检测预应力混凝土结构锈胀裂缝的系统及骨料制作方法与流程

本发明涉及土木工程结构健康监测技术领域，特别是一种检测预应力混凝土结构锈胀裂缝的系统及骨料制作方法。

背景技术：

高性能混凝土是一种新型的高技术混凝土，是通过加入细掺料等手段而大幅度提高其混凝土性能，并采用现代混凝土技术制作的混凝土；它以耐久性作为其主要设计指标的同时，并同时有高工作性、高体积稳定性和经济性的特点。同时钢筋(包括预应力筋)锈蚀问题也是造成耐久性失效的主要原因，因此钢筋锈蚀监控对于预应力高性能混凝土结构的耐久性尤为重要。钢筋(包括预应力筋)发生锈蚀后其锈蚀产物体积可达到原体积的2～6倍，从而会产生一个以钢筋(包括预应力筋)为中心的锈胀力，一旦保护层被涨裂而产生裂缝，将会加速钢筋(包括预应力筋)的锈蚀。对于预应力筋而言一方面锈蚀的产生会减少其有效截面积从而造成预应力的损失；另外一方面锈蚀产物产生在预应力筋与高性能混凝土之间降低了两者间的结合度，从而造成了其预应力的损失。传统的测试技术有超声波、声发射、光栅等技术，这些技术多少存在体积大、操作不易、易受环境影响和专业性强等缺点，无法满足锈胀裂缝及时监测的要求，且锈胀裂缝的产生往往是由内向外产，传统方法往往很难及时发现裂缝的产生。

现有技术中基于智能骨料的健康检测装置已有相关研究，如专利号ZL201210443143公开了一种基于压电智能骨料的混凝土结构健康监测系统。其工作流程为：传感器子系统通过传感器感知待测结构的相关物理量，然后将各类传感器信号通过数据采集子系统控制数据采集平台实现采集以及信号的初步处理，通过通信系统将数据上传到监控中心，在监控中心则完成的进一步处理，如滤波、损伤识别、安全预警以及数据存储功能。

现有技术的基于智能骨料的健康检测装置及其方法存在以下弊端：由于混凝土裂缝产生的方式具有多样性造成其产生的具体位置也存在随机性，而现有的装置及方法只能定性的判断出是否出现裂缝，并不能判断出裂缝的危害程度，且不具有针对性，因此发明一种专门针对锈胀裂缝的检测系统是非常有必要的。现存在的智能骨料检测技术往往需要许多仪器，且连线比较麻烦，不利于现场检测。同时现有的智能骨料检测系统还不能在检测现场进行实时分析的局限性。软件硬件一体化系统。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种检测预应力混凝土结构锈胀裂缝的系统及骨料制作方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种检测预应力混凝土结构锈胀裂缝的系统，包括：

智能骨料；

信号发射与数据采集系统：用于驱动所述智能骨料发射正弦扫频信号；

信号控制与处理系统：用于控制所述信号发射与数据采集系统工作，

并根据所述正弦扫频信号计算出耐久指标，判断是否发生锈胀裂纹。

所述智能骨料包括：第一壳体；第二壳体；固定在所述第一壳体表面上，并夹持在所述第一壳体和第二壳体之间的PZT片；与所述PZT片固定连接的屏蔽线，且所述屏蔽线伸出所述第一壳体。

所述第一壳体、第二壳体的贴合面上设有凹槽；所述屏蔽线与所述PZT片连接的一端固定在所述凹槽内。

所述屏蔽线通过环氧树脂胶固定在所述凹槽内。

所述第一壳体表面、第二壳体表面、屏蔽线伸出所述第一壳体的部分均涂有环氧树脂。

所述正弦扫频信号频率为100Hz～150000Hz，幅值为10V。

所述耐久指标n定义如下：

$n=\frac{S_n}{S_0}$

其中，S₀为预应力混凝土强度达到设计值后并在结构锈涨之前所测试的原始信号通过matlab小波包分析程序分析所得到的初始能量值；S_n为预应力混凝土结构在锈涨过程中测试的信号通过小波包分析得到的第n个阶段的能量值。

当待测构件的耐久指标小于0.9时，认为结构产生锈胀裂缝。

本发明还提供了一种智能骨料的制作方法，包括以下步骤：

1)采用与待测构件相同标号的混凝土制作尺寸1×2×2cm的小水泥方块，且在2×2cm的面上浇筑时，在该面的中心预留一个1.5×1.5×0.05cm小方槽，在小水泥方块达到15MPa后，脱模待用，作为壳体；

2)将PZT片焊接上屏蔽线，该屏蔽线另外一头与BNC接头连接；

3)将经步骤2)制作的元件设有PZT片的一端用环氧树脂胶粘接在步骤1)中做好的小方槽中，另外取步骤1)制作的另一壳体与设有PZT片的壳体粘贴，将PZT片包裹在里面，形成一个智能骨料；

4)在步骤3)制作的智能骨料表面涂抹环氧树脂。

所述环氧树脂厚度为0.2～0.3mm。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明利用压电陶瓷的压电二向性的特性，制成适用于耐久性监测的智能骨料，通过能量的变化，对锈胀裂缝进行监测判别。本发明具有成本低廉，操作简单快捷，准确率高等显著特点，非常适用于高性能混凝土结构的锈胀裂缝检测。

附图说明

图1为基于智能骨料的预应力HPC构件锈胀裂缝检测系统的工作流程图；

图2为步骤一中的小混凝土方块；

图3为本发明检测系统在梁结构中的应用。

具体实施方式

本发明具体实现过程如下

步骤一、采用与待测结构相同的混凝土制作1×2×2cm的小水泥方块，在其达到强度后在2×2cm的面上沿其中一条边的打磨出一个1.5×1.5×0.05cm小方槽，作为壳体。

步骤二、将PZT片焊接上屏蔽线，该屏蔽线另外一头与BNC接头连接。

步骤三、将步骤二的元件有PZT片的那一头用环氧树脂胶粘接在步骤一中做好的小槽子中，另外取步骤一中制作的小构件倒过来(有凹槽的那面)粘贴，将PZT片包裹在里面，从而形成一个智能骨料。

步骤四、将步骤三中制作好的压电智能骨料表面涂抹环氧树脂，晾干后即制成了用于耐久性监测的智能骨料。

步骤五、在需要检测的构件进行浇筑时将智能骨料预埋入设计位置。其中一部分作为信号驱动器，一部分作为信号传感器。

步骤六、在该构件达到设计强度后，将预埋的压电智能骨料通过BNC接头与NI 6363多功能数据采集(DAQ)设备连接，同时将电脑通过USB通信线NI 6363多功能数据采集(DAQ)设备连接。

步骤七、通过电脑控制NI6363驱动智能骨料发射100HZ-150000HZ的正弦扫频信号，其信号的幅值为10V。

步骤八、同时由NI6363采集作为传感器的智能骨料将接收到的信号，并将采集到的数据保存到电脑中。

步骤九、将采集的信号用matlab小波分析程序进行小波包能量分析，作为初始的能量值S₀。

步骤十、在该构件需要检测时按步骤六到步骤八的方法采集信号，并通过matlab算出能量此时的能量S_n，并算出的耐久指标。

步骤十一、当耐久指标达到0.90以下时认为产生锈胀裂缝。

步骤四中在压电智能骨料表面涂抹环氧树脂胶主要考虑到传感器主要用于易产生锈蚀的地方，以环氧树脂胶形成一个保护层，同时也防止氯离子的渗透。因此环氧树脂应分为三次涂刷，先涂刷第一次。等智能骨料表面干燥后，再进行第二次涂刷。第二次涂刷干了以后，再进行最后因此涂刷，晾干待用。环氧树脂胶最后形成的保护层厚度应在0.2-0.3mm之间。保护层太厚易影响信号的收发，保护层太薄容易造成压电智能骨料被锈胀开裂。

步骤一到步骤四是用于制作高耐久性的智能骨料。

设计位置应位于预应力筋至保护层最薄的那个面之间，且不能位于预应力筋至最薄面的垂直面上。

作为驱动器的压电陶瓷与作为传感器的压电陶瓷至少分别要埋设一个，分布在预应力筋正上方两侧，且两传感器之间的距离不宜超过0.5m，太远易造成信号的损失。

本发明如图3所示，一种用于预应力高性能混凝土结构的结构健康监测系统，一种用于高性能混凝土结构耐久性的检测系统，由智能骨料、信号发射与数据采集硬件系统、信号控制与数据处理软件组成。

本发明采用的由于耐久性监测的智能骨料，其示意图如图2所示，采用步骤一到步骤四的方法制作。

信号发射与数据采集硬件系统为美国国家仪器公司生产的NI6363多功能数据采集(DAQ)设备及其附属设备，将其通过USB通信线与PC电脑连接。

信号控制与数据处理软件，主要是搭载在PC电脑上的labVIEW自编程软件，及matlab小波分析程序。

通过预先确定监测的高性能混凝土构件，在构件进行浇筑之前将智能骨料埋入构件，并将屏蔽线留出构件，埋入智能骨料既可作为驱动器，同样也可作为传感器。每一组作为传感器与驱动器的智能骨料间的距离不宜大于0.5m。

待构件达到强度后将智能骨料与NI 6363连接，并将NI6363通过USB通信线与PC电脑连接。

通过labVIEW程序控制NI6363驱动智能骨料发射幅值为10V频率为100HZ-150000HZ的正弦扫频信号，并通过NI6363采集作为传感器接收到的该结构不同部位的信号。

并通过matlab小波包分析程序分析所采集的信号能量，并将该能量值作为对应位置的原始能量S₀。

根据实际需要确定该构件的信号采集频率，通过对该构件在某段时间后的信号进行采集，并通过小波包分析其信号的能量S_n。

定义耐久指标如下式所示：

$n=\frac{S_n}{S_0}$

判断构件的耐久情况，当构件中某组驱动器与传感器之间产生的，耐久指标小于0.9时，认为结构在该处产生锈胀裂缝，对结构的耐久性产生不利影响。