基于壓電效應(yīng)的纖維高性能混凝土損傷監(jiān)測研究

段燕妮，苗 遠(yuǎn)，張繼承，杜國鋒

(長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，荊州 434023)

0 引 言

玄武巖-聚丙烯纖維增強(qiáng)高性能混凝土(basalt-polypropylene fiber reinforced high performance concrete, BPHPC)是通過在高性能混凝土(high performance concrete, HPC)基質(zhì)中添加一定量的玄武巖纖維(basalt fiber, BF)和聚丙烯纖維(polypropylene fiber, PF)而制成的一種特殊混凝土。BF具有高彈性模量和優(yōu)異的耐腐蝕、耐酸、耐堿、耐高溫和低溫等性能[1-2]。PF可以防止混凝土干燥收縮產(chǎn)生裂縫，提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命[3]。BF和PF兩者混摻可以更好地改善HPC的力學(xué)性能[4-5]。然而，BPHPC在服役過程中會(huì)不可避免地受到荷載破壞，使結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和耐久性降低，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。因此為了預(yù)防事故的發(fā)生，對(duì)BPHPC進(jìn)行損傷監(jiān)測是有必要的。

鋯鈦酸鉛(lead zirconate titanate, PZT)是一種具有強(qiáng)壓電效應(yīng)的壓電陶瓷材料，與鈦酸鋇壓電材料和無鉛壓電材料相比，它具有更高的機(jī)械耦合常數(shù)、壓電常數(shù)和居里溫度[6]。此外，因其具有高靈敏度[7]、快速響應(yīng)[8]、兼具傳感和驅(qū)動(dòng)雙重功能[9]等特點(diǎn)已被應(yīng)用于混凝土早期水化[10]、混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕退化[11]、混凝土組合柱的損傷[12]、木結(jié)構(gòu)損傷[13]、土壤含水率監(jiān)測[14]、地質(zhì)聚合物砂漿早期強(qiáng)度監(jiān)測[15]等方面研究。然而，目前采用壓電陶瓷對(duì)BPHPC進(jìn)行損傷監(jiān)測的研究較少。本文通過壓電陶瓷傳感技術(shù)對(duì)BPHPC的抗壓過程進(jìn)行了實(shí)時(shí)損傷監(jiān)測，通過小波包分析計(jì)算出BPHPC損傷前后的應(yīng)力波能量，進(jìn)而獲得損傷指數(shù)(damage index, DI)，揭示BPHPC的損傷規(guī)律。此外，還分析了纖維摻量對(duì)BPHPC損傷的影響，得到最佳纖維摻量，并建立不同纖維摻量、荷載下DI變化的三維曲面函數(shù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

本文所采用的損傷監(jiān)測方法是通過壓電陶瓷傳感器實(shí)現(xiàn)的。壓電陶瓷傳感器具有正逆壓電效應(yīng)，僅在外力作用下壓電內(nèi)部便會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，且在電場作用下還會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變。壓電陶瓷由秦皇島市恒科科技有限公司定制，PZT片的主要參數(shù)見表1，外觀構(gòu)造見圖1。將其中一塊壓電陶瓷傳感器作為激勵(lì)器記作PZT1，另一塊作為接收器記作PZT2。工作時(shí)，PZT1在外界激勵(lì)下產(chǎn)生的定向應(yīng)力波會(huì)被PZT2接收。當(dāng)試件內(nèi)部發(fā)生損傷時(shí)，應(yīng)力波傳遞到損傷區(qū)的能量會(huì)被發(fā)散，因此由應(yīng)力波轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)會(huì)減弱。此時(shí)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(NI USB-6361)可以清楚看到電信號(hào)的幅值，將不同損傷狀態(tài)下的信號(hào)幅值與無損試件的信號(hào)幅值進(jìn)行對(duì)比，可以判斷混凝土內(nèi)部是否發(fā)生了損傷。激勵(lì)信號(hào)的具體參數(shù)見表2。

表2 激勵(lì)信號(hào)參數(shù)Table 2 Parameters of excitation signal

1.2 小波包分析法

采用小波包分析法對(duì)原始監(jiān)測信號(hào)S的第k個(gè)信號(hào)進(jìn)行n層分解后，最終得到2n個(gè)子信號(hào)，Sk,l為其中一個(gè)子信號(hào)，l為頻帶指數(shù)(l=1,…,2n)。

信號(hào)Sk如式(1)所示。

Sk=Sk,1+Sk,2+…+Sk,l+…+Sk,2n

(1)

由式(1)可以得到第n層的能量向量Ek(見式(2))。

Ek=ek,1,ek,2,…,ek,l,…,ek,2n

(2)

故信號(hào)Sk的總能量E(k)如式(3)所示。

(3)

損傷指數(shù)DI如式(4)所示。

(4)

式中：Et,l表示t時(shí)刻下l波段指數(shù)處的信號(hào)能量；Eh,l表示試件在無損狀態(tài)下的信號(hào)能量。DI=0時(shí)，試件沒有損傷；DI越大，試件的損傷程度越嚴(yán)重。

1.3 試驗(yàn)方法與試件設(shè)計(jì)

為了制備HPC試件，采用荊州水泥廠生產(chǎn)的P·O 52.5普通硅酸鹽水泥。硅灰、粉煤灰和減水劑均來自河南鞏義清陽水處理材料有限公司，硅灰的7 d活性指數(shù)為105%，粉煤灰為F類Ⅰ級(jí)，減水劑采用減水率為20%～30%的聚羧酸系高效減水劑。細(xì)骨料的細(xì)度模量為2.6，粗骨料粒徑為5～10 mm。BF直徑為15 μm，彈性模量為93.1～110 GPa。PF直徑為48 μm，彈性模量為3.6 GPa。

為了更好地觀察到纖維對(duì)HPC的影響，本文制備的所有HPC的質(zhì)量配合比相同，m(水泥) ∶m(硅粉) ∶m(粉煤灰) ∶m(細(xì)骨料) ∶m(粗骨料) ∶m(高效減水劑) ∶m(水)=1 ∶0.2 ∶0.13 ∶1.13 ∶2.64 ∶0.03 ∶0.3。非金屬纖維摻量過大時(shí)，容易產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，使弱界面效應(yīng)更明顯，從而降低HPC的力學(xué)性能。因此，每種混凝土所含纖維的總體積分?jǐn)?shù)均不超過0.4%。試件的編號(hào)根據(jù)纖維的類型和摻量確定，見表3。

表3 試件纖維摻量Table 3 Fiber content of specimens

制備48個(gè)尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，每3個(gè)為一組進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，取平均值，B0P0試件為對(duì)照組。將一對(duì)壓電陶瓷傳感器分別粘貼在試件的兩個(gè)對(duì)立的側(cè)面，并且在混凝土與壓電陶瓷黏結(jié)界面涂覆硅脂，這不僅可以起到黏結(jié)作用還可以填充界面縫隙，使電壓加載更穩(wěn)定。損傷監(jiān)測系統(tǒng)及壓電陶瓷傳感器的位置如圖1和圖2所示。

圖1 損傷監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 Damage monitoring system

圖2 壓電陶瓷傳感器的位置Fig.2 Position of piezoelectric ceramic sensor

所有試件在2 000 kN的壓力試驗(yàn)機(jī)下進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。加載前，施加20 kN預(yù)壓力，以保證試件與壓力機(jī)接觸良好。正式加載后，以1 kN/s的速率加載，直到試件破壞。損傷監(jiān)測系統(tǒng)每隔15 s自動(dòng)采集一次數(shù)據(jù)，試件破壞后停止采集。

2 結(jié)果與討論

2.1 破壞模式分析

試件的破壞形態(tài)如圖3所示。由于試件數(shù)量較多且纖維摻量變化不大，因此本節(jié)及以后章節(jié)將挑選出最具代表性的試件進(jìn)行分析。試件包括：(1)對(duì)照組試件B0P0；(2)單摻纖維試件B0.1、P0.1；(3)混摻纖維試件B0.1P0.1、B0.15P0.1、B0.2P0.2。

圖3 試件損傷圖Fig.3 Specimen damage diagrams

加載初期，B0P0、B0.1、P0.1試件表面無明顯變化，臨近峰值荷載后，試件裂縫突然增多。達(dá)到峰值荷載時(shí)，B0P0試件突然壓碎，整體性較差，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征；B0.1試件的兩個(gè)對(duì)角邊出現(xiàn)貫穿裂縫；P0.1試件兩側(cè)出現(xiàn)貫穿裂縫，脆性破壞特征相比對(duì)照組程度較輕。此外，從圖中還可以看到BF增強(qiáng)的混凝土試件要比PF增強(qiáng)的試件剝落得更加嚴(yán)重。這是由于PF的彈性模量比BF低，有利于延緩硬化和早期微裂縫的形成。

隨著纖維摻量的增加，B0.1P0.1、B0.15P0.1試件相比對(duì)照組和單摻纖維組試件，其表面裂縫出現(xiàn)較早，但是表面裂縫的發(fā)展速度減緩、數(shù)量減少，其中B0.15P0.1試件被破壞時(shí)的整體性最好，B0.1P0.1試件次之。B0.2P0.2試件表面裂縫出現(xiàn)最早，且以微裂縫居多，無貫穿裂縫，試件表皮有輕微剝落，被破壞時(shí)的整體性較好?；炷猎谑艿酵饬ψ饔脮r(shí)，纖維和基體之間存在界面應(yīng)變差，從而產(chǎn)生黏結(jié)應(yīng)力，加載初期黏結(jié)應(yīng)力主要由水泥膠凝體和纖維表面的化學(xué)膠著力提供。隨著荷載的增加，纖維和基體界面逐漸發(fā)生滑移，由于混凝土被逐漸壓縮，纖維在混凝土內(nèi)部受到的摩擦力和機(jī)械咬合力也越來越大，直到纖維被拔出或拉斷，此時(shí)黏結(jié)應(yīng)力減小，混凝土失效。在這個(gè)過程中，混凝土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很多細(xì)小的裂縫，而纖維與混凝土之間良好的黏結(jié)性使得這些裂縫在出現(xiàn)后不會(huì)立刻擴(kuò)張。然而，當(dāng)纖維摻量過多時(shí)，纖維間距過小，混凝土內(nèi)部缺陷增多。根據(jù)纖維間距理論，此時(shí)纖維的增韌、阻裂作用會(huì)受到影響。

2.2 壓電信號(hào)分析

試件的壓電信號(hào)結(jié)果如圖4所示，分別記錄了荷載達(dá)到20 kN、150 kN、300 kN、500 kN、700 kN左右時(shí)的信號(hào)幅值。從圖4可以觀測到，在荷載作用下隨著時(shí)間推移試件的信號(hào)幅值逐漸減弱，且含纖維試件(見圖4(b)～(f))的信號(hào)幅值變化相比無纖維試件(見圖4(a))衰減趨勢減緩，這是由于當(dāng)混凝土在受到荷載作用時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一些細(xì)小的裂紋，而纖維會(huì)起到阻裂作用，使得應(yīng)力波在傳遞時(shí)能量損失減少。然而纖維過多時(shí)，不易在混凝土中均勻分散，特別是PF直徑較大，彈性模量較低，當(dāng)摻量稍有增加，就會(huì)在混凝土中“結(jié)團(tuán)”，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部缺陷增加，信號(hào)幅值減弱(見圖4(f))。因此，應(yīng)控制好纖維摻量，在提高混凝土韌性的同時(shí)，防止PF對(duì)強(qiáng)度造成影響。而BF直徑較小，彈性模量較高，易于在混凝土中分散，且不易“結(jié)團(tuán)”，這將大大提高混凝土的致密性，因此BF和PF以合適的比例摻入到混凝土中會(huì)起到事半功倍的效果(見圖4(e))。

圖4 不同荷載下的時(shí)域信號(hào)圖Fig.4 Time domain signal diagrams under different loads

2.3 損傷指數(shù)規(guī)律分析

圖5顯示了不同纖維摻量下HPC試件的荷載-DI曲線。從圖中可以看出，隨著荷載的增加，所有試件的DI逐漸升高，在DI超過0.8時(shí)，可以認(rèn)為試件已被完全破壞。在相同荷載等級(jí)下，對(duì)照組試件DI最高，這意味著對(duì)照組試件損傷最快。B0.15P0.1試件受到纖維阻裂作用，DI最小，損傷最慢。此外，在荷載達(dá)到300 kN之前，摻有纖維的試件的損傷發(fā)展速度比同荷載下的無纖維試件慢，這是由于纖維在混凝土內(nèi)部抑制了裂縫的發(fā)展。荷載達(dá)到300～500 kN時(shí)，纖維混凝土試件的DI和對(duì)照組試件的DI差距最大。當(dāng)荷載超過500 kN后，纖維混凝土試件的DI上升變快，這是由于纖維與混凝土黏結(jié)界面發(fā)生相對(duì)滑移和纖維斷裂現(xiàn)象，使得纖維的阻裂作用逐漸減弱，混凝土內(nèi)部的裂縫擴(kuò)展速度加快。

圖5 荷載-DI曲線Fig.5 Load-DI curves

2.4 纖維摻量-荷載-DI擬合函數(shù)

對(duì)16組混凝土的纖維摻量、荷載和DI進(jìn)行擬合，各組試件的DI值均隨荷載的增加呈上升趨勢。以纖維摻量和荷載為自變量(x,y)，DI值為因變量(z)的三維擬合曲面函數(shù)見表4，擬合曲面圖見圖6。相關(guān)系數(shù)R2與1接近，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)量FP小于0.01，說明擬合程度良好且非常顯著。

表4 纖維摻量-荷載-DI擬合曲面方程Table 4 Fitting surface equation of fiber content-load-DI

圖6 纖維摻量-荷載-DI擬合曲面圖Fig.6 Fitting surface diagrams of fiber content-load-DI

3 結(jié) 論

(1)壓電陶瓷傳感器可以對(duì)BPHPC的損傷進(jìn)行監(jiān)測。通過對(duì)應(yīng)力波轉(zhuǎn)化的電信號(hào)進(jìn)行分析，得到的荷載-損傷指數(shù)曲線能很好地反映試件損傷的發(fā)展趨勢。

(2)隨著纖維摻量的增加，混凝土的外觀損傷程度會(huì)減小，當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.15%、聚丙烯纖維摻量為0.10%時(shí)，外觀損傷程度最小。纖維摻量過多時(shí)，表面微裂縫增多，損傷程度增加，但試件完整性較好。此外，隨著荷載的增加，試件的壓電應(yīng)力波信號(hào)不斷衰減，其中B0.15P0.1的衰減速度最慢。通過對(duì)試件的破壞模式以及時(shí)域信號(hào)圖進(jìn)行分析，定性描述了試件損傷破壞的過程。

(3)隨著荷載的增加，HPC內(nèi)部產(chǎn)生的裂縫越多，壓電陶瓷傳感器接收到的信號(hào)就越弱。相同荷載等級(jí)下，B0.15P0.1試件的DI最小，B0P0試件的DI最大。這表明在混凝土中添加0.15%的玄武巖纖維和0.10%的聚丙烯纖維可以有效延緩裂縫的發(fā)展。通過計(jì)算損傷指數(shù)，得出荷載與損傷指數(shù)的關(guān)系，從而定量描述試件損傷破壞過程。

(4)對(duì)試件的損傷破壞模式與時(shí)域信號(hào)圖、荷載-損傷曲線進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了利用壓電陶瓷對(duì)BPHPC進(jìn)行實(shí)時(shí)損傷監(jiān)測是一種可行性較高的方法。