納米材料的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)界面損傷監(jiān)測試驗研究*

張 明，孔艷冬，劉 揚，殷新鋒，魯乃唯，黃 胄

(1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114;2.紹興市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，浙江 紹興 312000)

0 引 言

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于土木工程[1]。與整體式現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比，裝配式結(jié)構(gòu)具有運輸方便，施工周期短，環(huán)境影響小，質(zhì)量保證容易，自復(fù)位能力強等優(yōu)點而引起了人們的廣泛關(guān)注。然而，裝配式結(jié)構(gòu)的綜合性能與界面材料的質(zhì)量息息相關(guān)。由于界面處的混凝土中有一層水泥砂漿基質(zhì)，因此不如整體澆筑的混凝土密實，并且容易成為外部有害物質(zhì)進入混凝土的通道。這成為裝配式結(jié)構(gòu)抵抗不利環(huán)境影響的最薄弱環(huán)節(jié)。同時，由行駛中的車輛引起的動態(tài)載荷、腐蝕、極端事件期間的沖擊載荷等導(dǎo)致界面處的脫粘裂紋，嚴重削弱結(jié)構(gòu)的完整性和承載能力。另一方面，納米材料可以通過混凝土材料的物理效應(yīng)顯著提高結(jié)構(gòu)的性能，使得結(jié)構(gòu)的界面損傷檢測成為非常復(fù)雜的問題。智能材料的出現(xiàn)，如壓電陶瓷材料，特別是鋯鈦酸鉛(Pb-based lanthanum-doped zirconate titanates,PZT)，通過完全集成的智能骨料(SAs)主動傳感技術(shù)為解決這一問題提供一種經(jīng)濟實用的健康監(jiān)測方法[2～4]。

本文提出了一種基于應(yīng)力波傳播的嵌入式SAs主動傳感方法來監(jiān)測裝配式混凝土梁的界面脫粘性能。分別在未含納米材料裝配式混凝土梁、含2 %濃度的納米CaCO3裝配式混凝土梁、含2 %濃度的納米TiO2裝配式混凝土梁進行了試驗。埋入裝配式混凝土梁中三個不同橫截面的空間位置中的SAs傳感器分別用作驅(qū)動器和傳感器。在整個加載過程中，對脫粘引起的裂紋進行監(jiān)測。裂紋對傳播的應(yīng)力波能量具有衰減作用，而應(yīng)力波能量可以通過接收信號在時域和小波包能量中反映出來?；谛〔ò鼡p傷指標量化了信號能量的變化。實驗研究驗證了基于主動傳感的SAs傳感器監(jiān)測含納米材料的裝配式混凝土梁界面脫粘裂紋的可行性。

1 檢測原理

基于SAs的主動傳感方法需要至少一對壓電驅(qū)動器和傳感器，放置在混凝土的表面或內(nèi)部，然后與混凝土一起形成壓電智能結(jié)構(gòu)[5]。在混凝土中嵌入了3只SAs，其中2只SA1作為驅(qū)動器產(chǎn)生應(yīng)力波，該應(yīng)力波從一個混凝土構(gòu)件內(nèi)部通過界面?zhèn)鞑サ搅硪换炷翗?gòu)件，并被SA2傳感器接收并檢測波響應(yīng)。為了識別混凝土梁界面損傷狀態(tài)，進行了周期性加載試驗。混凝土梁界面脫粘損傷監(jiān)測的主動傳感方法檢測原理如圖1所示。加載前，混凝土梁處于健康狀態(tài)時，傳感器可以接收到較強的應(yīng)力信號作為基本信號。隨著載荷的增加，混凝土梁開始出現(xiàn)裂縫。應(yīng)力波在混凝土傳播過程中得到反射，SAs接收到的應(yīng)力波信被衰減。隨著荷載的繼續(xù)增大，接收到的信號將隨著裂紋的數(shù)量和嚴重程度的增加而連續(xù)減小。

圖1 主動傳感方法脫粘損傷原理

2 試驗方法

2.1 納米材料

為了提升混凝土的性能，選用具有增韌補強的納米材料。納米CaCO3擁有提高材料的彎曲強度和彎曲彈性模量。納米TiO2可以使材料有較高的硬度、密度、以及抗老化作用。購買商品級納米TiO2和CaCO3，其尺寸范圍為50～100 nm。含有高濃度的納米TiO2和CaCO3的混凝土，納米顆粒具有聚集的傾向，因此會出現(xiàn)更高的粒徑[6,7]。由于團聚的傾向，降低了納米顆粒在混凝土中作為有效填料的能力。所以選擇納米材料的濃度不宜采取過高。本試驗采用2 %濃度的納米TiO2和CaCO3，表現(xiàn)出成核和填充效應(yīng)，并且導(dǎo)致更少的多孔和更均勻的結(jié)構(gòu)。

2.2 智能骨料

SAs是通過使用環(huán)氧樹脂將帶有導(dǎo)線的PZT嵌入到兩塊大理石之間而形成的[8]。為了進行連接，將引線的一端焊接到PZT貼片的陽極和陰極，另一端連接到BNC連接器。SAs作為一種低成本的多功能裝置，可用于混凝土結(jié)構(gòu)的綜合監(jiān)測，如混凝土裂縫檢測、混凝土水化特性監(jiān)測和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)脫粘檢測等[9,11]。制成的壓電傳感器如圖2所示。SAs的直徑為25 mm，高度為20 mm。PZT的尺寸為15 mm×10 mm×0.3 mm。

圖2 SAs和PZT

2.3 試樣制作

為了監(jiān)測混凝土梁的開裂特性，設(shè)計制作了三種不同類型的混凝土梁試件?；炷亮涸嚰?個單齒混凝土塊組成，用高強度環(huán)氧樹脂膠粘劑粘結(jié)拼裝形成。梁1為未添加任何納米材料的普通混凝土試件；梁2在混凝土中混入2 %濃度的納米TiO2；梁3在混凝土中混入2 %濃度的納米CaCO3。表1給出了混凝土梁試件澆筑的詳細配合比。

表1 混凝土試件的配合比 (kg/m3)

試件的的尺寸和鋼筋是相同的。梁的尺寸為600 mm×300 mm×100 mm。

圖3顯示了試件的三維模型。

圖3 混凝土梁3D模型

試件的詳細尺寸如圖4所示。

圖4 混凝土梁平面示意(單位: cm)

試驗梁中主筋為φ14鋼筋，屈服強度為378 MPa，極限強度為556 MPa，彈性模量為200 GPa，伸長率為54 %; 箍筋為φ8鋼筋，屈服強度為325 MPa，極限強度為490 MPa，彈性模量為200 GPa，伸長率為23 %。鋼筋的保護層厚度為30 mm。試驗中采用鋼絲將智能骨料固定在鋼筋上。其中SA1和SA2分別位于混凝土塊的中間。

2.4 試驗裝置

本文使用的損傷監(jiān)測系統(tǒng)的實驗裝置主要包括帶有環(huán)氧樹脂膠界面的裝配式混凝土梁、SAs、反力架、負荷傳感器、螺旋千斤頂、鋼墊塊、載荷分配梁、混凝土支撐墩、固定支座、滑動支座、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(NI—USB 6366)、帶有支持軟件的筆記本電腦，如圖5所示。

圖5 試件加載系統(tǒng)

帶有SAs的混凝土梁通過固定支座和滑動支座安裝在混凝土支撐墩上。螺旋千斤頂產(chǎn)生的荷載通過鋼墊塊和帶有固定支座和滑動支座的載荷分配梁傳遞到混凝土梁試樣。加載值由負荷傳感器測量。NI—USB 6366集成了信號發(fā)生器和接收器，可以使驅(qū)動器SAs產(chǎn)生正弦波信號，傳感器SAs收集響應(yīng)信號。使用NI LabVIEW[12,13]軟件編寫支持數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)NI—USB 6366的程序，以確定輸入信號參數(shù)。掃頻正弦波信號頻率為100 Hz～150 kHz，幅值為10 V，周期為1 s，采樣頻率為1 MHz。

2.5 試驗過程

本試驗采取單調(diào)加載靜力方法進行。采用兩點方式進行加載，集中荷載通過分配梁轉(zhuǎn)化為二個大小相等的力。采用螺旋千斤頂加載試件，在試驗過程中用負荷傳感器控制荷載，然后轉(zhuǎn)換成加載力，對混凝土梁進行損傷試驗。環(huán)氧樹脂膠界面厚度為2 mm。橫向加載力由N1和N2調(diào)節(jié)。在試驗中，SA1—1和SA1—2分別安裝在梁的左右兩側(cè)。這類骨料可被視為監(jiān)測信號發(fā)射器。而安裝在梁中間位置的S2扮演接收器的功能。

第一步，對于每一個供給點j，給定空間距離閾值d0，形成一個空間作用域，計算在該作用域內(nèi)每個需求點k的人數(shù)，利用高斯方程賦予權(quán)重并將這些加權(quán)后的人口進行加和，可得到供給點j的潛在需求者數(shù).再利用供給點j的面積或規(guī)模除以其潛在需求者總數(shù)，計算出供需比率Rj：

在正式加載試驗之前，為了消除試件的初始缺陷并確保各部件處于良好狀態(tài)并且加載設(shè)備和試驗儀器能夠正常工作，進行預(yù)加載試驗。靜載荷試驗從零開始，直至試件失效為止。測試中每個負載水平的增量為10 kN。試驗加載開始前，即荷載等級為0 kN 時，利用掃頻信號分別對SAs進行激勵并采集健康狀態(tài)下的數(shù)據(jù)。在加載過程中，每加載到一個荷載等級，則采集一次數(shù)據(jù)，同一位置進行多次測量。每個加載階段結(jié)束后，試件都有足夠的變形時間，變形穩(wěn)定后測量數(shù)據(jù)。最后，收集信號輸入到電腦終端，利用反饋的監(jiān)測信號，進行后期試驗數(shù)據(jù)的處理分析，得出試驗結(jié)果。

3 試驗結(jié)果

3.1 試件的加載特性

從表2中可以看出，梁2和梁3的開裂荷載和極限荷載明顯高于梁1的開裂荷載和極限荷載。梁3的開裂荷載和極限荷載高于梁2的開裂荷載和極限荷載。與梁1相比，梁2的開裂荷載和極限荷載分別增加了50 %和16.7 %。與梁1相比，梁3的開裂荷載和極限荷載分別增加了100 %和33.3 %。分析表明，通過在混凝土中添加納米材料可以改善試件的荷載特性。納米CaCO3比納米TiO2更好地改善了試件的加載特性。

表2 試驗梁特征荷載

3.2 時域分析

為了減小本文的篇幅，時域信號分析只給出SA1—1傳感器三種典型工作狀態(tài)下的信號。在試驗過程中，試件的三種典型工作狀態(tài):1)試樣未加載時處于完全健康狀態(tài)；2)將試樣加載到開始出現(xiàn)裂縫的狀態(tài)。3)加載試樣直到裂縫發(fā)展到破壞狀態(tài)。圖6反映了掃描后的正弦波信號對一個周期的傳感器信號的響應(yīng)。結(jié)果表明，傳感器信號的幅值隨荷載的增加而減小。原因是隨著荷載的增加，在試件的界面處會發(fā)生脫粘裂縫。脫粘裂縫引起應(yīng)力波信號的反射和衰減。通過時域分析可以確定試件的初始脫粘和破壞狀態(tài)。

圖6 梁1，梁2，梁3中SA1—1傳感器的時域信號

從圖6可以看出，梁2和梁3的幅值明顯大于梁1的幅值。梁3的幅值高于梁2的幅值。結(jié)果表明，與未含有納米材料梁的強度相比，含有納米材料梁的強度有很大的提高。含有納米CaCO3梁的強度高于含有納米TiO2梁。

上述分析表明，納米材料的成核和填充作用降低了混凝土內(nèi)部的孔隙率，提高了結(jié)構(gòu)強度，從而增強了應(yīng)力波的傳播，使信號幅值增大。在相同濃度下，納米CaCO3的成核和填充效果優(yōu)于納米TiO2。

3.3 小波包能量分析

為了量化在加載過程中檢測到的信號能量，使用小波包能量分析方法來計算信號能量。從圖7(a)中發(fā)現(xiàn)，梁2和梁3中小波包能量比梁1有較大的提高。加載前，梁2和梁3的小波包能量比梁1提升了90.75 %和229.05 %。證明了含有納米材料梁的強度高于未含有納米材料梁。含有納米CaCO3梁的強度高于含有納米TiO2梁。梁1和梁2以及梁3的界面初始脫粘裂縫分別發(fā)生在20,30,40 kN階段，導(dǎo)致傳感器接收到的能量大大降低。在發(fā)生初始脫粘裂縫階段，梁2和梁3的小波包能量梯度比梁1有較大的提升。梁2和梁3的小波包能量梯度比梁1提升了50.20 %和131.74 %。證明了含有納米材料梁的界面粘結(jié)強度高于未含有納米材料梁。含有納米CaCO3梁的界面粘結(jié)強度高于含有納米TiO2梁。同理，小波包能量圖的下降趨勢也能反映出含有納米材料梁有較好的延性破壞。上述分析表明，小波包能量具有檢測混凝土梁強度和初始脫粘裂縫萌生的能力。脫粘裂縫發(fā)生后，能量的衰減值會持續(xù)監(jiān)控脫粘裂縫的發(fā)展。

圖7 梁中SA1—1傳感器的能量與損傷指標

3.4 小波包損傷指數(shù)

4 結(jié) 論

本文采用SAs傳感器誘導(dǎo)應(yīng)力波的主動傳感方法對裝配式混凝土梁的界面脫粘性能進行試驗研究。試驗表明，由于納米材料的成核和填充作用，使含有納米混凝土成為波傳播的良好通道。因此嵌入的SAs誘發(fā)的應(yīng)力波對界面的脫粘條件敏感。

根據(jù)試驗結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1)含納米材料混凝土梁的界面粘結(jié)性能顯著增強，并且優(yōu)于不含納米材料混凝土梁。相同濃度下，含納米CaCO3梁的界面粘結(jié)性能強于含納米TiO2梁。

2)試驗結(jié)果表明，SAs傳感器接收到信號的時域幅值和小波包能量隨著脫粘裂紋損傷的發(fā)生而減小。隨著荷載的增加，脫粘裂縫誘發(fā)損傷逐漸增大。未含納米材料梁的信號幅值(小波包能量)比含納米材料梁的信號幅值(小波包能量)減小的快。相同濃度下，含納米TiO2梁的信號幅值(小波包能量)比含納米CaCO3梁減小的快。

3)分析表明，納米材料的成核和填充作用降低了混凝土內(nèi)部的孔隙率，有效改善了荷載特性，從而增強了應(yīng)力波的傳播，并降低了傳播過程中的能耗。在相同濃度下，納米CaCO3的成核和填充效果要優(yōu)于納米TiO2。

4)小波包理論已成功地應(yīng)用于裝配式混凝土梁界面脫粘過程的實時監(jiān)測?；谛〔ò哪芰糠治龊蛽p傷指數(shù)有效地解釋了裝配式混凝土梁界面脫粘過程。