水泥基压电智能材料设计及混凝土损伤原位监测研究

Damage will be accumulated in concrete materials and structure due to environmental invasion, material deteration and loading effect, and at last, disaster will be unavoidable under the attack of man-made or natural force. The traditional acoustic emission (AE) technique could monitor the damage development. However, the technique is difficult to be applied into concealed or mass works. More seriously, because of the influence of material properties of concrete, long distance of signal propagation and the limitation of sensing ability, key information will be lost in the recorded signals. Cement-based piezoelectric composites will be used to fabricate embedded AE sensors which have broad frequency response and could detect both compression and shear waves. The piezo-composite, enclosing material and concrete will forms smart concrete. This research will resolve the coupling between the piezo-element and concrete. The sensing mechanism of the embedded sensors will also be studied and the electric-mechanics model will be developed. This project will improve the AE experiment technique in concrete, reliability in damage source inversion and research of cracking mechanism.

混凝土材料、结构在环境侵蚀，材料老化，荷载效应，人为或自然的突变效应等灾害因素的耦合作用下将产生损伤累积，从而引发突发的灾难性事故。传统声发射技术可对混凝土损伤进程进行监测，若及时采取措施，灾难或可避免。但是，对于大型或隐蔽工程来说，难以实施监测。更严重的是，由于混凝土的材料特性与传播距离的影响，以及传感器性能的限制，记录到的信号存在关键信息缺失，这将严重影响损伤识别与判断。本项目将以水泥基压电复合材料为基础，制备埋入混凝土的宽频，纵-横波声发射传感器，以形成压电材料-封装-混凝土一体的智能混凝土模块，实现损伤原位监测。本项目将解决压电单元与混凝土的相容性问题，研究压电机敏模块的传感机理，建立机电耦合模型。新型传感技术的发展将改进混凝土损伤原位监测技术，提升发射源反演可信度，促进混凝土劣化机理研究。

混凝土材料、结构在环境侵蚀，材料老化，荷载效应，人为或自然的突变效应等灾害因素的耦合作用下将产生损伤累积，从而引发突发的灾难性事故。传统声发射技术可对混凝土损伤进程进行监测，若及时采取措施，灾难或可避免。但是，对于大型或隐蔽工程来说，难以实施监测。更严重的是，由于混凝土的材料特性与传播距离的影响，以及传感器性能的限制，记录到的信号存在关键信息缺失，这将严重影响损伤识别与判断。本项目以水泥基压电复合材料为基础，制备埋入混凝土的宽频，纵-横波声发射传感器，以形成压电材料-封装-混凝土一体的智能混凝土模块，实现损伤原位监测。本项目通过制备水泥基压电复合材料传感器解决了压电单元与混凝土的相容性问题；通过对基于埋入式超声压电传感器受力过程的声发射探测，探究了声发射与混凝土结合时的信号规律；通过对基于埋入式超声压电传感器的混凝土缺陷监测研究，证明了压电复合材料传感器可以监测混凝土损伤；通过对混凝土损伤探测的数值仿真及损伤成像研究，表明时间反转能量场能够达到更高的损伤定位精度，成像效果更好，能够比较准确的识别损伤的位置，但是在对钢筋-混凝土界面的识别可能会受到骨料界面的较大影响；基于聚类分析的混凝土声发射信号识别技术，研究压电机敏模块的传感机理，建立机电耦合模型；通过声发射监测大体积混凝土早龄期内部温度变化研究，得出混凝土结构温度变化最终结果，保证大体积混凝土结构施工质量；最终，从有限元模拟和试验两方面研究了超声导波监测钢筋混凝土界面处损伤时的有关规律，定量的分析界面局部锈蚀的大小。新型传感技术的发展将改进混凝土损伤原位监测技术，提升发射源反演可信度，促进混凝土劣化机理研究。