樹脂基碳纖維智能層電測(cè)混凝土表面裂縫寬度

鄧友生 ，田青蕓

(1. 湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢，430068；2. 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410082)

混凝土結(jié)構(gòu)表面裂縫寬度不僅影響工程結(jié)構(gòu)的外觀，而且影響結(jié)構(gòu)的耐久性。測(cè)定混凝土裂縫寬度是診斷工程結(jié)構(gòu)劣化和損傷的主要內(nèi)容，也是判斷結(jié)構(gòu)是否需要修補(bǔ)、加固的重要依據(jù)。日本《混凝土裂縫調(diào)查、修補(bǔ)、加固指南》中規(guī)定了需要修補(bǔ)的裂縫寬度[1]。我國(guó)現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ 10—2002)和《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62—2004)允許無(wú)害裂縫寬度為0～0.3 mm[2-3]?；炷帘砻媪芽p寬度的檢測(cè)方法主要有目測(cè)法、攝影檢測(cè)法、普通傳感儀器監(jiān)測(cè)和光纖傳感器技術(shù)等[4-7]。目測(cè)法就是借助測(cè)縫儀或標(biāo)度卡尺通過(guò)肉眼讀數(shù)來(lái)測(cè)量裂縫的寬度，位置用簡(jiǎn)圖對(duì)應(yīng)標(biāo)注[7]。這種方法用于粗測(cè)，精度低。測(cè)量時(shí)，靠人工讀取數(shù)據(jù)并手工描繪記錄裂縫形態(tài)和走向，裂縫顯微鏡需要人工近距離調(diào)節(jié)焦距并讀數(shù)和記錄，故測(cè)量結(jié)果人為影響因素較大，缺乏客觀性，且效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。攝影檢測(cè)法包括采用普通照相機(jī)、錄像機(jī)、放射線、紅外線攝影等進(jìn)行檢測(cè)[1]。近年出現(xiàn)的裂縫寬度測(cè)試儀可將放大的裂縫圖像顯示在顯示屏上，再人工讀取寬度，這種測(cè)試儀避免了人工近距離調(diào)節(jié)焦距的要求，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。普通傳感儀器監(jiān)測(cè)就是利用埋設(shè)在混凝土中的儀器進(jìn)行裂縫監(jiān)測(cè)，常規(guī)技術(shù)是利用卡爾遜式或弦式測(cè)縫計(jì)，其控制范圍僅為 0.2～1.0 m，屬點(diǎn)式檢測(cè)[7]。由于裂縫出現(xiàn)的空間隨機(jī)性，因此往往漏檢。分布式光纖傳感技術(shù)則提供了一種嶄新的測(cè)量手段，該項(xiàng)技術(shù)利用光纖自身具有集傳感和傳輸于一身的特點(diǎn)，只要裂縫與埋入的光纖光路相交即可被感知。對(duì)于具體的工程結(jié)構(gòu)，其縫寬和光路信號(hào)衰減成唯一關(guān)系，故當(dāng)光路的衰減量被檢測(cè)到后，其縫寬及其位置即可從理論上予以確定[4-6]。分布式光纖傳感技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測(cè)手段的不足，但該技術(shù)的應(yīng)用目前尚處于起步研究階段，需要土木工程、光通訊技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等多方面的耦合。近年來(lái)，李卓球等[7-11]在碳纖維機(jī)敏混凝土基礎(chǔ)上，研制了一種可以進(jìn)行應(yīng)變傳感的碳纖維智能層。本文作者利用這種傳感器對(duì)混凝土梁的表面裂縫寬度進(jìn)行檢測(cè)。

1 樹脂基碳纖維智能層傳感器及其制作

1.1 主要制作材料

實(shí)驗(yàn)采用的碳纖維材料為河南省開封鵬遠(yuǎn)玻璃纖維制品有限公司生產(chǎn)的PAN基碳纖維氈，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。樹脂基材采用岳陽(yáng)石油化工總廠岳華有機(jī)化工廠生產(chǎn)環(huán)氧樹脂E-44。

傳感器上的電極是將現(xiàn)有普通銅導(dǎo)線撥開，每 6股銅絲搓成1條而制成。為了防止電極長(zhǎng)期放置在空氣中被氧化，需要在電極外面鍍上錫，連接導(dǎo)線采用普通多股銅芯線。

表1 碳纖維氈的技術(shù)參數(shù)Table 1 Parameters of carbon fiber mat

1.2 制作工藝

首先將碳纖維氈裁剪成5個(gè)邊長(zhǎng)為200 mm的正方形薄片，將第1張薄片放在涂有石蠟的耐高溫塑料薄膜上后均勻加注樹脂、壓實(shí)碾平，再鋪上第2張薄片又均勻加注樹脂、壓實(shí)碾平，這樣直到完成第5張薄片后再將另一張涂有石蠟的耐高溫塑料薄膜蓋上，然后用5 kg物體均勻壓在塑料薄膜上常溫固化24 h后，再卸壓放入80～100 ℃恒溫箱干燥2～4 h[11]，取出后將其剪切成20塊長(zhǎng)×寬為100 mm×20 mm的碳纖維氈智能層片，以備貼在20個(gè)試件上。按圖1所示的尺寸分別將4個(gè)電極用導(dǎo)電銀膠粘貼于碳纖維氈表面作為電極，然后等待銀膠完全固化。采用銀膠粘貼電極是因?yàn)槠淠芙档妥灾齐姌O與碳纖維黏結(jié)處的接觸電阻。在整個(gè)制樣過(guò)程中要防止碳纖維氈被折或被扭。圖2所示為碳纖維氈智能層片試樣的照片。

圖1 碳纖維智能層電極尺寸布置Fig.1 Positions of electrodes in carbon fiber smart layer

圖2 碳纖維智能層傳感器照片F(xiàn)ig.2 Photo of carbon fiber sensor

2 試驗(yàn)原理與系統(tǒng)

2.1 試驗(yàn)原理

由導(dǎo)電材料的電阻R的特性公式為：

R=ρl/A

式中：ρ為電阻率；R為電阻；l為導(dǎo)線長(zhǎng)度；A為截面面積。

由上式可知，R隨導(dǎo)線長(zhǎng)度l 或通電截面面積A的變化而變化。樹脂基碳纖維氈智能層傳感器緊貼在混凝土試件的下表面，隨著試件的彎拉，傳感器中的碳纖維絲被拉長(zhǎng)而電阻增大。試驗(yàn)采用技術(shù)成熟的四電極法來(lái)測(cè)量碳纖維氈電阻[12-13]。在圖1和圖2的A，B，C和D 4個(gè)電極中，A和D兩端為通電電極，B和C 兩端為待測(cè)電極。通過(guò)A和D兩端施加恒定的電流I，由試件的彎拉引起智能層電阻R的變化，隨即B和C兩端的電壓UBC發(fā)生變化，測(cè)得UBC即可由歐姆定律計(jì)算得到碳纖維氈智能層B和C之間的電阻R；同時(shí)，在預(yù)制裂縫處安裝引伸計(jì)(如圖3所示)，引伸計(jì)與多通道數(shù)據(jù)采集儀或靜態(tài)電阻應(yīng)變儀連接可測(cè)得到裂縫張開的寬度d。通過(guò)試件加載使裂縫寬度d與B和C之間的電阻R同時(shí)發(fā)生變化，即可研究試件表面裂縫寬度d與碳纖維智能層傳感器電阻R之間內(nèi)在聯(lián)系。

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Test system

試驗(yàn)的加載系統(tǒng)為 Instron5882電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(如圖3所示)，由美國(guó)Instron公司制造，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：加載范圍為±100 kN；精度為0.5 N；25 mm標(biāo)距內(nèi)的應(yīng)變范圍為±10%，精度為0.1 με；位移測(cè)試精度為 10 μm；加載速率為 0.001～500 mm/min。

試驗(yàn)時(shí)輸入碳纖維智能層傳感器A和D兩極的電源為直流恒定電源，由Keithley 2400可編程數(shù)字電源提供；數(shù)據(jù)采集由Keithley 2700多通道數(shù)據(jù)采集儀完成。二者均由美國(guó)Keithley公司制造。

試驗(yàn)時(shí)，一臺(tái)計(jì)算機(jī)連接萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，控制試驗(yàn)加載和卸載制度；另一臺(tái)計(jì)算機(jī)連接多通道數(shù)據(jù)采集儀，同步接收試驗(yàn)輸出數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)方法

3.1 引伸計(jì)標(biāo)定

為了定量響應(yīng)碳纖維智能層傳感器對(duì)試件表面裂縫寬度變化引起的電阻變化，試驗(yàn)前必須對(duì)引伸計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。受環(huán)境和時(shí)間的影響，從理論上分析，每次試驗(yàn)前都應(yīng)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，引伸計(jì)標(biāo)定結(jié)果如圖4所示[6]。

圖4 引伸計(jì)的張開位移與應(yīng)變關(guān)系Fig.4 Relationship between strain and open displacement of extensometer

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

混凝土梁的試件尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為 360 mm×50 mm×80 mm，配置4根直徑為4 mm的通長(zhǎng)鋼筋，采用普通硅酸鹽水泥澆注，在澆注時(shí)在梁底面中部插入1片高度為10 mm、與梁等寬的薄膜，以便在試驗(yàn)加載沿薄膜處開裂。

由于樹脂基碳纖維智能層傳感器的電阻較小，實(shí)驗(yàn)采用技術(shù)成熟的四電極法來(lái)測(cè)量碳纖維氈電阻，這樣可以消除接觸電阻的影響。將 1塊長(zhǎng)×寬為 100 mm×20 mm由5層碳纖維氈制成智能層傳感器貼在混凝土試件下部預(yù)制裂縫中央，在裂縫兩側(cè)用502膠水貼好能卡住引伸計(jì)刃腳槽溝的刀片。將試件兩端水平放置在 Instron5882電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的金屬夾具上，試件兩端同金屬夾頭接觸的地方用絕緣材料隔開，以防止漏電。試樣夾好以后，將引伸計(jì)卡在試件裂縫兩側(cè)事先貼好的刀片上，引伸計(jì)通過(guò)多通道數(shù)據(jù)采集儀或靜態(tài)電阻應(yīng)變儀與計(jì)算機(jī)相連。采用Keithley2400可編程數(shù)字電源給試件的A和D電極間通1 mA的直流恒穩(wěn)電流。采用Keithley2700多通道數(shù)據(jù)采集儀采集試件B和C端電壓。

對(duì)于帶預(yù)制混凝土梁試件的試驗(yàn)，采用單調(diào)三點(diǎn)彎曲拉伸加載制度。以試件撓度進(jìn)行控制，直至碳纖維氈智能層傳感器破壞，加載速度為0.1 mm/min。

4 混凝土梁裂縫寬度電測(cè)試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 裂縫寬度電測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

圖5～10所示為帶預(yù)制裂縫的試件的試驗(yàn)結(jié)果。

圖5 4#混凝土梁試驗(yàn)曲線Fig.5 Test results of 4# concrete beam

圖6 5#混凝土梁試驗(yàn)曲線Fig.6 Test results of 5# concrete beam

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

從圖 5～10可知：碳纖維智能層傳感器可感知混凝土梁裂縫寬度的變化，隨著荷載的增大，裂縫寬度增大，碳纖維智能層的電阻也隨著增大；且在混凝土裂縫寬度0～1.0 mm時(shí)碳纖維智能層的電阻隨裂縫寬度的增大基本呈現(xiàn)線性增大變化趨勢(shì)。

從圖5(b)、圖6(b)、圖7(c)、圖8(c)、圖9(c)和圖10(c)可見，當(dāng)混凝土裂縫寬度為0～0.5 mm時(shí)，碳纖維智能層的電阻為2～4 Ω。碳纖維智能層的電阻與混凝土裂縫寬度在這一區(qū)段呈線性關(guān)系，可滿足國(guó)內(nèi)現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ 10—2002)和《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62—2004)允許無(wú)害裂縫寬度0～0.3 mm的檢測(cè)要求。

從圖5～9還發(fā)現(xiàn)：碳纖維智能層的電阻隨著裂縫寬度加大而增大，但是其增大速度不一致，即對(duì)裂縫寬度變化的敏感程度存在個(gè)體差異。這是由于碳纖維智能層由5層碳纖維氈通過(guò)樹脂黏疊而成，每層碳纖維氈的碳纖維含量在工廠生成時(shí)不可能保證絕對(duì)相等，總存在一些微量差異。故在碳纖維智能層在研制成傳感器件時(shí)應(yīng)進(jìn)行個(gè)體標(biāo)定。

圖7 6#混凝土梁試驗(yàn)曲線Fig.7 Test results of 6# concrete beam

圖8 7#混凝土梁試驗(yàn)曲線Fig.8 Test results of 7# concrete beam

圖9 8#混凝土梁試驗(yàn)曲線Fig.9 Test results of 8# concrete beam

圖10 9#混凝土梁試驗(yàn)曲線Fig.10 Test results of 9# concrete beam

5 結(jié)論

(1) 樹脂基碳纖維智能層粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)表面上可以感知其表面裂縫寬度的變化；在混凝土裂縫寬度在0～1.0 mm變化時(shí)，碳纖維智能層的電阻隨裂縫寬度的增大呈線性增大。

(2) 樹脂基碳纖維智能層電阻變化的靈敏性存在個(gè)體差異，但是在混凝土表面裂縫寬度0～0.5 mm變化時(shí)，碳纖維智能層的電阻為2～4 Ω，其離散性不大。故樹脂基碳纖維智能層可用來(lái)檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)表面裂縫寬度，可滿足國(guó)內(nèi)現(xiàn)行公路橋梁結(jié)構(gòu)和房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范允許無(wú)害混凝土表面裂縫寬度 0～0.3 mm的檢測(cè)要求。

[1] 王偉, 何小元, 楊?？? 等. 基于數(shù)字光測(cè)的表面裂縫寬度圖像分析法[J]. 測(cè)控技術(shù), 2006, 25(7): 23-26.WANG Wei, HE Xiao-yuan, YANG Fu-jun, et al. Image analysis method on surface cracking width based on digital optical test[J].Measurement & Control Technology, 2006, 25(7): 23-26.

[2] JTG D62—2004. 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].JTG D62—2004. Code for design of highway reinforced concrete and pre-stressed concrete bridge and culverts[S].

[3] GB 50010—2002. 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].GB 50010—2002. Code for design of concrete structures[S].

[4] Kim K S, Kang K S, Kang Y J, et al. Analysis of an internal crack of pressure pipeline using ESPI and stereography[J].Optics & Laser Technology, 2003, 35(8): 639-643.

[5] 丁睿, 劉浩吾. 分布式光纖傳感技術(shù)在裂縫檢測(cè)中的應(yīng)用[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 38(6): 651-654.DING Rui, LIU Hao-wu. Application of distributed optical fiber sensing technique to detection of cracks in concrete[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2003, 38(6): 651-654.

[6] 鄧友生. 基于靜力試驗(yàn)信息的橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與評(píng)估[R].武漢: 武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院, 2008: 40-66.DENG You-sheng. Damage identification and evaluation of bridge structure based on static experimental information[R].Wuhan: Wuhan University of Technology. School of Civil Engineering and Architecture, 2008: 40-66.

[7] 李卓球, 鄧友生, 方璽. 碳纖維智能層的特性及其場(chǎng)域診斷[J]. 公路, 2007(12): 155-159.LI Zhuo-qiu, DENG You-sheng, FANG Xi. Carbon fiber intelligent layers and diagnoses of its sensitive field[J]. Highway,2007(12): 155-159.

[8] 張小玉, 李卓球, 宋顯輝. 碳纖維智能層的傳感功能特性研究[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào): 城市科學(xué)版, 2008, 25(2): 36-38.ZHANG Xiao-yu, LI Zhuo-qiu, SONG Xian-hui. Sensor function characteristic research of carbon fiber smart layer[J].Journal of Huazhong University of Science & Technology:Urban Science Edition, 2008, 25(2): 36-38.

[9] 劉冬, 李卓球, 宋顯輝, 等. 樹脂基碳纖維復(fù)合材料應(yīng)變傳感穩(wěn)定性研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 30(12): 8-10.LIU Dong, LI Zhuo-qiu, SONG Xian-hui, et al. Research on the strain-sensing stability of polymer based carbon fiber composite[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2008,30(12): 8-10.

[10] 宋顯輝, 劉冬, 呂泳, 等. 碳纖維樹脂基復(fù)合材料的傳感特性研究[J]. 工程塑料應(yīng)用, 2007, 35(2): 48-51.SONG Xian-hui, LIU Dong, Lü Yong, et al. Research on sensing properties of polymer based carbon fiber composites[J].Engineering Plastics Application, 2007, 35(2): 48-51.

[11] WEN Si-hai, Chung D D L. Spatially resolved self-sensing of strain and damage in carbon fiber cement[J]. Journal of Materials Science, 2006, 41(15): 4823-4831.

[12] WANG Shou-kai, Chung D D L. Self-sensing of damage in carbon fiber polymer-matrix composite by measurement of the electrical resistance or potential away from the damaged region[J]. Journal of Materials Science, 2005, 40: 6463-6472.

[13] Yao W, Chen B, Wu K. Smart behavior of carbon fiber reinforced cement-based composite[J]. Journal of Material Science Technology, 2003, 19(3): 239-242.