本發(fā)明涉及混凝土縫隙檢測技術領域，具體地，涉及一種混凝土板層間通縫的監(jiān)測方法和裝置。

背景技術：

隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，各種大型復雜工程的不斷涌現(xiàn)，鋼筋混凝土結構因其承載能力強，材料性能穩(wěn)定，制造相對容易被用于各類大型重要建筑，如多層及高層民用建筑、橋梁、地鐵、高鐵、核電站等。隨之結構的安全問題也受到了人們的廣泛重視。

在一些混凝土結構的澆筑過程中，需分層施工，層與層之間的結合部位成為整體結構相對薄弱的部位。在各種靜力荷載和動力荷載的相互作用下，層之間很可能會發(fā)生層間通縫或者兩層脫空。如用于高鐵建設的無砟軌道，CA砂漿層調(diào)整層是位于軌道板和混凝土道床之間的結構層，起到支撐和調(diào)整承力和傳力以及隔震和減震作用，根據(jù)國內(nèi)無砟軌道損傷的研究顯示，CA砂漿層與軌道板剝離與脫空是其常見的病害之一。結構分層之間的通縫使結構耐久性降低，結構的抗力隨時間衰減，可靠度也相應地降低，使得混凝土結構在使用性和安全性上存在著極大的隱患。近年來，土木工程結構健康監(jiān)測技術逐漸成為學術界的研究熱點。智能材料結構在工程領域的成功應用，為實現(xiàn)真正意義上的結構健康監(jiān)測提供了有效的途徑。

目前常用檢測混凝土結構裂縫的方法主要有光纖監(jiān)測、聲發(fā)射監(jiān)測與超聲監(jiān)測等。

光纖傳感器是近十多年來迅速發(fā)展起來的一種新型傳感器?；緜鞲性硎钱敼獠ㄔ诠饫w中傳輸時，表征光波的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長等)會由于被測量(如應變、位移、溫度、壓力、加速度、電場等)對光纖的作用而發(fā)生變化，從而引起光波的強度、干涉效應、偏振面發(fā)生變化，使光波成為被調(diào)制的信號，再經(jīng)過光探測器和調(diào)制解調(diào)器后實現(xiàn)對建筑結構的監(jiān)測。

此外還有聲發(fā)射與超聲波法。聲發(fā)射也稱應力波發(fā)射，作為一種常用的無損監(jiān) 測技術已經(jīng)有30多年的歷史。結構在受力過程中會釋放出能量，一些損傷歷程如結構開裂等都伴隨著聲能的釋放，換能器可將接收到的聲信號轉(zhuǎn)換成電信號進行分析，通過監(jiān)測和記錄這種聲波便可得到結構中的缺陷和裂縫損傷的發(fā)生及發(fā)展狀況，并通過具體算法確定他們的所在位置。聲發(fā)射法需要進行連續(xù)監(jiān)測，易受環(huán)境噪音干擾。超聲波方法是一種主動監(jiān)測方法，利用超聲波探頭發(fā)射與接收超聲波，利用超聲波在混凝土中的波速變化等對混凝土的損傷進行判斷，檢測雖然簡單方便，但是精確度不高。

經(jīng)檢索，公開號為CN103575805A(申請?zhí)?01210278485.1)的中國發(fā)明專利申請，該發(fā)明公開一種混凝土中鋼筋銹蝕超聲監(jiān)測傳感器及用法，該傳感器設有鋼筋，鋼筋的一端設有發(fā)射用壓電陶瓷柱，用于發(fā)射超聲波，鋼筋的另一端設有接收用壓電陶瓷柱，用于接收超聲波，且壓電陶瓷柱和壓電陶瓷柱的軸向方向與鋼筋的軸向方向一致，發(fā)射用壓電陶瓷柱和接收用壓電陶瓷柱上分別設有發(fā)射用屏蔽引線和接收用屏蔽引線，發(fā)射用壓電陶瓷柱和接收用壓電陶瓷柱的外面分別設有樹脂絕緣層及屏蔽層，使用時，將該傳感器埋入建筑時的混凝土中，發(fā)射用屏蔽引線接信號發(fā)生器，產(chǎn)生超聲波，另一端接收用屏蔽引線接信號接收器，接收超聲波，依據(jù)接收超聲波信號的變化監(jiān)測鋼筋在混凝土中的銹蝕情況。

但是上述專利中的壓電陶瓷片的配置方式不能減弱或抵消S波的產(chǎn)生，這使得信號分析過程更加繁瑣，并且壓電陶瓷柱傳感器放在頂端，如果鋼筋很長另一端的接收信號會很小，以至于不能很好的分析損傷。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種混凝土板層間通縫的監(jiān)測方法和裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)實時持續(xù)有效監(jiān)測混凝土板層間縫隙。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種混凝土板層間通縫的監(jiān)測方法，包括：

在鋼筋上設有多組壓電陶瓷片組，相鄰壓電陶瓷片組相隔一定距離，每一組壓電陶瓷片組均能設為信號發(fā)射傳感器或信號接收傳感器，發(fā)射用壓電陶瓷片組、接收用壓電陶瓷片組中的壓電陶瓷片分別沿鋼筋橫截面的周長方向?qū)ΨQ布置；

發(fā)射用壓電陶瓷片組連接信號發(fā)生器，根據(jù)信號發(fā)生加載的超聲電波產(chǎn)生超聲應力導波，接收用壓電陶瓷片組接收超聲應力導波并轉(zhuǎn)換成超聲電波傳回信號接收器，依據(jù)接收到的超聲導波的信號幅值變化及波包峰到達時間的變化監(jiān)測混凝土板中有無層間通縫損傷發(fā)生。

優(yōu)選地，所述的發(fā)射用壓電陶瓷片組、所述的接收用壓電陶瓷片組，均包括8片壓電陶瓷片，8片壓電陶瓷片分別沿PZT型智能鋼筋橫截面的周長方向?qū)ΨQ布置，用以減弱或抵消S波的產(chǎn)生。

更優(yōu)選地，所述的壓電陶瓷片的極化方向與壓電陶瓷片的厚度方向一致。

本發(fā)明將壓電陶瓷片粘貼在鋼筋上，構成PZT型智能鋼筋，以PZT(壓電陶瓷)型智能鋼筋作為監(jiān)測元件，將PZT型智能鋼筋埋入施工時的混凝土板中同時作為結構承力構件或者分布鋼筋；

本發(fā)明中，超聲波在鋼筋和混凝土中傳播，由于多種介質(zhì)的存在，導波在傳播過程中會發(fā)生反射和折射，從而改變了應力波原有的傳播路徑并引起了波的散射；隨著鋼筋周圍保護層厚度的增加，更多的應力波在混凝土中傳播，通過散射消耗的波能增加，所以傳感器的輸出信號幅值隨之減小；當混凝土板出現(xiàn)層間通縫時，鋼筋周圍的混凝土保護層厚度迅速減小，這樣接收用壓電陶瓷片組接收到的信號幅值會迅速增大。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種混凝土板層間通縫的監(jiān)測裝置，包括發(fā)射用壓電陶瓷片組、接收用壓電陶瓷片組、屏蔽引線和接地引線，其中：

鋼筋上設有兩組以上壓電陶瓷片組，一組用于發(fā)射超聲應力導波，即發(fā)射用壓電陶瓷片組；另外一組或多組用于接收接收超聲應力導波，即接收用壓電陶瓷片組；

所述的壓電陶瓷片組中的壓電陶瓷片分別沿鋼筋橫截面的周長方向?qū)ΨQ布置；

所述發(fā)射用壓電陶瓷片組和接收用壓電陶瓷片組上分別設有屏蔽引線，發(fā)射用壓電陶瓷片組通過屏蔽引線與信號發(fā)生器的相應端口連接，接收用壓電陶瓷片組通過屏蔽引線與信號接收器的相應端口連接；發(fā)射用壓電陶瓷片組根據(jù)信號發(fā)生加載的超聲電波產(chǎn)生超聲應力導波，接收用壓電陶瓷片組接收該超聲應力導波并轉(zhuǎn)換成超聲電波傳回信號接收器，依據(jù)接收到的超聲導波。

由于PZT型智能鋼筋自身的導電性，所以只在其任意一端設置一根接地引線，分別與信號發(fā)生器及信號接收器的相應接地端口連接。

本發(fā)明將壓電材料作為基本元件，方便實用。因PZT具有響應速度快、線性關系好、頻響范圍寬、能耗低、易剪裁、造價低廉且易加工成型等優(yōu)點而在工程結構健康監(jiān)測方面存在著巨大的應用潛力；因此，在近年來，以其特有的傳感和驅(qū)動動能成為土木工程界廣泛研究和應用的智能材料之一。

在本發(fā)明中，壓電陶瓷片分別沿鋼筋橫截面的周長方向?qū)ΨQ布置，用以減弱或抵消S波的產(chǎn)生，使得檢測需要的P波信號更加清晰，大大簡化了信號的分析過； 并且在沿鋼筋方向可根據(jù)需要埋置多組PZT片，可保證檢測信號的強度。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

本發(fā)明利用埋入混凝土板的鋼筋作為超聲導波傳播的基礎介質(zhì)，克服了普通超聲檢測方法僅以混凝土作為傳播介質(zhì)的局限性。在施工過程中，將PZT型智能鋼筋埋入混凝土中，能夠?qū)炷涟宓慕】禒顩r實時、長期的在線監(jiān)測。本方法最大的優(yōu)點在于PZT型智能鋼筋既能作為結構元件承受各種荷載，又能夠作為監(jiān)測系統(tǒng)構件實時主動監(jiān)測混凝土板的損傷，在沿鋼筋方向可根據(jù)需要埋置多組PZT片，可保證檢測信號的強度，而且各個位置的PZT均有發(fā)射和接收超聲導波的作用，監(jiān)測時可以根據(jù)想要檢測的位置自由選擇其作為發(fā)射器或接收器。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1a、圖1b為本發(fā)明一實施例的PZT型智能鋼筋的結構示意圖，其中圖1a為剖面圖，圖1b為側(cè)視圖；

圖2為本發(fā)明一實施例的PZT型智能鋼筋埋入混凝土的示意圖；

圖3為本發(fā)明一實施例的在實驗中的波形圖；

圖4為本發(fā)明一實施例的在實驗中超聲導波幅值與混凝土保護層厚度的關系曲線圖；

圖中：1為鋼筋，2為發(fā)射用壓電陶瓷片組，3為接收用壓電陶瓷片組，4為屏蔽引線，5為接地引線，6為混凝土。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

如圖1a、圖1b所示，本實施例提供一種混凝土板層間通縫的監(jiān)測裝置，包括鋼筋1，在鋼筋1的一端設有發(fā)射用壓電陶瓷片組2，用于發(fā)射超聲導波；在鋼筋1的另一端設有接收用壓電陶瓷片組3，發(fā)射用壓電陶瓷片組2和接收用壓電陶瓷片組3分別由8片PZT薄片沿鋼筋1橫截面周長方向?qū)ΨQ布置，且極化方向與厚度方向一致；每片 PZT薄片均設有屏蔽引線4；在靠近接收用壓電陶瓷片組3的鋼筋端連一根接地引線5。當然，在其他實施例中，每組壓電陶瓷片組的壓電陶瓷片數(shù)量也可以根據(jù)實際應用做調(diào)整。

本實施例中，所述的PZT薄片通過epoxy導電銀膠固定于鋼筋表面，構成PZT型智能鋼筋。

本實施例中，所述鋼筋1直徑為10～20mm，長度為800mm。

本實施例中，選擇合適的壓電陶瓷片是關鍵。目前，在工程領域應用最廣泛的壓電陶瓷材料主要是二元系的鋯鈦酸鉛，簡稱PZT；其主要有三種類型：PZT-4、PZT-5、和PZT-8。其中：

PZT-8是大功率發(fā)射型壓電陶瓷，主要用于超聲波清洗、超聲波美容、超聲波手術刀、超聲波潔牙和超聲波焊接等；

PZT-5是高靈敏度接收型壓電陶瓷，主要用于電聲器件、加速度計、壓電計、流量計和風速計、聲換能器等；

PZT-4是中功率發(fā)射、接收兩用型壓電陶瓷，主要用于需要發(fā)射和接收兩用功能的換能器；

本實施例中所述發(fā)射用壓電陶瓷片2和接收用壓電陶瓷片3均采用PZT-4或PZT-5壓電陶瓷片，特點是即可用于接收又可用于發(fā)射信號。

該監(jiān)測混凝土層間通縫的裝置的使用方法是：

將PZT型智能鋼筋1埋入施工時的混凝土板；監(jiān)測時，PZT型智能鋼筋1一端的發(fā)射用壓電陶瓷片組2連接信號發(fā)射器，產(chǎn)生超聲波；PZT型智能鋼筋1另一端的接收用壓電陶瓷片組3連接信號接收器，接收超聲波；依據(jù)接收超聲波信號的變化監(jiān)測混凝土板間有無通縫。

下面以實驗室實施例對本實施例所述裝置的工作原理加以說明：

實驗研究了混凝土保護層厚度對PZT型智能鋼筋1的輸出信號的影響。實驗準備了6根相同的PZT型智能鋼筋1，在將PZT型智能鋼筋1埋入混凝土之前將PZT型智能鋼筋1接入測試線路，得到裸鋼筋的輸出信號；接著分別將6根PZT型智能鋼筋1分成三組，埋入保護層厚度不同的混凝土試塊中，其中：

第一組的混凝土塊的橫截面積是60×60mm，保護層厚度為20mm；

第二組的混凝土塊的橫截面積是70×70mm，保護層厚度為25mm；

第三組的混凝土塊的橫截面積是80×80mm，保護層厚度為30mm。

每組設有兩根PZT型智能鋼筋1來保證結果的重復性和準確性；為了使輸出結果更加明顯和方便讀取，在發(fā)射端即發(fā)射用壓電陶瓷片組2與信號發(fā)射器的通道一之間連接功率放大器，將激勵信號的幅值增大到20V(最大可增加到200V，足夠保證信號的可讀性)；在接收端即接收用壓電陶瓷片組與示波器(信號接收器)的通道一之間接入電荷放大器，可以線性放大接收用壓電陶瓷片組的輸出信號，并過濾掉過高和過低的頻率信號，提高了輸出信號的信噪比。激勵信號選擇五波峰的窄帶信號，頻率選擇為90kHz。另外，將信號發(fā)射器的通道二直接與示波器的通道二連接，以便從示波器上能清楚的看到信號發(fā)射器發(fā)出的超聲導波波形，同時保證示波器的兩個通道同步。由示波器分別采集不同混凝土保護層厚度情況下鋼筋1的輸出信號。

實驗中得到的波形如圖3所示，圖中虛線為發(fā)射波，實線為接收波。由波形圖可知，當PZT型智能鋼筋未埋入混凝土時，接收用壓電陶瓷片組的輸出信號幅值為9.24V；把PZT型智能鋼筋埋入混凝土中，當混凝土的保護層厚度為20mm時，接收用壓電陶瓷片組的輸出信號幅值迅速衰減為1.062V；隨著混凝土保護層增加到25mm，輸出信號幅值減小到0.445V；當混凝土保護層繼續(xù)增加到30mm時，幅值為0.183V，波形出現(xiàn)了明顯的頻散現(xiàn)象。這是因為，波在不連續(xù)的介質(zhì)(即有幾種介質(zhì)時)傳播過程中會發(fā)生反射和折射，這改變了應力波原有的傳播路徑并引起了波的散射。隨著保護層厚度的增加，更多的應力波在混凝土中傳播，通過散射消耗的波能增加，所以接收用壓電陶瓷片組的輸出信號幅值隨之減小。

將實驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合，如圖4所示，得到輸出信號的幅值隨保護層的厚度的增加呈指數(shù)衰減形式。當混凝土保護層厚度較小時，即使進入混凝土的應力波在傳播過程中很快因為發(fā)生散射而衰減，但仍有部分反射回PZT型智能鋼筋1的能量可以增強輸出信號；而當保護層厚度到達一定值后，傳感器接收到的信號僅為PZT型智能鋼筋1中傳播的部分能量，導致輸出信號的幅值幾乎不再改變。

由上述實驗結果可知，當混凝土板各層間結合牢固時，本實施例所述的PZT型智能鋼筋1周圍的保護層厚度較大，輸出信號的幅值處于相對較小的狀態(tài)；在承受各種荷載之后，一旦混凝土板結構出現(xiàn)層間通縫，PZT型智能鋼筋1的保護層厚度迅速減小，這時PZT型智能鋼筋1的輸出信號會增加，從而可以判斷出混凝土板出現(xiàn)了層間通縫。

上述實施例中均用兩組電陶瓷片組為例，實際應用中可增加至多組，實現(xiàn)的原理 與上述相同，在此不再贅述。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。