纖維水泥基復(fù)合材料傳感器用于彎曲裂縫監(jiān)測(cè)

謝昊威，韓 壯，丁一寧

(1.大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024；2.航天建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100071)

混凝土結(jié)構(gòu)在服役期間，由于受外部環(huán)境、荷載作用等因素的影響，不可避免的產(chǎn)生損傷或裂縫。結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致外部有害離子更加容易侵入混凝土內(nèi)部基體，進(jìn)而引起鋼筋銹蝕和承載力下降，引發(fā)嚴(yán)重后果。因此，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)時(shí)裂縫監(jiān)測(cè)，對(duì)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要[1]。

已有研究表明，將不同摻量的導(dǎo)電相材料摻入水泥基復(fù)合材料中可使其具有感知自身應(yīng)力、應(yīng)變和損傷的能力，這使纖維水泥基復(fù)合材料應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)成為可能[2-3]。應(yīng)用導(dǎo)電相材料以實(shí)現(xiàn)混凝土開裂自監(jiān)測(cè)主要有兩種形式：一種是通過摻入導(dǎo)電纖維、顆粒降低混凝土本身的電阻、增加混凝土力學(xué)性能，使其成為兼具應(yīng)變及裂縫監(jiān)測(cè)能力與結(jié)構(gòu)功能的導(dǎo)電混凝土[4]；另一種是將纖維水泥基傳感器埋入構(gòu)件關(guān)鍵部位以實(shí)現(xiàn)局部監(jiān)測(cè)[5]。埋入式水泥基傳感器具有耐久性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)[6]。國(guó)內(nèi)Han B等[7]對(duì)于纖維水泥基材料壓敏性能進(jìn)行過一系列研究，結(jié)果表明這種材料對(duì)于壓應(yīng)變的感知具有較好的靈敏度、穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

實(shí)際結(jié)構(gòu)中彎曲構(gòu)件大多是帶裂縫工作的，而目前對(duì)于水泥基傳感器的研究主要集中在其開裂前的彈性階段，對(duì)于傳感器在彎曲荷載下開裂后的電阻與荷載、裂縫間關(guān)系較少涉及?；谝陨峡紤]，本文主要通過彎曲試驗(yàn)研究開裂后FCCS的電阻變化率Rfcr與荷載、撓度與裂縫間的關(guān)系，為埋入式傳感器應(yīng)用于彎曲構(gòu)件的健康監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

本實(shí)驗(yàn)主要研究對(duì)象是單摻或多摻碳纖維、鋼纖維及納米炭黑三種較為常見的導(dǎo)電相的水泥基試件。碳纖維由于其高強(qiáng)、高彈模、導(dǎo)電性能良好的特點(diǎn)，一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛研究的對(duì)象[8-11]。納米炭黑是球狀導(dǎo)電顆粒，相比于具有較高長(zhǎng)徑比的纖維狀導(dǎo)電相，其對(duì)于基體的電阻降低效果較弱，但價(jià)格低廉，且有相關(guān)文獻(xiàn)表明形態(tài)差異較大的導(dǎo)電相混雜對(duì)于材料導(dǎo)電性的改善具有協(xié)同效應(yīng)[12-13]。鋼纖維具有較好的韌性，在試驗(yàn)中試件開裂后的階段，仍有部分鋼纖維橋接裂縫，使其仍能維持一定導(dǎo)電能力[14-15]。綜上，試驗(yàn)采用以上三種導(dǎo)電相材料，并對(duì)單摻至多摻導(dǎo)電相水泥基材料的電力機(jī)敏性能進(jìn)行比較與分析。

1 試驗(yàn)材料與配合比

1.1 原材料與配合比

試驗(yàn)選用P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥，羧甲基纖維素(分散劑)，消泡劑磷酸三丁酯和SiKa高效減水劑。本試驗(yàn)中的FCCS采用水灰比為0.32的配合比，各組分用量見表1。

表1 FCCS試件基準(zhǔn)配合比 單位：kg/m3

導(dǎo)電相材料有納米炭黑，瀝青基碳纖維及OL13/.20光圓型鋼纖維三種。各導(dǎo)電相材料的主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 導(dǎo)電相材料的主要技術(shù)指標(biāo)

采用埋入式網(wǎng)作為電極，銅網(wǎng)的網(wǎng)孔尺寸為2 mm×2 mm，銅絲直徑為0.2 mm。

1.2 試件制備

在保持基準(zhǔn)配合比不變的基礎(chǔ)上，參照前人試驗(yàn)[16-18]，通過調(diào)整導(dǎo)電相的種類及體積摻量，確定各試件導(dǎo)電相摻量如表3所示。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試樣制備

考慮到本試驗(yàn)中使用的碳纖維分散困難，容易結(jié)團(tuán)的特點(diǎn)，使用甲基纖維素作為碳纖維的分散劑[19]，并采用了如下的工藝進(jìn)行試件的制備：首先將甲基纖維素溶于一半的水中，加入碳纖維和消泡劑，手動(dòng)攪拌2 min使其均勻分散。然后將膠凝材料和納米炭黑倒入攪拌機(jī)中，干拌3 min后加入含有碳纖維的混合液，加入剩下一半水和鋼纖維，再攪拌5 min。將拌好的漿體填充進(jìn)刷好油的鋼模中，在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)3 min。24 h后拆模，放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d。

表3 導(dǎo)電相體積摻量

注：CF、SF、BC、NCB和BCS依次代表單摻碳纖維、單摻鋼纖維、雙摻碳纖維、納米炭黑和三摻納米炭黑、碳纖維和鋼纖維的水泥基試件。后面的數(shù)字代表體積摻量百分?jǐn)?shù)。

2.2 試驗(yàn)與測(cè)試方法

本試驗(yàn)采用三點(diǎn)加載法，加載凈距為100 mm。在試件兩側(cè)各布置一個(gè)LVDT用來測(cè)量跨中撓度，在試件底端布置一個(gè)夾持引伸儀測(cè)量裂縫張開位移，為了保證裂縫出現(xiàn)在其中，夾持引伸儀測(cè)量范圍為跨中30 mm，對(duì)應(yīng)跨中最大彎矩的70%。試驗(yàn)機(jī)為30 t的電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，加載速率為0.05 mm/min，加載試驗(yàn)裝置圖見圖1。

圖1加載裝置圖(單位：mm)

電阻測(cè)量方面采用自主設(shè)計(jì)的電信號(hào)采集系統(tǒng)，包括：IMC數(shù)據(jù)采集裝置、定值電阻、直流穩(wěn)壓供電電源和直流降壓轉(zhuǎn)換模塊。定值電阻與待測(cè)試件串聯(lián)，以通過分壓間接測(cè)量試件電阻。試件電信號(hào)的采集使用四電極布置方法，其中外部?jī)蓚€(gè)電極通電流，內(nèi)部?jī)蓚€(gè)電極用來測(cè)電壓。降壓模塊可以測(cè)量并等比降低試件內(nèi)電極間和定值電阻R兩端的電壓，使其符合IMC的量程。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)傳輸給IMC進(jìn)行采集。裝置示意圖如圖2所示。

FCCS的電阻變化率Rfcr可按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：Ri是受荷過程中任意時(shí)刻FCCS的電阻值；R0是加載前FCCS的電阻值。

圖2電信號(hào)采集系統(tǒng)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 荷載及電阻變化率與撓度的關(guān)系

圖3～圖5為摻加導(dǎo)電相的6組水泥基試件在受彎過程中的荷載與Rfcr隨撓度變化的試驗(yàn)曲線，將其繪制成雙坐標(biāo)曲線的形式可以直觀比較開裂前后Rfcr隨撓度變化的差異。

圖3荷載-撓度曲線與Rfcr撓度曲線

圖3(a)、圖3(b)分別為單摻0.4%和0.8%碳纖維的FCCS的荷載和電阻變化率隨撓度變化曲線。從曲線可以看出，兩者在發(fā)生開裂前Rfcr隨荷載的增加僅有2%～3%的微小增幅。單摻碳纖維的水泥基材料具有一定脆性，荷載在開裂后迅速下降70%左右，與此對(duì)應(yīng)，Rfcr可以觀察到一個(gè)15%左右的躍升；之后隨著承載力逐漸下降直至完全消失，裂縫逐漸增大。伴隨著碳纖維大量被拔出或拉斷，Rfcr以遠(yuǎn)大于開裂之前的速率持續(xù)增加。

圖4(a)、圖4(b)對(duì)應(yīng)單摻0.4%及0.8%體積摻量鋼纖維的FCCS的荷載與電阻變化率隨撓度變化曲線。可以看出，在開裂后，0.4%摻量鋼纖維的FCCS承載力下降50%左右，表現(xiàn)為撓度軟化；而摻量為0.8%鋼纖維的FCCS出現(xiàn)了撓度硬化，這體現(xiàn)出鋼纖維摻量的增加對(duì)于試件韌性的提高。對(duì)比兩種摻量下開裂后現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)，開裂后Rfcr隨撓度增加而逐漸升高，但相比而言0.8%摻量的電阻變化率要小于0.4%摻量的電阻變化率。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：隨著纖維數(shù)量的增加，纖維能夠更好的搭接形成導(dǎo)電通路，在開裂后，纖維摻量較高的試件保留的導(dǎo)電通路更多，因此電阻變化率相對(duì)更小。

圖4 荷載撓度曲線與Rfcr撓度曲線

圖5荷載撓度曲線與Rfcr撓度曲線

圖5(a)的BC0608在CF08的基礎(chǔ)上添加了0.6%體積摻量納米炭黑，其基本趨勢(shì)與CF08組大體相同，顯示出了較好的信號(hào)-噪聲比和力電機(jī)敏性能。圖5(b)為在圖6(a)的基礎(chǔ)上再添加0.8%體積摻量鋼纖維得到的曲線，可以看出摻加鋼纖維后，試件的韌性有了很大提升，不過在跨中撓度達(dá)到0.8%時(shí)電阻變化率只有前者的1/3左右。對(duì)此現(xiàn)象可做如下分析：碳纖維是脆性材料，在試件開裂時(shí)大部分發(fā)生了破壞或拔出，所以整體電阻變化更加明顯。而鋼纖維韌性較好，在試件開裂后，仍有一些鋼纖維橋接裂縫，維持殘余的導(dǎo)電通路，因此相同撓度下，同時(shí)摻加鋼纖維和碳纖維，比只摻加碳纖維時(shí)電阻變化率小。

3.2 電阻變化率與裂縫張開位移的關(guān)系

圖6給出了Rfcr和受拉側(cè)裂縫張開位移Scod之間的關(guān)系。從試驗(yàn)結(jié)果來看，Rfcr與Scod之間具有較高的線性相關(guān)度。它們之間的關(guān)系，可以近似用一次函數(shù)進(jìn)行擬合，表達(dá)式為：

Y=a+bX

(2)

式中：Y代表FCCS的電阻變化率，單位為%；X為受拉側(cè)裂縫張開位移，單位為mm；a和b分別是擬合直線的截距與斜率，擬合結(jié)果見表4。

表4 擬合直線參數(shù)

表4匯總了6組FCCS的電阻變化率-裂縫張開位移擬合直線相關(guān)參數(shù)。b為直線的斜率，可以反映出電阻變化率隨裂縫寬度變化的靈敏度。最后一列R2代表Rfcr和Scod擬合的決定系數(shù)，可以體現(xiàn)擬合的線性程度。由表4可看出：

(1) 各組FCCS的決定系數(shù)都在0.98以上，代表FCCS的Rfcr和Scod之間具有較高的線性相關(guān)度。

圖6 FCCS的電阻變化率-裂縫張開位移關(guān)系

(2) 從前四組單摻鋼纖維或碳纖維的擬合參數(shù)來看，摻加碳纖維相比于摻加同體積摻量鋼纖維的FCCS，Rfcr-Scod擬合得到的斜率大約是前者的30倍左右，說明摻加碳纖維的FCCS對(duì)于裂縫監(jiān)測(cè)具有更高的靈敏度。

(3) 鋼纖維及碳纖維體積摻量從0.4%提高到0.8%時(shí)，靈敏度降低，而線性相關(guān)度增加。

(4) 對(duì)比CF08、BC0608和BCS060808三組FCCS試件的擬合結(jié)果可見，復(fù)摻及三摻時(shí)，炭黑和鋼纖維的加入，沒有增加裂縫監(jiān)測(cè)的靈敏度，不過對(duì)于Rfcr和Scod之間的線性相關(guān)度有少量提升。

4 結(jié) 論

本文通過同步進(jìn)行的彎曲試驗(yàn)和電信號(hào)采集，得到了位移加載過程中荷載與Rfcr隨撓度增加變化的曲線，并對(duì)Rfcr與受拉側(cè)裂縫張開位移進(jìn)行了線性擬合。通過對(duì)比和分析，可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：

(1) FCCS在開裂之前電阻變化率變化較小；隨著開裂破壞，承載力下降，電阻變化率會(huì)有與之對(duì)應(yīng)的明顯提升，意味著FCCS的電阻變化率具有監(jiān)測(cè)開裂的能力。

(2) FCCS開裂后出現(xiàn)撓度軟化和撓度硬化時(shí)，電阻變化率都隨裂縫張開位移或撓度的增大而增大。Rfcr和Scod之間關(guān)系可以用一次函數(shù)進(jìn)行擬合，且決定系數(shù)在0.98以上。

(3) 摻加了碳纖維的FCCS相比于摻加鋼纖維的FCCS，開裂后電阻變化靈敏度更高，但對(duì)于韌性的提升較低。

(4) 相比于單摻鋼纖維或碳纖維，三摻納米炭黑、鋼纖維和碳纖維的FCCS，Rfcr和Scod的線性相關(guān)度有所提升，說明多相導(dǎo)電材料可以提高FCCS力電機(jī)敏性能的穩(wěn)定性。