纤维水泥基复合材料传感器用于弯曲裂缝监测

2018-08-21谢昊威丁一宁

水利与建筑工程学报 2018年4期

谢昊威，韩壮，丁一宁

(1.大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116024；2.航天建筑设计研究院有限公司，北京 100071)

混凝土结构在服役期间，由于受外部环境、荷载作用等因素的影响，不可避免的产生损伤或裂缝。结构裂缝的出现会导致外部有害离子更加容易侵入混凝土内部基体，进而引起钢筋锈蚀和承载力下降，引发严重后果。因此，结构构件的实时裂缝监测，对结构至关重要[1]。

已有研究表明，将不同掺量的导电相材料掺入水泥基复合材料中可使其具有感知自身应力、应变和损伤的能力，这使纤维水泥基复合材料应用于结构健康监测成为可能[2-3]。应用导电相材料以实现混凝土开裂自监测主要有两种形式：一种是通过掺入导电纤维、颗粒降低混凝土本身的电阻、增加混凝土力学性能，使其成为兼具应变及裂缝监测能力与结构功能的导电混凝土[4]；另一种是将纤维水泥基传感器埋入构件关键部位以实现局部监测[5]。埋入式水泥基传感器具有耐久性好、价格低廉等优点[6]。国内Han B等[7]对于纤维水泥基材料压敏性能进行过一系列研究，结果表明这种材料对于压应变的感知具有较好的灵敏度、稳定性和可重复性。

实际结构中弯曲构件大多是带裂缝工作的，而目前对于水泥基传感器的研究主要集中在其开裂前的弹性阶段，对于传感器在弯曲荷载下开裂后的电阻与荷载、裂缝间关系较少涉及。基于以上考虑，本文主要通过弯曲试验研究开裂后FCCS的电阻变化率Rfcr与荷载、挠度与裂缝间的关系，为埋入式传感器应用于弯曲构件的健康监测提供依据。

本实验主要研究对象是单掺或多掺碳纤维、钢纤维及纳米炭黑三种较为常见的导电相的水泥基试件。碳纤维由于其高强、高弹模、导电性能良好的特点，一直是国内外学者广泛研究的对象[8-11]。纳米炭黑是球状导电颗粒，相比于具有较高长径比的纤维状导电相，其对于基体的电阻降低效果较弱，但价格低廉，且有相关文献表明形态差异较大的导电相混杂对于材料导电性的改善具有协同效应[12-13]。钢纤维具有较好的韧性，在试验中试件开裂后的阶段，仍有部分钢纤维桥接裂缝，使其仍能维持一定导电能力[14-15]。综上，试验采用以上三种导电相材料，并对单掺至多掺导电相水泥基材料的电力机敏性能进行比较与分析。

1 试验材料与配合比

1.1 原材料与配合比

试验选用P.O 42.5R普通硅酸盐水泥，羧甲基纤维素(分散剂)，消泡剂磷酸三丁酯和SiKa高效减水剂。本试验中的FCCS采用水灰比为0.32的配合比，各组分用量见表1。

表1 FCCS试件基准配合比单位：kg/m3

导电相材料有纳米炭黑，沥青基碳纤维及OL13/.20光圆型钢纤维三种。各导电相材料的主要技术指标见表2。

表2 导电相材料的主要技术指标

采用埋入式网作为电极，铜网的网孔尺寸为2 mm×2 mm，铜丝直径为0.2 mm。

1.2 试件制备

在保持基准配合比不变的基础上，参照前人试验[16-18]，通过调整导电相的种类及体积掺量，确定各试件导电相掺量如表3所示。

2 试验研究

2.1 试样制备

考虑到本试验中使用的碳纤维分散困难，容易结团的特点，使用甲基纤维素作为碳纤维的分散剂[19]，并采用了如下的工艺进行试件的制备：首先将甲基纤维素溶于一半的水中，加入碳纤维和消泡剂，手动搅拌2 min使其均匀分散。然后将胶凝材料和纳米炭黑倒入搅拌机中，干拌3 min后加入含有碳纤维的混合液，加入剩下一半水和钢纤维，再搅拌5 min。将拌好的浆体填充进刷好油的钢模中，在振动台上振动3 min。24 h后拆模，放入恒温恒湿养护室中养护28 d。

表3 导电相体积掺量

注：CF、SF、BC、NCB和BCS依次代表单掺碳纤维、单掺钢纤维、双掺碳纤维、纳米炭黑和三掺纳米炭黑、碳纤维和钢纤维的水泥基试件。后面的数字代表体积掺量百分数。

2.2 试验与测试方法

本试验采用三点加载法，加载净距为100 mm。在试件两侧各布置一个LVDT用来测量跨中挠度，在试件底端布置一个夹持引伸仪测量裂缝张开位移，为了保证裂缝出现在其中，夹持引伸仪测量范围为跨中30 mm，对应跨中最大弯矩的70%。试验机为30 t的电液伺服万能试验机，加载速率为0.05 mm/min，加载试验装置图见图1。

图1加载装置图(单位：mm)

电阻测量方面采用自主设计的电信号采集系统，包括：IMC数据采集装置、定值电阻、直流稳压供电电源和直流降压转换模块。定值电阻与待测试件串联，以通过分压间接测量试件电阻。试件电信号的采集使用四电极布置方法，其中外部两个电极通电流，内部两个电极用来测电压。降压模块可以测量并等比降低试件内电极间和定值电阻R两端的电压，使其符合IMC的量程。转换后的信号传输给IMC进行采集。装置示意图如图2所示。

FCCS的电阻变化率Rfcr可按式(1)计算：

(1)

式中：Ri是受荷过程中任意时刻FCCS的电阻值；R0是加载前FCCS的电阻值。

图2电信号采集系统

3 试验结果分析与讨论

3.1 荷载及电阻变化率与挠度的关系

图3～图5为掺加导电相的6组水泥基试件在受弯过程中的荷载与Rfcr随挠度变化的试验曲线，将其绘制成双坐标曲线的形式可以直观比较开裂前后Rfcr随挠度变化的差异。

图3荷载-挠度曲线与Rfcr挠度曲线

图3(a)、图3(b)分别为单掺0.4%和0.8%碳纤维的FCCS的荷载和电阻变化率随挠度变化曲线。从曲线可以看出，两者在发生开裂前Rfcr随荷载的增加仅有2%～3%的微小增幅。单掺碳纤维的水泥基材料具有一定脆性，荷载在开裂后迅速下降70%左右，与此对应，Rfcr可以观察到一个15%左右的跃升；之后随着承载力逐渐下降直至完全消失，裂缝逐渐增大。伴随着碳纤维大量被拔出或拉断，Rfcr以远大于开裂之前的速率持续增加。

图4(a)、图4(b)对应单掺0.4%及0.8%体积掺量钢纤维的FCCS的荷载与电阻变化率随挠度变化曲线。可以看出，在开裂后，0.4%掺量钢纤维的FCCS承载力下降50%左右，表现为挠度软化；而掺量为0.8%钢纤维的FCCS出现了挠度硬化，这体现出钢纤维掺量的增加对于试件韧性的提高。对比两种掺量下开裂后现象可以发现，开裂后Rfcr随挠度增加而逐渐升高，但相比而言0.8%掺量的电阻变化率要小于0.4%掺量的电阻变化率。产生这种现象的原因是：随着纤维数量的增加，纤维能够更好的搭接形成导电通路，在开裂后，纤维掺量较高的试件保留的导电通路更多，因此电阻变化率相对更小。

图4 荷载挠度曲线与Rfcr挠度曲线

图5荷载挠度曲线与Rfcr挠度曲线

图5(a)的BC0608在CF08的基础上添加了0.6%体积掺量纳米炭黑，其基本趋势与CF08组大体相同，显示出了较好的信号-噪声比和力电机敏性能。图5(b)为在图6(a)的基础上再添加0.8%体积掺量钢纤维得到的曲线，可以看出掺加钢纤维后，试件的韧性有了很大提升，不过在跨中挠度达到0.8%时电阻变化率只有前者的1/3左右。对此现象可做如下分析：碳纤维是脆性材料，在试件开裂时大部分发生了破坏或拔出，所以整体电阻变化更加明显。而钢纤维韧性较好，在试件开裂后，仍有一些钢纤维桥接裂缝，维持残余的导电通路，因此相同挠度下，同时掺加钢纤维和碳纤维，比只掺加碳纤维时电阻变化率小。