CFRP 約束高強(qiáng)混凝土方柱機(jī)敏特性的試驗(yàn)研究1

盧 明 王震宇

1）中國(guó)石油天然氣勘探開發(fā)公司，北京 100034

2）哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱 150090

前言

近年來，碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展迅速，外包碳纖維使柱構(gòu)件的混凝土處于三向受壓狀態(tài)，可較大幅度地提高構(gòu)件的承載力和抗震性能。國(guó)內(nèi)外研究表明，碳纖維片材CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastic）除了具有優(yōu)良的力學(xué)性能和耐久性外，還具有比較好的導(dǎo)電性。對(duì)于CFRP傳感特性的研究，主要是監(jiān)測(cè)碳纖維電阻的變化，進(jìn)而得出CFRP內(nèi)部碳纖維絲的斷裂情況，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者研究了碳纖維制品的電阻測(cè)試方法。早在1989年，Schulte（1989）首先提出采用D.C.（Direct Current）電路測(cè)量技術(shù)測(cè)量電阻變化的方法，來分析CFRP的橫向或縱向裂縫、分層破壞等各種破壞形式；Ceysson等（1996）分別利用電阻信號(hào)和聲發(fā)射信號(hào)研究了CFRP自身的破壞機(jī)理，研究表明電阻信號(hào)可以在線監(jiān)測(cè)CFRP的纖維斷裂、基體破壞以及纖維板的分層；Seo等（1999）通過在碳纖維板表面粘貼電極的方法來研究材料的疲勞累積損傷，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究了電阻變化率與疲勞壽命及剛度降低之間的關(guān)系；Park等（2002）利用D.C.電路測(cè)試方法對(duì)不同寬度和電阻標(biāo)距的環(huán)氧樹脂基碳纖維束力電本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究，充分說明了CFRP具有良好的感知功能。利用碳纖維的電阻變化來監(jiān)測(cè)構(gòu)件內(nèi)部的損傷發(fā)展，從而形成具有損傷自監(jiān)測(cè)功能的外包碳纖維機(jī)敏高強(qiáng)混凝土柱組合構(gòu)件，目前對(duì)于此領(lǐng)域的研究還較少。

為分析碳纖維約束混凝土構(gòu)件中各層碳纖維的受力特征、破壞順序、共同工作程度，探討約束應(yīng)力沿周向的分布特點(diǎn)，揭示外包碳纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的機(jī)理，本文開展了碳纖維約束高強(qiáng)混凝土棱柱體的單軸受壓試驗(yàn)，考察利用碳纖維的力電特性，監(jiān)測(cè)混凝土的損傷程度和構(gòu)件破壞位置，從而形成具有損傷自監(jiān)測(cè)功能的外包碳纖維機(jī)敏高強(qiáng)混凝土柱組合構(gòu)件的可行性。

1 碳纖維約束高強(qiáng)混凝土機(jī)敏特性試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)所用電極為銅絲電極（課題組已應(yīng)用此電極對(duì)碳纖維布的力電特性做過試驗(yàn)），而不是以往所用的銅箔電極（周文松，2005），電極的幅寬分為兩束、四束和十二束碳纖維。銅線電極的制作方法是：銅線電極采用沿碳纖維布原構(gòu)造線纏繞編織形式，同時(shí)，在電極的外層涂上一層銀粉導(dǎo)電膠，避免環(huán)氧樹脂膠與電極接觸影響電極的導(dǎo)電性，如圖1所示。

圖1 電極制作詳圖Fig. 1 Detail drawing of making electric pole

1.2 試件工況

試件的編排主要考慮了混凝土試件的強(qiáng)度、碳纖維的包裹層數(shù)、電極的幅寬及布置位置，以考察不同工況下電極的監(jiān)測(cè)效果及與混凝土試件的協(xié)同工作程度，試件工況如表1所示。

表1 試件工況Table 1 Specimen work condition

續(xù)表

1.3 電極布置

試驗(yàn)的電極布設(shè)方案共3種，如圖2所示，其中方案1所監(jiān)測(cè)到的碳纖維電壓并無明顯變化，所以其平面圖在圖3中并未給出。電極平面布置如圖3所示。

圖2 電極布設(shè)方案Fig. 2 Electric pole layout scheme

方案1：在試件各個(gè)面的中部布置一對(duì)電極，電極間距為30mm，纏繞兩束纖維，如圖2（a）所示（所有方案每一層碳纖維布的電極布置方式相同）。

方案2：在試件各個(gè)面的中部布置一對(duì)電極，電極間距為50mm，纏繞四束纖維，如圖2（b）所示。

方案 3：在試件一個(gè)基面上布置一個(gè)電極，在其對(duì)面中部布置一對(duì)電極，電極間距為10mm，纏繞十二束纖維，如圖2（c）所示。

試驗(yàn)的電極布置方案較多，為了方便介紹和分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將試件編號(hào)與電極編號(hào)列于同一表中，如表2所示。

圖3 電極平面布置圖Fig. 3 Layout drawing of electronic poles

表2 電極編號(hào)Table 2 Numbering of electric pole

1.4 碳纖維電阻采集

試驗(yàn)采用的是恒流源供電方法：每一層的所有電極間電阻形成串連電路，在固定電流的情況下，由于碳纖維布應(yīng)變的變化，導(dǎo)致兩個(gè)電極之間電壓的變化，從而得到電阻的變化。試驗(yàn)每一層碳纖維布的電極用一個(gè)恒流源供電，下面以兩層碳纖維布為例介紹電極連接方法，如圖4所示。

圖4 電路連接圖Fig. 4 Circuit diagram

試驗(yàn)過程中，試件的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)通過MTS試驗(yàn)機(jī)的采集系統(tǒng)自動(dòng)采集，電壓變化數(shù)據(jù)則通過Labview程序語言編制的采集系統(tǒng)自動(dòng)采集。數(shù)據(jù)采集過程中應(yīng)該注意的是，試驗(yàn)開始時(shí)應(yīng)同步采集試驗(yàn)機(jī)采集系統(tǒng)采集的力-位移曲線和由 Labview程序語言編制的采集系統(tǒng)采集的電壓-時(shí)間曲線，這樣才能方便以后的數(shù)據(jù)處理。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

利用上述碳纖維布的自感知監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（軟件和軟硬件的集成），對(duì)碳纖維的傳感特性進(jìn)行試驗(yàn)。由于包裹混凝土試件時(shí)，采用的是現(xiàn)場(chǎng)手工浸潤(rùn)碳纖維布，所以就必然會(huì)帶來一定的誤差和離散性，而且在制作電極的過程中，銅絲的穿引、導(dǎo)電膠的涂抹等方面均存在手工制作工藝上的誤差，這就使試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)離散，所以利用包裹試件外部的碳纖維作為構(gòu)件局部監(jiān)測(cè)的傳感元件，目前還只能定性的對(duì)混凝土內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測(cè)和判斷其損傷程度。因此，在下面介紹和分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，只定性的對(duì)碳纖維監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)和分析。

2.1 幅寬為兩束的電極監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

兩束電極在加載過程中以及最后破壞時(shí)，監(jiān)測(cè)到的電阻變化率普遍很小，分析其原因可能是由于電極的幅寬較小。而內(nèi)部混凝土在受力時(shí)，較大的破碎區(qū)域并未在這兩束電極所監(jiān)測(cè)的區(qū)域，碳纖維受力較小，所以采集到的電阻變化率很小，而且規(guī)律性不強(qiáng)。所以在以后的試驗(yàn)中主要采用的是四束和十二束電極來做監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，因?yàn)檫@兩種電極較兩束電極的幅寬大，監(jiān)測(cè)的區(qū)域也比較大，測(cè)得的電阻變化率也就比兩束的電極大。

2.2 稀釋劑對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響

試驗(yàn)中除C40-F1-2和C40-F1-3試件使用的環(huán)氧樹脂中添加了2.5%的活性稀釋劑以外，其他試件未加稀釋劑。

2.2.1 對(duì)力學(xué)性能的影響

加稀釋劑后，試件與未加稀釋劑試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比如圖5所示。

圖5 稀釋劑對(duì)碳纖維包裹混凝土力學(xué)性能的影響Fig. 5 Influence of liquefier on the mechanical property of concrete wrapped CFRP

從圖5可以看出，添加稀釋劑的試件C40-F1-2和C40-F1-3，在達(dá)到峰值應(yīng)力后下降段較短，之后又呈上升趨勢(shì)。極限應(yīng)力、極限應(yīng)變與未加稀釋劑的試件C40-F1-1相比，都有明顯提高，極限應(yīng)力分別提高了1.11%和3.83%，極限應(yīng)變分別提高了21.71%和3.73%。這是由于加了稀釋劑的環(huán)氧樹脂流動(dòng)性有所增強(qiáng)，對(duì)碳纖維的浸潤(rùn)性也隨之提高，改善了碳纖維界面間的粘結(jié)性能，使碳纖維的整體工作能力得到增強(qiáng)（Park等，2002），碳纖維對(duì)混凝土的約束強(qiáng)于未加稀釋劑的試件，力學(xué)性能隨著約束增強(qiáng)，得到進(jìn)一步提高。

2.2.2 對(duì)監(jiān)測(cè)效果影響

加稀釋劑后，試件與未加稀釋劑試件的碳纖維監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖6所示，圖中D后面的數(shù)字代表電極標(biāo)號(hào)。

圖6 C40-F1-1試件與C40-F1-2試件橫向應(yīng)變與電阻變化率關(guān)系對(duì)比Fig. 6 Comparison of Poisson ratio and electric resistance change ratio between C40-F1-1 and C40-F1-2

從圖6可以看出，加稀釋劑的試件C40-F1-2各測(cè)點(diǎn)的電阻變化率普遍大于未加稀釋劑的試件C40-F1-1。其中，C40-F1-2試件碳纖維的電阻變化最大的位置為D45測(cè)點(diǎn)處，電阻最大變化率為55.14%；而C40-F1-1也為D45測(cè)點(diǎn)處，電阻最大變化率為42.84%，電阻變化率提高了12.3%。而且在同樣為1500μξ時(shí)，加稀釋劑的碳纖維電阻變化率在3%—16%之間，未加的碳纖維電阻變化率在2%—8%之間，說明在加稀釋劑后，很好地改善了碳纖維的感知特性。另外，兩個(gè)試件的D45電極測(cè)得的電阻變化率較大，與實(shí)際試件在這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)所在角部破壞相符，如圖7所示。

圖7 C40-F1-1和C40-F1-2混凝土試件破壞情況Fig. 7 Damage condition of C40-F1-1 and C40-F1-2 specimen

圖8 C40-F1-2試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線與碳纖維電阻變化率的關(guān)系Fig. 8 Relationship between stress-strain curves of C40-F1-2 and electric resistance change ratio of carbon fiber

將試件C40-F1-2碳纖維的電阻變化率與縱向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系畫于同一圖中，如圖8所示。從圖8可以看出，碳纖維電阻的變化具有一定的規(guī)律性，所有測(cè)點(diǎn)在試件的彈性階段，隨縱向應(yīng)變?cè)黾印Ｔ?1500μξ之前，電阻變化較小，基本不變；而過了彈性階段，內(nèi)部混凝土開始產(chǎn)生不可恢復(fù)裂縫時(shí)，碳纖維開始受力，電阻變化率增加，但增加非常緩慢，基本保持水平，說明此時(shí)碳纖維內(nèi)部的斷裂較少或者基本沒有斷裂，電阻的增加只是由于碳纖維被拉長(zhǎng)、橫截面面積減小造成；此過程持續(xù)到混凝土屈服之后，內(nèi)部大范圍被壓碎時(shí)，此時(shí)碳纖維的應(yīng)變?yōu)?800μξ左右，如圖8（b）所示。碳纖維理論上還沒有發(fā)生斷裂（6000μξ之前）（周文松，2005），但之后碳纖維的電阻變化率增加的速度開始加快，應(yīng)該是由于混凝土角部破碎的混凝土將碳纖維割破，導(dǎo)致其電阻變化率開始顯著增加。最后破壞是由于角部碳纖維被拉斷，也就是D45測(cè)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)的區(qū)域，其電阻變化率也一直大于其他測(cè)點(diǎn)，這與實(shí)際情況吻合。經(jīng)過以上對(duì)比，稀釋劑可以顯著提高碳纖維的電阻變化率，而且電阻變化率具有一定規(guī)律性，可以定性的判斷試件的破壞位置以及混凝土內(nèi)部破碎程度。

2.3 電極幅寬對(duì)監(jiān)測(cè)效果影響

對(duì)于兩束的電極前面已經(jīng)介紹過了，下面對(duì)四束和十二束的電極監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示。

對(duì)于十二束的電極，電壓呈跳躍性增長(zhǎng)，如圖9（b）所示。分析原因應(yīng)該是由于電極幅寬較寬，電極標(biāo)距范圍內(nèi)的碳纖維容易粘結(jié)為整體，斷裂時(shí)，相對(duì)于四束的電極，受力較大的地方斷裂范圍較大，受力較小的地方則變化較小，所以電阻呈跳躍性增長(zhǎng)，其電阻變化率也由于其幅寬較寬而大于C40-F1-1試件。C40-F1-3試件的破壞并未在角部，而是在電極D56所在基面上，位于D45監(jiān)測(cè)的區(qū)域內(nèi)，如圖9所示，所以D45、D67測(cè)點(diǎn)電阻的變化率較大，最大電阻變化率為80.12%，較C40-F1-1提高了37.28%，碳纖維電阻的變化率與其應(yīng)變基本呈線性關(guān)系。其他電極由于未在破壞面上，所以電阻基本沒有變化，如圖9（b）所示。

圖9 C40-F1-1試件與C40-F1-2試件碳纖維電阻變化率與橫向應(yīng)變的關(guān)系Fig. 9 Relationship of electric resistance change ratio of carbon and lateral strain between C40-F1-1 and C40-F1-2

經(jīng)過以上對(duì)比發(fā)現(xiàn)，四束電極較十二束電極測(cè)量結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定，最大電阻變化率在加稀釋劑后可達(dá)55.14%，而且隨縱向應(yīng)變?cè)黾?，具有一定的?guī)律性，能夠揭示內(nèi)部混凝土的破碎程度及破壞位置。十二束電極電阻最大變化率較大，為80.12%，但電阻變化呈跳躍性增長(zhǎng)，結(jié)果相對(duì)離散。

2.4 層與層間電極監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

對(duì)于包裹層數(shù)較多的試件，每層都布置了電極，且都采用單獨(dú)的恒流源供電，用以監(jiān)測(cè)每層碳纖維布的受力情況以及各層碳纖維布破壞的先后順序和共同工作程度。

2.4.1 兩層碳纖維布監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

包裹兩層的試件有C60-F2-3和C80-F2-1，以下圖中D后面的數(shù)字表示層數(shù)，之后兩個(gè)數(shù)字表示測(cè)點(diǎn)兩個(gè)電極的標(biāo)號(hào)。

以C60-F2-3為例，相同位置兩層碳纖維布測(cè)點(diǎn)電阻變化的對(duì)比如圖10所示。在試驗(yàn)前期，兩層碳纖維布各測(cè)點(diǎn)的電阻變化率都相差不多，里層比外層稍快一些，試件過了反彎點(diǎn)后，內(nèi)部混凝土大范圍破碎之后，電阻變化率的增加速度發(fā)生明顯變化。其中整圈的電阻變化率，第二層大于第一層，說明第二層碳纖維斷裂較第一層嚴(yán)重。而事實(shí)上，第二層碳纖維布的長(zhǎng)度要長(zhǎng)于第一層，在相同的內(nèi)部混凝土破碎產(chǎn)生的張力作用下，第二層的應(yīng)變大于第一層，所以電阻變化率也就相對(duì)大一些，兩者相符。從兩層的破壞時(shí)間上來看，外層在2774.1s時(shí)破壞，而里層是在 2774.2s時(shí)破壞，幾乎同時(shí)破壞，說明兩層碳纖維布之間具有較好的協(xié)同工作能力。試件的破壞區(qū)域位于5號(hào)、6號(hào)電極所在的面上，在這個(gè)區(qū)域兩個(gè)角部的電極為D1-4-5和D2-12-13、D1-6-7和D2-14-15，而這兩個(gè)角部測(cè)得的電阻變化率，兩層碳纖維都較大，與實(shí)際情況較為符合，如圖10（e）、（f）所示。

圖10 C60-F2-3試件各層電阻變化率對(duì)比Fig. 10 Comparison of electric resistance change ratio in each layer of C60-F2-3

從試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與兩層碳纖維布的電阻變化率關(guān)系來看，第一層與第二層碳纖維布上的電極測(cè)得的電阻變化率與縱向應(yīng)變的關(guān)系曲線，走向和趨勢(shì)大體相同，如圖11所示。在加載初期，試件處于彈性階段，電阻增加緩慢，基本保持不變，之后開始緩慢增長(zhǎng)，第二層的增長(zhǎng)速度快于第一層，過了屈服點(diǎn)，內(nèi)部混凝土進(jìn)一步破碎，碳纖維約束增強(qiáng)，電阻迅速增加。

由于只在試件的最外層碳纖維上貼了應(yīng)變片，所以只得到了最外層碳纖維應(yīng)變與電阻變化率的關(guān)系曲線，如圖 12（a）所示。曲線的走向和趨勢(shì)與前面介紹的包裹一層時(shí)測(cè)得的曲線有一定的區(qū)別，與C80-F2-1試件的外層碳纖維的應(yīng)變與電阻變化率關(guān)系差別較大，后者的電阻變化率與應(yīng)變基本呈線性關(guān)系，如圖12（b）所示。

C80-F2-1試件同樣也是包裹兩層的試件，其兩層的電阻變化率與時(shí)間關(guān)系的規(guī)律與C60-F2-3基本相同，而且無論從整圈的電極監(jiān)測(cè)結(jié)果還是其他電極的監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，第二層的電阻變化率普遍大于同位置的第一層的測(cè)點(diǎn)，最大變化率達(dá)到85.45%，說明第二層受力要大于第一層。而且從最后破壞的時(shí)間上來看，也是第二層先破壞，破壞時(shí)間是第1784.8s，而第一層則是在第1827.7s最終破壞，與前面分析的兩層之間的受力機(jī)理相同。

圖11 C60-F2-3碳纖維電阻變化率與時(shí)間的關(guān)系Fig. 11 Relationship of electric resistance change ratio of carbon fiber and time from C60-F2-3

圖12 包裹兩層試件的碳纖維電阻變化率與橫向應(yīng)變關(guān)系Fig. 12 Relationship of carbon fiber lateral strain and electric resistance change ratio of specimen wrapped two layers

2.4.2 三層碳纖維布監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

對(duì)比 C60-F3-4、C80-F3-2、C100-F3-1三個(gè)試件三層碳纖維布的監(jiān)測(cè)結(jié)果，當(dāng)碳纖維斷裂時(shí)，電極兩端的電壓立即變?yōu)殡娫磧?nèi)部電壓，電壓變化率趨于無窮大，取此刻作為碳纖維斷裂的時(shí)間。三個(gè)試件每層碳纖維布破壞的時(shí)間如表3所示。C60-F3-4試件破壞位置，位于試件的中下部，未出現(xiàn)在中間作為電極的12束碳纖維上破壞，所以無法找出各層碳纖維布的破壞時(shí)間。

表3 包裹三層試件每層碳纖維破壞時(shí)間Table 3 Carbon fiber damage time of each layer of specimen wrapped three layers

從表3可以看出，C80-F3-2試件第三層碳纖維最先破壞，過了一段時(shí)間后，第二層與第一層幾乎同時(shí)破壞，兩層碳纖維布間的共同工作程度較好，隨層數(shù)增加，破壞的時(shí)間越靠前，與前面包裹兩層試件介紹的規(guī)律相同，說明碳纖維布的破壞是由外而內(nèi)的；C100-F3-1三層碳纖維布幾乎同時(shí)破壞，最外層稍快一些，與前一試件規(guī)律相同，三層碳纖維布共同工作能力較好。

2.4.3 四層碳纖維布監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

包裹4層碳纖維布的試件，碳纖維電阻監(jiān)測(cè)結(jié)果隨層數(shù)的增多，結(jié)果更加離散，分析原因可能是由于每層碳纖維布都采用單獨(dú)的恒流源供電，電源之間存在一定的干擾，隨電源的增多，干擾更加強(qiáng)烈，所以結(jié)果較為離散，但試件各層碳纖維布破壞的時(shí)間還是可靠的。

其中 C60-F4-5試件破壞未出現(xiàn)在電極監(jiān)測(cè)區(qū)域，所以沒有得到各層碳纖維布的破壞時(shí)間，其他試件破壞時(shí)間如表4所示。C80-F4-3與前面介紹的各層的破壞規(guī)律相同，各層碳纖維布破壞順序?yàn)橛赏舛鴥?nèi)，其中第三層與第四層碳纖維布幾乎同時(shí)破壞，20s后第二層與第一層碳纖維布相繼破壞，說明越靠近內(nèi)部碳纖維布的共同工作能力越強(qiáng)，各層布的破壞順序是由外而內(nèi)的。

表4 包裹四層試件每層碳纖維破壞時(shí)間Table 4 Carbon fiber damage time of each layer of specimen wrapped four layers

3 結(jié)論

（1）添加稀釋劑后，碳纖維布的浸潤(rùn)效果得到增強(qiáng)，進(jìn)一步提高了高強(qiáng)混凝土的承載力以及延性；可顯著提高碳纖維的電阻變化率，比較未加試件，電阻變化率提高 12.3%，而且電阻變化率具有一定的規(guī)律性。

（2）對(duì)不同幅寬的電極監(jiān)測(cè)效果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)四束幅寬電極監(jiān)測(cè)結(jié)果相對(duì)較好，結(jié)合碳纖維的最大電阻變化率以及監(jiān)測(cè)的規(guī)律性，建議在利用碳纖維布作為監(jiān)測(cè)傳感元件時(shí)，首選四束幅寬碳纖維作為電極。

（3）利用碳纖維的電阻變化率與試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系，可以定性的判斷內(nèi)部混凝土的受力狀態(tài)、破碎程度以及試件的破壞位置。

（4）包裹一層碳纖維布的試件，電極監(jiān)測(cè)結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的規(guī)律性，包裹層數(shù)較多時(shí)，結(jié)果較為離散；通過考察各層布的破壞時(shí)間，得出各層碳纖維布的破壞順序是由外而內(nèi)相繼退出工作的，對(duì)理論推理結(jié)果給予了印證。

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