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摘 要

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 超声法检测混凝土结构 2

1.3 压电复合材料与水泥基压电超声传感器 3

1.3.1 压电效应与压电材料 3

1.3.2 压电超声传感器 4

1.4 埋入式水泥基压电超声传感器 5

1.5 本文的研究目的和主要研究内容 6

第二章 水泥基压电超声传感器的制作及其基本性能 8

2.1 水泥基压电超声传感器的设计 8

2.1.1 传感器结构设计 8

2.1.2 压电材料的选择 8

2.2 实验原料 9

2.3 发射传感器的制作流程 9

2.4 接收传感器的制作流程 9

2.5 传感器的标定 10

2.6 传感器基本性能测试 11

2.6.1 实验设备 11

2.6.2 传感器的强度 12

2.6.3 传感性能测试 12

2.7 本章小结 20

第三章 传感器耐久性能及在混凝土中的工作性能 21

3.1 引言 21

3.2 温度对传感器性能的影响 21

3.3 高碱环境对传感器性能的影响 22

3.4 木条浸泡吸水实验 24

3.5 水泥基压电超声传感器在混凝土内部的工作性能 25

3.5.1 原材料性能 25

3.5.2 混凝土配合比 26

3.5.3 混凝土成型 26

3.5.4 结果分析 28

3.6 本章小结 29

第四章 结论与展望 31

4.1 结论 31

4.2 展望 32

致谢 33

参考文献 34

摘要

近年来，由于混凝土结构损伤而造成的建筑物失效或安全事故越来越多，经济损失不计其数，对土木工程结构的健康监测受到了人们越来越多的关注。超声波作为一种传统的混凝土无损检测方法，具有定位准确、操作简便、成本较低等优点，所以利用压电材料制备的超声传感器逐渐成为土木工程结构监测领域的研究热点之一。

传统的超声传感器在实际使用过程中存在测量误差较大、测试时间滞后等缺陷。为了解决这一问题，本文利用PZT（锆钛酸铅）压电陶瓷圆片，制备了新型埋入式水泥基压电超声传感器，研究了传感器的匹配层、背衬层、屏蔽层等结构组成对于其工作性能的影响，并对其进行了基本性能和耐久性能测试。结果表明，在传感器工作频率为100kHz下，匹配层厚度为2mm、钨粉与水泥粉配比为3:1的条件下，传感器具有最优良的工作性能，并且能够在一定温度和盐碱环境中表现出良好的稳定性。本文还将制备出的水泥基压电超声传感器埋入不同配比的混凝土中，随混凝土硬化过程的进行，测试传感器的工作情况，结果表明，该类传感器具备较高的灵敏度，测试精度较高，为研制适用于土木工程领域的新型压电超声传感器提供了新的思路。

关键词：压电超声传感器；埋入式；水泥基；封装；耐久性

Abstract

Nowadays, a great number of structural failure and secure accidents are due to structural damage of concrete, which causes economic loss and thus, more and more attention. As a kind of traditional non-destructive testing method, ultrasonic wave features precise positioning, simple operation, and low maintenance. So it has been a heated research focus on by researchers to fabricate ultrasonic sensors with piezoelectric materials.

Nevertheless, traditional ultrasonic sensors have some problems, such that the results sometimes have large error, and that the method itself is hysteretic. To study and eventually solve these problems, a new kind of embedded cement-based ultrasonic sensor is made with PZT, a typical kind of piezoelectric materials, in this thesis. The effect of its structure on the working properties of the sensor is deeply studied, including its matching layer, backing layer and shielding layer. Meanwhile, the sensor’s endurance of temperature and alkali is evaluated. The results show that, the ultrasonic sensor has best performance under 100kHz working frequency with a matching layer of 2mm, a 3:1 powder ratio of Tungsten and cement. It also shows amazing performance in different severe environment, in this case that is 60°C and NaOH solution with a mass ratio of 10%. In this article, performance of sensors with the process of concrete hardening when embedded inside of concrete is also studied. It is promising that this kind of sensors have a wonderful application prospect, for the results collected are accurate and show the sensors are sensitive.

Key Words: piezoelectric ultrasonic sensor; embedded; cement-based; packaging; endurance

第一章 绪论

1.1 研究背景

自从1824年波特兰水泥发明之后，在1830年前后人们便发明了混凝土，1867年又出现了钢筋混凝土，这些都是世界工程材料里程碑式的变革。直到今日，混凝土已成为使用最为广泛、地位最为重要的土木工程材料。人类运用他们的聪明才智，实现了一系列复杂多样的现代化工业建筑：始建于2004年的迪拜哈法利塔总高度达到了828米，是现今世界上最高的建筑物^[1]；胶州湾跨海大桥是一座由我国自行设计、施工、建造的特大跨海大桥，同时是全世界最长的跨海大桥之一；我国早在1981年就开始修建泰山核电站，其占地28万平方米，现已成为我国最大的核电站。这一项又一项建筑史上的突破，无一不能归功于混凝土技术的日益成熟。因此可以说，混凝土的问世在某种程度上大大促进了人类文明的发展。

伴随着混凝土材料在土木工程结构中的大量使用，它所带来的一系列问题也日益凸显出来。一般地，土木工程结构的使用期限长达几十年，而混凝土在外部荷载或自然环境的综合作用下，不可避免地会产生疲劳缺陷。当这些缺陷累积到一定程度时，会严重影响到整体结构的质量和强度，造成直接或间接的经济损失，甚至引发灾难性的安全事故^[2]。1998年9月24日，浙江省宁波招宝山大桥在即将合拢时发生重大安全事故，所幸没有造成人员伤亡；2007年，美国密西西比河大桥发生坍塌，事故造成13人死亡，145人受伤；2009年6月27日，上海市发生了著名的“楼盘倒塌”事件，一栋在建的13层楼房连根倒塌，造成一名工人死亡。这样惨痛的安全事故案例数不胜数，人们也慢慢意识到了对于大型混凝土工程结构进行实时监测和损伤评估的重要性，如果在灾难发生前就能进行实时的监测和及时的预判，这样的悲剧就不会发生。因此基于这样的背景，建立一种有效的方法对混凝土结构进行健康监测并及时反馈，是十分有必要的，这同时也是近年来国内外研究人员的研究热点。

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