等離子體改性碳納米管混凝土在橋墩節(jié)點處的智能監(jiān)測

李振東， 孫 敏

（蘇州科技大學土木工程學院，江蘇蘇州 215011）

因具有建造速度快、對周圍壞境影響小、成本費用低等優(yōu)點，裝配式橋梁得到廣泛推廣及應用，其最為重要的部分在于橋墩連接節(jié)點［1］.裝配式橋梁在服役過程中，長期受到各種外界因素的影響，難免會引起結構破損、結構性能退化等問題，特別是在地震作用下，節(jié)點處受力情況更加復雜.若能及時監(jiān)測節(jié)點處的受力變化，提前做出預警，則可避免人員傷亡，減少損失.碳納米管（CNT）混凝土是在混凝土中摻入CNT 制備而成的一種新型智能混 凝 土 材 料［2］，具 備 良 好 的 力 學 性 能［3?4］；另 外，CNT 優(yōu)異的導電性能［5］和壓敏性能［6?7］也為結構監(jiān)測提供了可能.Ding 等［8］在水泥中分別加入CNT和納米炭黑（NCB）制備智能傳感器，發(fā)現(xiàn)環(huán)載荷作用下，水泥的壓阻均具有較高的穩(wěn)定性和可重復性.Suchorzewski 等［9］發(fā)現(xiàn)添加少量多壁碳納米管（MWCNT）可以提高混凝土在循環(huán)壓縮條件下的應力檢測能力，使微裂紋監(jiān)測成為可能.Jiang 等［10］提出了基于應力波能量衰減的裂縫損傷程度評估方法，該方法可用于監(jiān)測混凝土層合界面裂紋的發(fā)生和演化，并能夠預測層合界面裂紋的擴展程度.上述研究均證明CNT 能夠應用于混凝土材料中并實現(xiàn)對應力、裂紋的監(jiān)測，但尚未解決CNT 在水泥基材料中分散性差的問題.

對CNT 表面進行等離子體改性處理，得到等離子體改性碳納米管（P?CNT）［11］，此方法解決了CNT表面惰性和團聚問題，使其能充分融入混凝土材料中.研究［12］還發(fā)現(xiàn)，P?CNT 混凝土的壓敏性能遠高于普通混凝土，使得P?CNT 亦可應用于結構的健康監(jiān)測.

綜上，本文將P?CNT 混凝土應用于裝配式橋墩連接節(jié)點處，研究橋墩節(jié)點處P?CNT 混凝土在地震作用下載荷與電阻之間的對應關系，以實現(xiàn)對結構受力狀態(tài)的智能監(jiān)測.

1 試件設計及制作

1.1 試件設計

根據(jù)實際工程案例，在承插式連接方式的基礎上，另外設計2 種新型連接方式，共3 組試件，分別為A 組承插式連接試件、B 組套筒連接試件和C 組鋼板連接試件.本試驗以加載條件為準，橋墩模型縮尺比例為1∶10，去掉墩帽，調整墩身尺寸.橋墩裝配時，需要在墩臺內預留槽孔，為確保其連接性能［13］，設計槽孔深度為200 mm.3 組試件的尺寸設計如圖1 所示.

圖1 各組試件尺寸示意圖Fig.1 Size schematic diagram of each group of specimen（size：mm）

試件墩身配筋率遵循與實際工程墩身配筋率一致的設計原則. 由于實際工程采用56 根?32 的HRB400 級鋼筋，配筋率為1.39%，試件選配4 根?12的HRB400 鋼筋作為縱筋，縱筋和箍筋需要保證彎曲破壞優(yōu)先發(fā)生在墩底位置.經(jīng)計算，A 組和C 組試件的箍筋采用?8@58 鋼筋，B 組試件的箍筋采用?8@54 鋼筋，鋼筋級別均為HRB400.橋墩墩臺配筋按照規(guī)范設計要求，需要保證試件在加載過程中，墩臺不發(fā)生剪切破壞或者不先于墩身破壞.

1.2 試件制作

3 組試件的預制墩身和墩臺均采用C50 自密實混凝土進行澆筑，配合比如表1 所示.水泥采用P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥；粉煤灰采用上海寶鋼生產(chǎn)協(xié)力公司產(chǎn)Ⅰ級粉煤灰；硅灰采用河南鉑潤新材料有限公司產(chǎn)高活性微硅粉；砂采用天然河砂；石子采用直徑為5~20 mm 的瓜子片；減水劑采用陜西秦奮建材有限公司產(chǎn)Q8081PCA 型減水劑.

表1 C50 自密實混凝土配合比Table 1 Mix proportion of C50 self-compacting concrete kg/m3

制作墩身和墩臺的同時，另外澆筑3 個尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 的自密實混凝土立方體試件，養(yǎng)護28 d 后進行抗壓強度試驗，其立方體抗壓強度值取3 個試件的平均值，為51.76 MPa.

B 組套筒連接試件由2 種口徑的鋼管拼接而成，拼接前將鋼管預先埋入墩臺和墩身中.其中與墩身相連的鋼管外徑為14 mm，壁厚為2 mm，長為500 mm；與墩臺相連的鋼管內徑為14 mm，壁厚為2 mm，長為320 mm.C 組鋼板連接試件由4 塊鋼板焊接而成，預先安裝在墩臺內，安裝時，直接將墩身插入墩臺即可.3 組試件的墩身和墩臺養(yǎng)護完成后進行拼裝，并用P?CNT 混凝土作為連接材料灌入槽孔內.

P?CNT 混凝土制作方法［12］為：首先，通過轉轂式低溫等離子體處理儀，將CNT 進行等離子體處理，整個過程持續(xù)2 min，即可得到P?CNT；然后，在C50自密實混凝土中摻入0.3%（質量分數(shù)）的P?CNT 得到P?CNT 混凝土.CNT 材料參數(shù)如表2 所示.

表2 CNT 材料參數(shù)Table 2 Parameter of CNT materials

圖2為P?CNT 和CNT 在水溶液中的初始分散性.由圖2 可見：CNT 在水中的分散性較差，經(jīng)過振蕩后依然懸浮于水面，無法溶于水中；經(jīng)等離子體處理后的P?CNT 在水中的分散性優(yōu)越，經(jīng)過振蕩后可以迅速溶于水中.

圖2 P?CNT 和CNT 初始分散性對比Fig.2 Initial dispersion comparison of P?CNT and NT

3組試件的制作及拼裝均在蘇州科技大學江蘇省重點結構工程大廳內完成.各組預制試件照片如圖3所示.拼裝時，首先，對連接部位表面進行鑿毛處理；其次，通過槽孔內預留墊塊，將墩身調平對中放入墩臺；最后，將P?CNT 混凝土澆筑于槽孔內，同時布置好電極塊.

圖3 各組預制試件照片F(xiàn)ig.3 Photos of each group of prefabricated specimen

2 試驗方案

影響P?CNT 混凝土電阻值的因素包括電阻測試方法和電極選取方法［14］.常見的混凝土電阻測試方法有二電極法和四電極法.相較于四電極法，二電極法的電極制作及測試過程更加簡捷方便，因此本研究采用二電極法來進行測試.由于試件連接節(jié)點處空間較小，測試用電極采用埋入式銅棒電極.為確保銅棒電極在澆筑過程中能夠更好的固定，先制作銅棒電極塊（見圖4（a）），再將其整體埋入連接節(jié)點內（見圖4（b））.

圖4 電極塊和試件照片F(xiàn)ig.4 Photos of copper rod electrode block and specimen

圖5為連接節(jié)點處記號標注.為方便觀察試驗現(xiàn)象及測點布置，以加載方向為準，在圖5 標記對應位置布置銅棒電極并在混凝土表面粘貼應變片.加載測試前，先將銅棒電極連接到34401A 數(shù)字萬用表上，通電45 min 消除極化現(xiàn)象［15］，待試件電阻穩(wěn)定后對試件進行加載和數(shù)據(jù)采集.

圖5 連接節(jié)點處記號標注Fig.5 Marking at connected nodes

本次試驗采用平行四連桿加載裝置，先將試件固定在加載架上，再安裝電阻測試儀器.試件加載裝置和測試方法示意圖見圖6.

圖6 試件加載裝置和測試方法示意圖Fig.6 Diagram of loading device and testing method

在低周往復作用下，進行裝配式橋墩連接節(jié)點處P?CNT 混凝土壓敏性能測試時，豎向荷載（N）采用的軸壓比［16］為0.25，其計算表達式為：

式中：ηk為軸壓比；A為墩身的橫截面面積；fc為混凝土的軸心抗壓強度，由經(jīng)驗公式fc=0.76fcu、fcu=51.76 MPa 可得，fc=39.34 MPa.

根據(jù)式（1）計算得到，施加給試件的豎向荷載N=51.76 kN.墩頂水平荷載采用位移加載方式，分3 級逐步加載：第1 級為2、4、6 mm，80 s 完成1 次循環(huán)，每個循環(huán)進行4 次；第2 級為8、10、15 mm，160 s 完成1次循環(huán)，每個循環(huán)進行4 次；第3 級為20、25、30 mm，240 s 完成1 次循環(huán)，每個循環(huán)進行2 次；此后每次增加5 mm，直至試件破壞.

3 試驗結果與數(shù)據(jù)分析

3.1 節(jié)點處P-CNT 混凝土的壓力-電阻變化規(guī)律

選取各組連接節(jié)點處1#、2#位置且未出現(xiàn)裂縫處，測量連接節(jié)點處破壞時的電阻值，其變化曲線見圖7（實線為電阻值與時間關系，虛線為荷載與時間關系）.由圖7可以看出：由于受銅棒電極間距、電極塊埋入位置等影響，各測試位置受力情況有所不同，導致各測試位置測得的電阻值及電阻變化有差異，但各測試位置的電阻總體上隨軸向壓力呈現(xiàn)波浪形變化，電阻值隨著荷載的增加而下降，隨著荷載的減小而上升；A 組試件1#位置電阻曲線呈上升趨勢，可能是由于該位置內部出現(xiàn)了微裂縫［17］，而其余各處的電阻曲線總體呈現(xiàn)下降趨勢，這是由于隨著峰值位移不斷變大，電極塊受到的軸向壓力不斷變大所致［18］；3組試件中C組試件的電阻變化幅度約4.000 kΩ，A、B 組試件的電阻變化幅度分別約2.250、1.250 kΩ，說明在承載能力范圍內，3組試件連接節(jié)點處的P?CNT 混凝土電阻變化幅度隨著軸向壓力的增大而增大，均表現(xiàn)處良好的壓敏性能.

圖7 各組節(jié)點處監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.7 Monitoring data at nodes of each group

3.2 P-CNT 混凝土對結構破壞的監(jiān)測

圖8為各組試件部分測點出現(xiàn)裂縫時的電阻變化曲線.由圖8 可見：加載后期，各組試件測試位置電極塊處均出現(xiàn)裂縫或混凝土分離，所對應的電阻值均有突增現(xiàn)象——A 組試件6#位置裂縫出現(xiàn)時，電阻值從75. 897 kΩ 增加到230. 829 kΩ，增加了204%；B 組試件1#位置裂縫出現(xiàn)時，電阻值從75. 102 kΩ 增加到106. 393 kΩ，增加了41.7%；C 組試件2#位置裂縫出現(xiàn)時，電阻值從129. 526 kΩ 突增到9.900×1034kΩ，說明該位置的混凝土已經(jīng)分離，銅棒電極周圍混凝土已經(jīng)開裂（圖8（c））.3 組試件承載能力由大到小依次為C 組>A 組>B 組，出現(xiàn)裂縫或破壞時對應的電阻值變化率由大到小依次為C 組>A 組>B 組.

圖8 節(jié)點破壞時各組電阻變化及實例照片F(xiàn)ig.8 Resistance change and example photo of each group specimen during node failure

4 結論

（1）在低周往復作用下，3 組試件連接節(jié)點處P?CNT 混凝土的電阻值均隨著荷載的增加而下降，隨著荷載的減小而上升，電阻值與荷載一一對應，表現(xiàn)出較穩(wěn)定的壓敏性能，能夠反映節(jié)點處的受力變化情況.

（2）當節(jié)點處出現(xiàn)裂縫或者混凝土分離現(xiàn)象時，P?CNT 混凝土電阻值呈現(xiàn)突增狀態(tài)，且電阻突增變化率隨著荷載的增大而增大，能夠及時起到預警和監(jiān)控作用.