埋入式压电换能器及其在水泥水化监测中的应用研究

发布时间：2020-08-26 04:34

【摘要】：水泥和水拌和后,水泥熟料矿物即被水化生成水化硅酸钙、氢氧化钙、水化硫铝酸钙等水化产物,水泥浆体经过凝结硬化,由最初的具有流动状态的浆状体变为具有相当强度的石状体。对水泥混凝土的超声监测是近年来超声监测应用中的一个崭新分支,主要是研究超声波在介质中传播时的参数变化,进而研究水泥水化过程中的声学特征参数的演变规律,如波速、首波幅值、主频等。现有的用金属材料封装的超声探头价格较贵,且主要用于混凝土的无损检测领域,不适用于埋入水泥浆体中进行监测。本课题针对这一问题,提出开发埋入式压电换能器的研究,并开展基于该换能器的水泥水化监测研究。本文制备一种与水泥相容性良好的埋入式压电换能器,其主要由压电元件、匹配层、屏蔽层、背衬层构成。其中,锆钛酸铅陶瓷(PZT-4)因其具有良好的发射性能,使其作为发射换能器的压电元件,锆钛酸铅陶瓷(PZT-5)因其具有良好的压电常数及较低的机械品质因数,使其作为接收换能器的压电元件。选取厚度为2.7mm的Al_2O_3片作为匹配层,铜网作为屏蔽层,起到提高灵敏度和降低干扰的作用。背衬层选择环氧树脂:固化剂:钨粉比例为4:1:0.25的混合物,可有效抑制反向声振动,提高换能器的声学衰减性能。所制作压电超声换能器的谐振频率为110kHz,频带宽度为20kHz,信噪比为47.56dB,换能器与水泥相容性良好,且具有均一性,发射接收响应明显易观察,具有良好的衰减性能,可以用来研究水泥水化进程。在对水泥水化过程进行超声监测之前,需要确定水化监测过程中的超声参数,包括脉冲器触发间隔,接收与发射换能器之间的合适距离,以及超声波在换能器中的传播时间。脉冲触发间隔太短会引起所测试的超声时域曲线中首波不明确,太长会使时间延迟,导致效率低下,实验确定的脉冲触发间隔为100ms。换能器埋入水泥浆体中进行监测时,发射与接收换能器之间的距离太大会导致超声波在介质中能量损失严重,太小会使首波时间难以确定,实验确定的发射与接收换能器之间的距离为4cm。通过对3个距离的超声首波时间的采集,经过计算得出,超声波在发射换能器与接收换能器内部之间的传播时间为2.3×10~(-6)s。用所制得的压电换能器分别对水灰比为0.3、0.4、0.5的普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥水化进程进行超声监测,得到超声时域曲线,傅里叶变换后得到频域曲线。结合水泥水化过程中的强度、凝结时间、水化热曲线、XRD和SEM进行分析。水化监测结果表明,硫铝酸盐水泥的水化进程明显快于普通硅酸盐水泥的水化进程。随着水化反应的进行,时域曲线中的幅值先增加后降低,超声脉冲循环数增加到一定程度约在水化1天后就不再增加。压电换能器的接收波频谱图中主频率增加至换能器的谐振频率左右便不再增加,主幅值呈现先增大后降低的趋势。根据压电换能器接收的超声波形及超声参数变化可将水泥水化反应分为不同的阶段,硫铝酸盐水泥超声波形开始出现的时间明显早于硅酸盐水泥,这与凝结时间、强度测试表现出来的规律是一致的,对比微观结构分析,可以获得超声波特征参数与水泥浆体微观结构的相关性。
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ172.1
【图文】：

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【参考文献】