基于PZT柔性压电传感器的混凝土动态冲击应力/应变健康监测研究

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混凝土工程材料在长期服役过程中,会受到多种不同作用效果的冲击载荷作用,造成混凝土结构材料一定的损伤,最终影响建筑结构的安全和寿命。因此实时监测混凝土所受冲击应力大小并评估混凝土结构损伤程度,并及时采取相对应的保护措施是保证混凝土材料能够长期服役的重要手段。在本文中,我们基于锆钛酸铅(PbZr0.52Ti0.48O3,PZT)压电纳米纤维制备了柔性压电传感器,封装后制得PZT基压电智能骨料嵌入混凝土内部,实现了对混凝土冲击载荷下的健康实时监测,从而评估混凝土受到的损伤程度。具体研究内容如下:(1)PZT柔性压电传感器的制备及性能表征。静电纺丝法制备PZT压电纳米纤维,复合PDMS作为高聚物基底和导电相CNTs,制备了PZT/PDMS/CNTs复合材料基压电传感器。采用步进电机测试了PZT压电传感器的弯曲应变传感性能,并且采用自制落锤冲击装置测量了传感器冲击传感性能。通过正反接电极实验证实了PZT基压电传感器信号的真实性。(2)PZT压电智能骨料的制备及性能表征。采用水泥/环氧树脂材料对PZT传感器封装制得PZT压电智能骨料,并测量了其力学性能。采用两种冲击加载方式标定了压电智能骨料的传感特性,分别为落锤冲击实验和微机控制电子万能试验机冲击实验。实验证明了压电智能骨料具有优异的稳定性和使用寿命。通过正反接电极实验证明了压电智能骨料信号的真实性。(3)压电智能骨料在混凝土结构中的动态冲击应力/应变监测及ANSYS数值模拟研究。制备了标准混凝土试块,并在混凝土内部不同位置埋置PZT压电智能骨料。采用落锤冲击和万能试验机冲击两种加载方式,研究混凝土内部压电智能骨料的传感特性。落锤冲击实验标定了刚性/柔性冲击下压电智能骨料在混凝土中的传感特性,结合ANSYS数值模拟对比了刚性冲击和柔性冲击下混凝土内应力分布。研究了集中应力下压电智能骨料的传感性能,ANSYS数值模拟验证了压电智能骨料测量混凝土内应力分布的可靠性和准确性。电子万能试验机实验研究了压电智能骨料在混凝土均匀加载下的传感特性,并测量了集中应力下混凝土的内应力分布,结合ANSYS有限元数值模拟研究压电智能骨料传感的可靠性。
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