纳米材料的装配式混凝土结构界面损伤监测试验研究*

张 明，孔艳冬，刘 扬，殷新锋，鲁乃唯，黄 胄

(1.长沙理工大学 土木工程学院，湖南 长沙 410114;2.绍兴市交通工程质量安全监督站，浙江 绍兴 312000)

0 引 言

装配式混凝土结构已广泛应用于土木工程[1]。与整体式现浇结构相比，装配式结构具有运输方便，施工周期短，环境影响小，质量保证容易，自复位能力强等优点而引起了人们的广泛关注。然而，装配式结构的综合性能与界面材料的质量息息相关。由于界面处的混凝土中有一层水泥砂浆基质，因此不如整体浇筑的混凝土密实，并且容易成为外部有害物质进入混凝土的通道。这成为装配式结构抵抗不利环境影响的最薄弱环节。同时，由行驶中的车辆引起的动态载荷、腐蚀、极端事件期间的冲击载荷等导致界面处的脱粘裂纹，严重削弱结构的完整性和承载能力。另一方面，纳米材料可以通过混凝土材料的物理效应显著提高结构的性能，使得结构的界面损伤检测成为非常复杂的问题。智能材料的出现，如压电陶瓷材料，特别是锆钛酸铅(Pb-based lanthanum-doped zirconate titanates,PZT)，通过完全集成的智能骨料(SAs)主动传感技术为解决这一问题提供一种经济实用的健康监测方法[2～4]。

本文提出了一种基于应力波传播的嵌入式SAs主动传感方法来监测装配式混凝土梁的界面脱粘性能。分别在未含纳米材料装配式混凝土梁、含2 %浓度的纳米CaCO3装配式混凝土梁、含2 %浓度的纳米TiO2装配式混凝土梁进行了试验。埋入装配式混凝土梁中三个不同横截面的空间位置中的SAs传感器分别用作驱动器和传感器。在整个加载过程中，对脱粘引起的裂纹进行监测。裂纹对传播的应力波能量具有衰减作用，而应力波能量可以通过接收信号在时域和小波包能量中反映出来。基于小波包损伤指标量化了信号能量的变化。实验研究验证了基于主动传感的SAs传感器监测含纳米材料的装配式混凝土梁界面脱粘裂纹的可行性。

1 检测原理

基于SAs的主动传感方法需要至少一对压电驱动器和传感器，放置在混凝土的表面或内部，然后与混凝土一起形成压电智能结构[5]。在混凝土中嵌入了3只SAs，其中2只SA1作为驱动器产生应力波，该应力波从一个混凝土构件内部通过界面传播到另一混凝土构件，并被SA2传感器接收并检测波响应。为了识别混凝土梁界面损伤状态，进行了周期性加载试验。混凝土梁界面脱粘损伤监测的主动传感方法检测原理如图1所示。加载前，混凝土梁处于健康状态时，传感器可以接收到较强的应力信号作为基本信号。随着载荷的增加，混凝土梁开始出现裂缝。应力波在混凝土传播过程中得到反射，SAs接收到的应力波信被衰减。随着荷载的继续增大，接收到的信号将随着裂纹的数量和严重程度的增加而连续减小。

图1 主动传感方法脱粘损伤原理

2 试验方法

2.1 纳米材料

为了提升混凝土的性能，选用具有增韧补强的纳米材料。纳米CaCO3拥有提高材料的弯曲强度和弯曲弹性模量。纳米TiO2可以使材料有较高的硬度、密度、以及抗老化作用。购买商品级纳米TiO2和CaCO3，其尺寸范围为50～100 nm。含有高浓度的纳米TiO2和CaCO3的混凝土，纳米颗粒具有聚集的倾向，因此会出现更高的粒径[6,7]。由于团聚的倾向，降低了纳米颗粒在混凝土中作为有效填料的能力。所以选择纳米材料的浓度不宜采取过高。本试验采用2 %浓度的纳米TiO2和CaCO3，表现出成核和填充效应，并且导致更少的多孔和更均匀的结构。

2.2 智能骨料

SAs是通过使用环氧树脂将带有导线的PZT嵌入到两块大理石之间而形成的[8]。为了进行连接，将引线的一端焊接到PZT贴片的阳极和阴极，另一端连接到BNC连接器。SAs作为一种低成本的多功能装置，可用于混凝土结构的综合监测，如混凝土裂缝检测、混凝土水化特性监测和钢管混凝土结构脱粘检测等[9,11]。制成的压电传感器如图2所示。SAs的直径为25 mm，高度为20 mm。PZT的尺寸为15 mm×10 mm×0.3 mm。

图2 SAs和PZT

2.3 试样制作

为了监测混凝土梁的开裂特性，设计制作了三种不同类型的混凝土梁试件。混凝土梁试件由3个单齿混凝土块组成，用高强度环氧树脂胶粘剂粘结拼装形成。梁1为未添加任何纳米材料的普通混凝土试件；梁2在混凝土中混入2 %浓度的纳米TiO2；梁3在混凝土中混入2 %浓度的纳米CaCO3。表1给出了混凝土梁试件浇筑的详细配合比。

表1 混凝土试件的配合比 (kg/m3)

试件的的尺寸和钢筋是相同的。梁的尺寸为600 mm×300 mm×100 mm。

图3显示了试件的三维模型。

图3 混凝土梁3D模型

试件的详细尺寸如图4所示。

图4 混凝土梁平面示意(单位: cm)

试验梁中主筋为φ14钢筋，屈服强度为378 MPa，极限强度为556 MPa，弹性模量为200 GPa，伸长率为54 %; 箍筋为φ8钢筋，屈服强度为325 MPa，极限强度为490 MPa，弹性模量为200 GPa，伸长率为23 %。钢筋的保护层厚度为30 mm。试验中采用钢丝将智能骨料固定在钢筋上。其中SA1和SA2分别位于混凝土块的中间。

2.4 试验装置

本文使用的损伤监测系统的实验装置主要包括带有环氧树脂胶界面的装配式混凝土梁、SAs、反力架、负荷传感器、螺旋千斤顶、钢垫块、载荷分配梁、混凝土支撑墩、固定支座、滑动支座、数据采集系统(NI—USB 6366)、带有支持软件的笔记本电脑，如图5所示。

图5 试件加载系统

带有SAs的混凝土梁通过固定支座和滑动支座安装在混凝土支撑墩上。螺旋千斤顶产生的荷载通过钢垫块和带有固定支座和滑动支座的载荷分配梁传递到混凝土梁试样。加载值由负荷传感器测量。NI—USB 6366集成了信号发生器和接收器，可以使驱动器SAs产生正弦波信号，传感器SAs收集响应信号。使用NI LabVIEW[12,13]软件编写支持数据采集系统NI—USB 6366的程序，以确定输入信号参数。扫频正弦波信号频率为100 Hz～150 kHz，幅值为10 V，周期为1 s，采样频率为1 MHz。

2.5 试验过程

本试验采取单调加载静力方法进行。采用两点方式进行加载，集中荷载通过分配梁转化为二个大小相等的力。采用螺旋千斤顶加载试件，在试验过程中用负荷传感器控制荷载，然后转换成加载力，对混凝土梁进行损伤试验。环氧树脂胶界面厚度为2 mm。横向加载力由N1和N2调节。在试验中，SA1—1和SA1—2分别安装在梁的左右两侧。这类骨料可被视为监测信号发射器。而安装在梁中间位置的S2扮演接收器的功能。

第一步，对于每一个供给点j，给定空间距离阈值d0，形成一个空间作用域，计算在该作用域内每个需求点k的人数，利用高斯方程赋予权重并将这些加权后的人口进行加和，可得到供给点j的潜在需求者数.再利用供给点j的面积或规模除以其潜在需求者总数，计算出供需比率Rj：

在正式加载试验之前，为了消除试件的初始缺陷并确保各部件处于良好状态并且加载设备和试验仪器能够正常工作，进行预加载试验。静载荷试验从零开始，直至试件失效为止。测试中每个负载水平的增量为10 kN。试验加载开始前，即荷载等级为0 kN 时，利用扫频信号分别对SAs进行激励并采集健康状态下的数据。在加载过程中，每加载到一个荷载等级，则采集一次数据，同一位置进行多次测量。每个加载阶段结束后，试件都有足够的变形时间，变形稳定后测量数据。最后，收集信号输入到电脑终端，利用反馈的监测信号，进行后期试验数据的处理分析，得出试验结果。

3 试验结果

3.1 试件的加载特性

从表2中可以看出，梁2和梁3的开裂荷载和极限荷载明显高于梁1的开裂荷载和极限荷载。梁3的开裂荷载和极限荷载高于梁2的开裂荷载和极限荷载。与梁1相比，梁2的开裂荷载和极限荷载分别增加了50 %和16.7 %。与梁1相比，梁3的开裂荷载和极限荷载分别增加了100 %和33.3 %。分析表明，通过在混凝土中添加纳米材料可以改善试件的荷载特性。纳米CaCO3比纳米TiO2更好地改善了试件的加载特性。

表2 试验梁特征荷载

3.2 时域分析

为了减小本文的篇幅，时域信号分析只给出SA1—1传感器三种典型工作状态下的信号。在试验过程中，试件的三种典型工作状态:1)试样未加载时处于完全健康状态；2)将试样加载到开始出现裂缝的状态。3)加载试样直到裂缝发展到破坏状态。图6反映了扫描后的正弦波信号对一个周期的传感器信号的响应。结果表明，传感器信号的幅值随荷载的增加而减小。原因是随着荷载的增加，在试件的界面处会发生脱粘裂缝。脱粘裂缝引起应力波信号的反射和衰减。通过时域分析可以确定试件的初始脱粘和破坏状态。

图6 梁1，梁2，梁3中SA1—1传感器的时域信号

从图6可以看出，梁2和梁3的幅值明显大于梁1的幅值。梁3的幅值高于梁2的幅值。结果表明，与未含有纳米材料梁的强度相比，含有纳米材料梁的强度有很大的提高。含有纳米CaCO3梁的强度高于含有纳米TiO2梁。

上述分析表明，纳米材料的成核和填充作用降低了混凝土内部的孔隙率，提高了结构强度，从而增强了应力波的传播，使信号幅值增大。在相同浓度下，纳米CaCO3的成核和填充效果优于纳米TiO2。

3.3 小波包能量分析

为了量化在加载过程中检测到的信号能量，使用小波包能量分析方法来计算信号能量。从图7(a)中发现，梁2和梁3中小波包能量比梁1有较大的提高。加载前，梁2和梁3的小波包能量比梁1提升了90.75 %和229.05 %。证明了含有纳米材料梁的强度高于未含有纳米材料梁。含有纳米CaCO3梁的强度高于含有纳米TiO2梁。梁1和梁2以及梁3的界面初始脱粘裂缝分别发生在20,30,40 kN阶段，导致传感器接收到的能量大大降低。在发生初始脱粘裂缝阶段，梁2和梁3的小波包能量梯度比梁1有较大的提升。梁2和梁3的小波包能量梯度比梁1提升了50.20 %和131.74 %。证明了含有纳米材料梁的界面粘结强度高于未含有纳米材料梁。含有纳米CaCO3梁的界面粘结强度高于含有纳米TiO2梁。同理，小波包能量图的下降趋势也能反映出含有纳米材料梁有较好的延性破坏。上述分析表明，小波包能量具有检测混凝土梁强度和初始脱粘裂缝萌生的能力。脱粘裂缝发生后，能量的衰减值会持续监控脱粘裂缝的发展。

图7 梁中SA1—1传感器的能量与损伤指标

3.4 小波包损伤指数

4 结 论

本文采用SAs传感器诱导应力波的主动传感方法对装配式混凝土梁的界面脱粘性能进行试验研究。试验表明，由于纳米材料的成核和填充作用，使含有纳米混凝土成为波传播的良好通道。因此嵌入的SAs诱发的应力波对界面的脱粘条件敏感。

根据试验结果，可以得出以下结论：

1)含纳米材料混凝土梁的界面粘结性能显著增强，并且优于不含纳米材料混凝土梁。相同浓度下，含纳米CaCO3梁的界面粘结性能强于含纳米TiO2梁。

2)试验结果表明，SAs传感器接收到信号的时域幅值和小波包能量随着脱粘裂纹损伤的发生而减小。随着荷载的增加，脱粘裂缝诱发损伤逐渐增大。未含纳米材料梁的信号幅值(小波包能量)比含纳米材料梁的信号幅值(小波包能量)减小的快。相同浓度下，含纳米TiO2梁的信号幅值(小波包能量)比含纳米CaCO3梁减小的快。

3)分析表明，纳米材料的成核和填充作用降低了混凝土内部的孔隙率，有效改善了荷载特性，从而增强了应力波的传播，并降低了传播过程中的能耗。在相同浓度下，纳米CaCO3的成核和填充效果要优于纳米TiO2。

4)小波包理论已成功地应用于装配式混凝土梁界面脱粘过程的实时监测。基于小波包的能量分析和损伤指数有效地解释了装配式混凝土梁界面脱粘过程。