基于主動超聲的混凝土全壽命參數識別與損傷檢測.pdf

1、本課題來自與美國德克薩斯州交通部項目，項目編號為 TxDOT0-6717及TxDOT0-6783?；炷敛牧弦蛉〔膹V泛、價格低廉、抗壓強度高、養(yǎng)護費用低等特點，成為當今世界建筑結構中最主要的結構材料。然而由于設計缺陷、施工質量、荷載作用和結構自身老化等原因，混凝土結構在其全壽命周期中不可避免地產生不同程度的缺陷和損傷，這些損傷發(fā)展到一定程度將威脅結構的使用安全和使用壽命，嚴重情況下可導致重大事故和巨額經濟損失，針對性地開展與不同階段混凝

2、土材料及結構檢測目標需求相適應的參數識別及損傷檢測理論方法及技術研究具有非常重要的理論意義和工程價值。
　　本文針對混凝土材料及結構全壽命周期不同階段的參數識別及損傷檢測需求，利用壓電智能材料響應速度快、頻響范圍寬、結構簡單、功耗小、易加工成型、成本低等優(yōu)點，開展了基于壓電超聲傳感與驅動一體化技術的、主動的混凝土材料和結構全壽命周期的無損檢測研究。論文的主要研究內容和成果包括：
　　1.在早期凝固階段，亦即混凝土材料的施工期

3、，針對貫入阻力方法不適應于對混凝土材料早期特性現場檢測和連續(xù)監(jiān)測，以及基于壓縮波波速的混凝土材料早期特性測量方法受水泥基材料中含氣量影響大的缺點，提出了利用埋入式壓電晶片彎曲元發(fā)射和接收剪切波來對混凝土材料的早期特性進行測量的方法。將測量結果與傳統(tǒng)的商用超聲波傳感器測量結果進行了對比，證明了測量結果的有效性和可靠性；研究了試驗設置、水灰比、骨料成分等因素對壓縮波和剪切波波速測量的影響；首次發(fā)現了在凝結過程中剪切波波速變化與水泥砂漿貫入阻

4、力變化之間所存在的一一對應關系。為實際工程中混凝土初凝和終凝時刻的確定提供了一種基于剪切波波速測量的在線的連續(xù)的測試方法。
　　2.在服役期，針對受損生物智能自愈合混凝土的自愈合過程發(fā)展進行緩慢，傳統(tǒng)超聲波方法由于對微小變化不夠敏感，對其難以進行精確測量與表征的難題，提出了基于超聲尾波干涉的生物智能混凝土自愈合過程監(jiān)測方法。利用波的擴散理論確定了合理的超聲尾波干涉計算窗口，對一系列不同設計的試樣進行了長期的自愈合過程監(jiān)測；研究了細

5、菌含量、損傷工況、養(yǎng)護方案等對自愈合過程的影響，并對其進行了定量的刻畫。該研究加深了我們對微生物礦化作用下混凝土內部裂縫自愈合過程的理解，并提供了一種新的可用于刻畫該過程的無損檢測方法。
　　3.針對現有的兩種超聲尾波干涉計算方法，互相關法和伸展法，由于需要進行互相關計算以及重新抽樣等所導致的計算效率低下問題，提出了一種新的基于泰勒級數展開的超聲尾波干涉計算方法。所提方法基于對干擾信號的泰勒級數展開進行計算，無需互相關和重抽樣計算

6、，使得計算的效率大大提高。研究了計算窗口位置、伸展系數等對所提方法計算結果的影響；對比了所提方法與現有超聲尾波干涉方法的計算效率；并在數值算例和真實試驗算例中驗證了所提方法的有效性。
　　4.在損傷加固階段，針對碳纖維增強復合材料（CFRP）加固混凝土結構在加固及后續(xù)服役過程中出現的界面剝離問題，提出了基于壓電主動超聲的CFRP-混凝土界面剝離檢測方法，并利用虛擬儀器LabVIEW建立了基于壓電主動超聲的CFRP-混凝土界面剝離監(jiān)