终沿套筒表面接出，并留有一定长度，可在结构施工结束后连接到测试仪器上。此外，套筒中的压电陶瓷片需做防水处理。

如图6所示，将两个部分圆弧形压电陶瓷片分别粘贴于灌浆套筒灌浆口及排浆口靠近橡胶密封圈一侧。附图标记5为放大显示的部分圆弧形压电陶瓷片，该压电陶瓷片的负极引入到内表面，使得正负极同时在压电陶瓷片的内表面，便于连接信号线，正负极之间设有绝缘带。信号线8为两芯屏蔽电缆，可将压电陶瓷片正负极接入超声导波激励接收装置或电阻抗测量装置。

本实施例中，首先，当灌浆套筒内部为空时，对一处位置上的压电陶瓷片施加图8所示的中心频率为160kHz(图9所示)的窄带电压，以此激发超声导波在空套筒内传播，使用该处位置上的压电陶瓷片作为接收端来接收超声导波信号，如图10所示，将接收到的信号作为超声导波参考曲线。

当灌浆不同程度时，使用一处位置上的压电陶瓷片激励超声导波，在有部分灌浆料的套筒中传播，采用超声导波激励接收装置采集该处位置上压电陶瓷片所接收到的超声导波信号，其特征如图11所示，其中在当前部分灌浆位置处会反射产生新的波包，分析超声导波信号的幅值、波速等特征。

模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态为通过试验模拟出的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好的状态，可以通过其他手段(如切割后观察确认)确定的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结良好的完好状态。

本实施例的压电陶瓷片5为矩形片、环形片或者扇环片。

压电陶瓷片的尺寸(包括厚度、边长或弧长等)由两方面因素确定，一是的灌浆套筒内径和肋间距；二是根据计算压电陶瓷片的谐振频率，使其作为传感器可以获得最大的响应信号。当压电陶瓷片尺寸较小时，可以使用矩形片；当其尺寸稍大时，可采用环形片或部分环形片，如图7所示。

本实施例的步骤二中的电压信号为高频窄带电压信号。

实施例2：

本实施例所述的基于内置压电陶瓷元件的灌浆套筒内部灌浆状态检测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、将多个压电陶瓷片5粘贴在灌浆套筒内表面且分别靠近灌浆套筒上的灌浆口1、排浆口2和灌浆套筒中部三处位置上，将多个压电陶瓷片5通过信号线8与超声导波激励接收装置或电阻抗测试仪器连接；

步骤二、利用超声导波激励接收装置向其中一处位置上的压电陶瓷片5施加电压信号，使该位置上的压电陶瓷片5激发超声导波信号，使用超声导波激励接收装置接收另外两处位置上的压电陶瓷片5采集到的超声导波信号；

将模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的超声导波信号和采集到的灌浆套筒内部未灌浆时的超声导波信号均作为超声导波参考信号，并采集灌浆完成并硬化后的超生导波信号；

步骤三、将灌浆完成并硬化后的超声导波信号与超声导波参考信号对比判断套筒内灌浆状态：

当从另外两处位置上的压电陶瓷片5分别采集到两个透射的超声导波信号，如果该两个超声导波信号的幅值，均与灌浆套筒内部未灌浆时采集的超声导波参考信号的幅值近似相等，而均大于模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的超声导波参考信号的幅值，说明灌浆料与套筒壁粘结不完全，灌浆套筒内的灌浆料产生硬化收缩的状态。

本实施例中，压电陶瓷片的正负极可分别在两面，也可将一极上翻，两极在同一面。压电陶瓷片正负极分别接有细信号线(以图7中5为例，8为正极和负极连接的信号线)。信号线最终沿套筒表面接出，并留有一定长度，可在结构施工结束后连接到测试仪器上。此外，套筒中的压电陶瓷片需做防水处理。

如图6所示，将两个部分圆弧形压电陶瓷片分别粘贴于灌浆套筒灌浆口及排浆口靠近橡胶密封圈一侧。附图标记5为放大显示的部分圆弧形压电陶瓷片，该压电陶瓷片的负极引入到内表面，使得正负极同时在压电陶瓷片的内表面，便于连接信号线，正负极之间设有绝缘带。信号线8为两芯屏蔽电缆，可将压电陶瓷片正负极接入超声导波激励接收装置或电阻抗测量装置。

灌浆口1、排浆口2和灌浆套筒中部三处位置中各粘贴一个压点陶瓷片。

本实施例中，首先，当灌浆套筒内部为空时，对一处位置上的压电陶瓷片施加图8所示的中心频率为160kHz(图9所示)的窄带电压，以此激发超声导波在空套筒内传播，使用另外两处位置上的压电陶瓷片分别接收超声导波信号，将接收到的信号作为超声导波参考曲线。

当灌浆完成时，使用其中一处位置上的压电陶瓷片激励超声导波，另外两处位置上的压电陶瓷片接收到的信号如图12所示，由于灌浆料对超声导波能量的损耗，导波信号幅值相对较低，再分析超声导波信号的幅值和波速等特征可判断灌浆饱满。

最后，在灌浆套筒使用一段时间之后，在某些情况下，灌浆料硬化后可能产生收缩，脱离套筒和压电陶瓷片，套筒整体刚度变小，此时，超声导波信号幅值会变大，由此判断灌浆料的收缩情况。

模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态为通过试验模拟出的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好的状态。可以通过其他手段(如切割后观察确认)确定的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结良好的完好状态。

本实施例的压电陶瓷片5为矩形片、环形片或者扇环片。

压电陶瓷片的尺寸(包括厚度、边长或弧长等)由两方面因素确定，一是的灌浆套筒内径和肋间距；二是根据计算压电陶瓷片的谐振频率，使其作为传感器可以获得最大的响应信号。当压电陶瓷片尺寸较小时，可以使用矩形片；当其尺寸稍大时，可采用环形片或部分环形片，如图7所示。

本实施例的步骤二中的电压信号为高频窄带电压信号。

实施例3：

本实施例所述的基于内置压电陶瓷元件的灌浆套筒内部灌浆状态检测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、将多个压电陶瓷片5粘贴在灌浆套筒内表面且分别靠近灌浆套筒上的灌浆口1、排浆口2和灌浆套筒中部三处位置上，将多个压电陶瓷片5通过信号线8与超声导波激励接收装置或电阻抗测试仪器连接；

步骤二、利用电阻抗测试仪器向三处位置上的压电陶瓷片5施加激励信号，同时使用电阻抗测试仪器分别接收三处位置上的压电陶瓷片5反馈的电阻抗信号，

将模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的电阻抗参考信号和采集到的灌浆套筒内部未灌浆时的电阻抗信号均作为电阻抗参考信号，并采集灌浆完成并硬化后的电阻抗信号；

步骤三、将灌浆完成并硬化后的电阻抗信号与电阻抗参考信号对比判断套筒内灌浆状态：

将从三个位置处的压电陶瓷片采集到的电阻抗信号分别构成三个曲线，将该三个曲线分别与灌浆套筒内部未灌浆时的电阻抗参考信号对比，若该三个曲线相对电阻抗参考信号构成的曲线峰值均发生向右偏移的情况且三个曲线峰值向右偏移的频率相等，说明灌浆套筒在灌浆口1、排浆口2和灌浆套筒中部位置的灌浆料均为饱满状态；若三个曲线相对电阻抗参考信号构成的曲线峰值均发生向右偏移的情况，且三个曲线峰值向右偏移的频率不等，三个曲线峰值中向右偏移频率最小的位置处的灌浆料为未饱满状态；

将从三个位置处的压电陶瓷片采集到的电阻抗信号分别构成三个曲线，将该三个曲线分别与模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的电阻抗参考信号对比，若该三个曲线均与模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的电阻抗参考信号构成的曲线峰值位置近似相等，说明灌浆套筒在灌浆口1、排浆口2和灌浆套筒中部位置的灌浆料均为饱满状态；若三个曲线与模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的电阻抗参考信号构成的曲线峰值相比均发生向左偏移的情况，且三个曲线峰值向左偏移的频率不等且偏移最大位置处的灌浆料为未饱满状态；

灌浆料硬化若干时间后，从三处位置上的压电陶瓷片5采集到电阻抗信号分别构成三个曲线，将该三个曲线分别与模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的电阻抗参考信号号构成的曲线峰值相比，若该三个曲线与电阻抗参考信号构成的曲线峰值位置近似相等，说明灌浆套筒在灌浆口1、排浆口2和灌浆套筒中部位置的灌浆料均粘结完全；若三个曲线与模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的电阻抗参考信号构成的曲线相比均发生向左偏移的情况，且三个曲线峰值向左偏移的频率不等，三个曲线中偏移最大的位置处的灌浆料为不完全粘结状态。

本实施例中，压电陶瓷片的正负极可分别在两面，也可将一极上翻，两极在同一面。压电陶瓷片正负极分别接有细信号线(以图7中5为例，8为正极和负极连接的信号线)。信号线最终沿套筒表面接出，并留有一定长度，可在结构施工结束后连接到测试仪器上。此外，套筒中的压电陶瓷片需做防水处理。

如图6所示，将两个部分圆弧形压电陶瓷片分别粘贴于灌浆套筒灌浆口及排浆口靠近橡胶密封圈一侧。附图标记5为放大显示的部分圆弧形压电陶瓷片，该压电陶瓷片的负极引入到内表面，使得正负极同时在压电陶瓷片的内表面，便于连接信号线，正负极之间设有绝缘带。信号线8为两芯屏蔽电缆，可将压电陶瓷片正负极接入超声导波激励接收装置或电阻抗测量装置。

本实施例中，当灌浆套筒内部为空时，使用阻抗测量装置分别测量三处位置上压电陶瓷片的电阻抗，得到电阻抗频谱曲线，如图13所示，也作为参考曲线。

本申请可以使用阻抗测量装置对三处位置上压电片进行测量，得到的电阻抗曲线如图14所示，与参考曲线相比较，由于灌浆套筒整体刚度变大，因此曲线峰值向右偏移，分析偏移程度和峰值高度变化可判断灌浆饱满程度和硬化过程。

当灌浆完成时，可以通过测量三处位置上的压电陶瓷片的电阻抗，其示意信号如图15所示，由于灌浆套筒整体刚度变大，电阻抗曲线峰值进一步右移。通过对曲线峰值的分析可更准确地对整个灌浆套筒内的灌浆质量进行评估。

最后，在灌浆套筒使用一段时间之后，在某些情况下，灌浆料硬化后可能产生收缩，脱离套筒和压电陶瓷片，套筒整体刚度变小，此时，电阻抗信号峰值会左移，由此判断灌浆料的收缩情况。

模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态为通过试验模拟出的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好的状态。可以通过其他手段(如切割后观察确认)确定的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结良好的完好状态。

本实施例的压电陶瓷片5为矩形片、环形片或者扇环片。

压电陶瓷片的尺寸(包括厚度、边长或弧长等)由两方面因素确定，一是的灌浆套筒内径和肋间距；二是根据计算压电陶瓷片的谐振频率，使其作为传感器可以获得最大的响应信号。当压电陶瓷片尺寸较小时，可以使用矩形片；当其尺寸稍大时，可采用环形片或部分环形片，如图7所示。

本实施例的步骤二中的电压信号为高频窄带电压信号。

Claims (3)

1.基于内置压电陶瓷元件的灌浆套筒内部灌浆状态检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一、在灌浆套筒内表面且分别靠近灌浆套筒上的灌浆口(1)、排浆口(2)和灌浆套筒中部三处位置中的其中一处位置上粘贴压电陶瓷片(5)或者在三处位置上均粘贴压电陶瓷片(5)，粘贴好的压电陶瓷片(5)通过信号线(8)与超声导波激励接收装置或电阻抗测试仪器连接；

步骤二、利用超声导波激励接收装置向其中一处位置上的压电陶瓷片(5)施加电压信号，使该位置上的压电陶瓷片(5)激发超声导波信号，同时使用超声导波激励接收装置分别接收该处位置上或者另外两处位置上的压电陶瓷片(5)采集到的超声导波信号；

将模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的超声导波信号和采集到的灌浆套筒内部未灌浆时的超声导波信号均作为超声导波参考信号，并采集灌浆完成并硬化后的超生导波信号；

或者利用电阻抗测试仪器向三处位置上的压电陶瓷片(5)施加激励信号，同时使用电阻抗测试仪器分别接收三处位置上的压电陶瓷片(5)反馈的电阻抗信号，

将模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的电阻抗参考信号和采集到的灌浆套筒内部未灌浆时的电阻抗信号均作为电阻抗参考信号，并采集灌浆完成并硬化后的电阻抗信号；

步骤三、将灌浆完成并硬化后的超声导波信号与超声导波参考信号对比判断套筒内灌浆状态：

当采用其中一个压电陶瓷片(5)同时激发超声导波信号并接收从灌浆套筒端部或未饱满的灌浆料反射的超声导波信号时，超声导波激励接收装置通过采集该反射的超声导波信号的波包数和幅值判断灌浆是否饱满，若在设定时间内只接收到一个反射的超声导波信号波包，且该波包幅值小于灌浆套筒内部未灌浆时的超声导波参考信号的幅值或近似等于模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的超声导波参考信号的幅值，说明灌浆饱满；若在设定时间内接收到了多于一个的反射超声导波信号波包或在设定时间内接收到的超声导波信号波包数和幅值与模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的超声导波参考信号波包数和幅值不同，说明灌浆不饱满；

当从另外两处位置上的压电陶瓷片(5)分别采集到两个透射的超声导波信号，如果该两个超声导波信号的幅值，均与灌浆套筒内部未灌浆时采集的超声导波参考信号的幅值近似相等，而均大于模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的超声导波参考信号的幅值，说明灌浆料与套筒壁粘结不完全，灌浆套筒内的灌浆料产生硬化收缩的状态；

将灌浆完成并硬化后的电阻抗信号与电阻抗参考信号对比判断套筒内灌浆状态：

将从三个位置处的压电陶瓷片采集到的电阻抗信号分别构成三个曲线，将该三个曲线分别与灌浆套筒内部未灌浆时的电阻抗参考信号对比，若该三个曲线相对电阻抗参考信号构成的曲线峰值均发生向右偏移的情况且三个曲线峰值向右偏移的频率相等，说明灌浆套筒在灌浆口(1)、排浆口(2)和灌浆套筒中部位置的灌浆料均为饱满状态；若三个曲线相对电阻抗参考信号构成的曲线峰值均发生向右偏移的情况，且三个曲线峰值向右偏移的频率不等，三个曲线峰值中向右偏移频率最小的位置处的灌浆料为未饱满状态；

将从三个位置处的压电陶瓷片采集到的电阻抗信号分别构成三个曲线，将该三个曲线分别与模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的电阻抗参考信号对比，若该三个曲线均与模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的电阻抗参考信号构成的曲线峰值位置近似相等，说明灌浆套筒在灌浆口(1)、排浆口(2)和灌浆套筒中部位置的灌浆料均为饱满状态；若三个曲线与模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的电阻抗参考信号构成的曲线峰值相比均发生向左偏移的情况，且三个曲线峰值向左偏移的频率不等且偏移最大位置处的灌浆料为未饱满状态；

灌浆料硬化若干时间后，从三处位置上的压电陶瓷片(5)采集到电阻抗信号分别构成三个曲线，将该三个曲线分别与模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的电阻抗参考信号构成的曲线峰值相比，若该三个曲线与电阻抗参考信号构成的曲线峰值位置近似相等，说明灌浆套筒在灌浆口(1)、排浆口(2)和灌浆套筒中部位置的灌浆料均粘结完全；若三个曲线与模拟的内部灌浆饱满且灌浆与套筒壁粘结完好状态的电阻抗参考信号构成的曲线相比均发生向左偏移的情况，且三个曲线峰值向左偏移的频率不等，三个曲线中偏移最大的位置处的灌浆料为不完全粘结状态。

2.根据权利要求1所述的基于内置压电陶瓷元件的灌浆套筒内部灌浆状态检测方法，其特征在于，压电陶瓷片(5)为矩形片、环形片或者扇环片。

3.根据权利要求1所述的基于内置压电陶瓷元件的灌浆套筒内部灌浆状态检测方法，其特征在于，步骤二中的电压信号为高频窄带电压信号。

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