炭黑與鋼纖維對混凝土裂縫自監(jiān)測性能的影響

丁一寧，晏楚，柳根金，謝昊威，宋世德

（1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；3.浙大寧波理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，浙江 寧波 315100）

自監(jiān)測智能混凝土發(fā)展于20 世紀(jì)90 年代［1］，在傳統(tǒng)的水泥基中加入導(dǎo)電材料可以明顯提高水泥基的電導(dǎo)率，并且使其具有壓敏特性［2-4］。在受拉荷載的作用下，水泥基復(fù)合材料的電阻變化率（fraction‐alchangeinresistance,FCR）將隨著荷載的增加而增加［5-7］，在受壓荷載的作用下其FCR在彈性階段將隨著荷載的增加而減?。?-11］?；鞊骄垡蚁├w維以及鋼纖維后，多壁碳納米管水泥基試件循環(huán)加壓過程中，試件在80%抗壓強度下仍保持良好的自感知性能［12］。近年來智能混凝土裂縫自監(jiān)測技術(shù)的提出得到了廣泛的應(yīng)用［10,13-14］，導(dǎo)電纖維的加入不僅起到了限制基體開裂后變形能力的作用，在基體內(nèi)形成了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)［15］，并且還具有成本低以及服役時間長等優(yōu)點［16］。當(dāng)加入炭黑于鋼纖維混凝土試件后，試件在抗彎試驗過程中的信噪比得到較大提高，并且混凝土裂縫自監(jiān)測性能隨著智能層混凝土厚度以及鋼纖維摻量的增加而有所折減［17-18］。摻入短切碳纖維占水泥質(zhì)量1.5%時，混凝土立方體試件表現(xiàn)出最佳的受壓裂縫自監(jiān)測性能［19］。Myungjun 等［20］將碳納米管導(dǎo)電相加入高強混凝土中，并發(fā)現(xiàn)試件在受壓以及受彎的過程中表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能和裂縫感知能力。以上研究為智能自感知混凝土裂縫監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展提供了重要的思路借鑒。

混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件在正常使用階段均是帶裂縫工作的，結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)與擴展不僅導(dǎo)致了鋼筋的加速銹蝕繼而影響結(jié)構(gòu)的耐久性，而且在嚴(yán)重情況下還會危及結(jié)構(gòu)的安全性。因此，對混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行裂縫的監(jiān)測有重要的意義。目前智能混凝土自監(jiān)測技術(shù)主要針對基體可近似視為勻質(zhì)、各向同性的砂漿、凈漿試件以及傳感器［6,7,10,21］：相關(guān)研究以彈性階段的受壓應(yīng)變感知為主，橋梁、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施中混凝土基體中由于大量粗骨料的存在，其基體的勻質(zhì)性和各項同性較弱，相應(yīng)的研究也很少，且混凝土的受壓性能較強，受拉性能較弱，當(dāng)拉應(yīng)變僅為10-4時，即可能出現(xiàn)裂縫，并且引起耐久性問題，主要也是受拉或受彎裂縫。傳感器的相關(guān)研究也存在著無法實時監(jiān)測裂縫擴展、在裂縫出現(xiàn)后其無法與混凝土保持變形協(xié)調(diào)相容以及成本高等問題。應(yīng)用于水泥基試件的導(dǎo)電材料通常是價格昂貴的碳納米管［5,20,22］以及對工作度有顯著影響的碳纖維［10,19,23］，若能夠綜合利用價格合理的鋼纖維［12-13］（提高試件開裂后的力學(xué)性能以及導(dǎo)電性能）以及炭黑［2］（提高試件在裂縫自監(jiān)測過程中的信噪比）導(dǎo)電相的優(yōu)點，則可以對混凝土構(gòu)件進行實時智能化監(jiān)測，在其裂縫擴展到超過規(guī)范限值之前對結(jié)構(gòu)進行預(yù)警，不僅能提高結(jié)構(gòu)整體的安全性，并且能大量節(jié)省后期整體維護的成本。

基于上述問題，本文研究了復(fù)摻鋼纖維-炭黑智能混凝土梁的抗彎性能和裂縫自監(jiān)測性能。采用四電極法研究了在混凝土試件梁四點彎試驗下，試件開裂后的力學(xué)性能與不同鋼纖維摻量的關(guān)系；并且通過load-time-FCR 曲線的分析試件具體開裂時刻；定量分析了電阻變化率(fractionalchangeinresis‐tance,FCR）與裂縫擴展位移(crackopeningdisplace‐ment,COD）、靈敏度系數(shù)G與COD曲線在不同鋼纖維摻量下的關(guān)系，使用COMSOL Multiphysics 軟件對試件裂縫自監(jiān)測性能進行分析。

1 試驗材料及方法

1.1 材料與配合比設(shè)計

混凝土基準(zhǔn)配合比如表1 所示，其中水泥采用P.O 42.5R 普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為二級粉煤灰；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.51，粒徑范圍為0～5 mm的石英砂；粗骨料為粒徑范圍5～10 mm 的連續(xù)級配碎石；采用Sika高性能聚羧酸減水劑。

表1 混凝土基準(zhǔn)配合比Table 1 Mix proportions of concrete kg/m3

為了提高混凝土的韌性以及開裂后的裂縫自監(jiān)測性能的信噪比，本試驗采用的導(dǎo)電相為：端部彎鉤型鋼纖維（圖1（a））、炭黑（圖1（b））。

圖1 導(dǎo)電材料Fig.1 Conductivity materials

導(dǎo)電相性能參數(shù)見表2。綜合考慮導(dǎo)電相對混凝土工作度、力學(xué)性能以及導(dǎo)電性能的影響確定導(dǎo)電相摻量［17］。

表2 導(dǎo)電材料的主要參數(shù)Table 2 Main parameters of conductive phases

試件導(dǎo)電相摻量如表3 所示，所有試件炭黑摻量固定為1.5 kg/m3，試件編號中CB 表示單摻炭黑試件，CBSF 表示復(fù)摻炭黑與鋼纖維試件，其后數(shù)字表示對應(yīng)試件的鋼纖維摻量kg/m3。

表3 試件鋼纖維及炭黑摻量Table 3 Dosages of steel fiber and carbon black in speci‐men kg/m3

1.2 試件加載裝置及測試方法

參考ASTMC1609［24］進行四點彎曲試驗，圖2(a)為測量抗彎性能裝置示意圖，采用300T液壓伺服試驗機對試件進行四點彎曲加載，加載方式采用閉環(huán)位移控制，速率恒定為0.20 mm/min。試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，跨度為300 mm，其中銅網(wǎng)電極的長度為120 mm，寬度為15 mm，在澆筑階段將銅網(wǎng)嵌入式電極埋入混凝土試件底部，混凝土試件拆模后，放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d，成型后進行裂縫自監(jiān)測試驗?？缰袚隙扔闪嚎缰袃蓚?cè)布置的線性可變差動變壓器(linear variable differential transformer，LVDT)進行采集，并取平均值作為撓度；在梁底布置一個夾持引申儀測量純彎段范圍的裂縫開口位移（crakc opening displacement,COD）。圖2(b)為試件實時裂縫自監(jiān)測電路示意圖，采用四電極法，外電極接入電壓為12 V 的直流穩(wěn)壓電源以及定值電阻，內(nèi)電極用于測量試件在純彎段的電勢差。通過測量試件以及定值電阻Rc（阻值為5 kΩ）在初始時刻以及t時刻的電勢差可計算在抗彎試驗中試件的電阻變化率：

圖2 試驗裝置Fig.2 Experimental setup

式中：R0為初始時刻試件電阻；Rt為t時刻測得的試件電阻。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 鋼纖維對試件力學(xué)性能的影響

表4為不同試件的抗壓強度試驗結(jié)果，由表4可知炭黑以及不同摻量的鋼纖維加入對混凝土的抗壓強度沒有明顯影響。

表4 抗壓強度試驗結(jié)果Table 4 Results of compressive strength test

圖3 為不同試件的荷載-撓度（load-deflection）曲線。由圖3 可知，CB 呈現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征：在達到初峰荷載后，試件開裂，裂縫迅速貫通截面。所有摻入鋼纖維的試件在達到初峰荷載后仍能維持一定的承載能力，其中CBSF20、CBSF40、CBSF60 均發(fā)生撓度軟化現(xiàn)象，CBSF80 發(fā)生撓度硬化現(xiàn)象。

圖3 智能混凝土梁荷載-撓度曲線Fig.3 Load-deflection curves of the smart concrete beams

表5 混凝土試件抗彎性能指標(biāo)Table 5 Flexure performance of the specimens

2.2 混凝土試件初次開裂的實時自監(jiān)測

炭黑在混凝土基體中能發(fā)揮短程導(dǎo)電的優(yōu)勢，鋼纖維能發(fā)揮長程導(dǎo)電的作用。圖4為復(fù)摻導(dǎo)電相時的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)示意圖，其中圖4（a）與圖4（b）分別為基體開裂前與開裂后的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)：在開裂前炭黑與鋼纖維在基體內(nèi)隨機分布，復(fù)摻炭黑與鋼纖維可以獲得較大的信噪比［17］。如圖4（b）所示，開裂后炭黑所形成的短程導(dǎo)電通路在裂縫處均被切斷，而裂縫處的鋼纖維部分被拔出，部分的鋼纖維仍能維持部分長程導(dǎo)電通路。

試件的荷載-時間-電阻變化率（load-time-FCR）曲線分別如圖5 所示，根據(jù)曲線中FCR 隨時間的變化可判斷試件開裂的具體時刻。

圖5 試件荷載-時間-電阻變化率曲線Fig.5 Load-time-FCR curves of specimens

由圖5 可看出：所有智能混凝土試件在荷載達到初峰荷載P1前FCR 隨時間的變化一直在零值附近波動，在荷載達到P1之后承載力有一個明顯的下降段，此時混凝土開裂并且FCR 顯著上升，因此可以通過load-time-FCR 曲線中FCR 的變化判斷試件開裂具體時刻。以CBSF60 的load-time-FCR 曲線為例，F(xiàn)CR 在荷載加載達到P1之前大小在0 附近波動。在529 s 處荷載達到P1，此后混凝土開裂，并且FCR 開始顯著增加，該現(xiàn)象表明FCR 對于開裂的感知響應(yīng)非常迅速。CBSF60 開裂后單裂縫逐漸擴展，F(xiàn)CR 持續(xù)增加，但增加的速率逐漸降低。在發(fā)生撓度硬化的CBSF80 中：在452 s 處試件荷載達到P1，此時單裂縫形成，但其承載力相對于發(fā)生撓度軟化的試件下降較少，隨后多裂縫形成以及主裂縫擴展。因此對于該試驗中各試件，均可以通過loadtime-FCR 曲線中FCR 的變化判斷混凝土初次開裂的具體時刻。

2.3 鋼纖維摻量對FCR-COD的影響

根據(jù)FCR-COD 曲線中試驗數(shù)據(jù)的非線性特征選用對數(shù)函數(shù)對其進行擬合，函數(shù)的形式為：

式中：y為試件在抗彎試驗過程中的FCR；x為COD；A、B為參數(shù)。圖6 包含了不同鋼纖維摻量下FCRCOD曲線以及擬合曲線。

圖6 FCR-COD擬合曲線Fig.6 Fitting curves of FCR-COD

表6 包含了參數(shù)的結(jié)果。由表6 可知采用對數(shù)函數(shù)可較好地擬合試驗數(shù)據(jù),整體的相關(guān)系數(shù)R2都在0.994以上。

表6 FCR-COD曲線擬合結(jié)果Table 6 Fitting results of FCR-COD curves

在裂縫開口位移為0.2 mm 時，CB、CBSF20、CBSF40、CBSF60、CBSF80 所對應(yīng)的FCR 分別為13.06%、6.01%、4.15%、3.23%、3.02%，其中CB 與其他試件相比FCR 最大可高出CBSF80 的4.32 倍左右，其原因與CB在抗彎試驗過程中表現(xiàn)出的脆性破壞特征有關(guān)：CB 開裂后，裂縫迅速從試件底部沿截面高度擴展，相比于其他CBSF試件導(dǎo)電通路變化更加顯著，因此其FCR變化相對于其他試件更為劇烈。

試件在抗彎試驗過程中FCR 隨著COD 的增加而增加，其主要原因為：1）從混凝土基體來看，試件整體的電阻變化是由受拉區(qū)電阻變化以及受壓區(qū)電阻變化綜合的結(jié)果，開裂后試件受拉區(qū)電阻顯著增大的趨勢占主導(dǎo)地位［15］，因此使得整體FCR 呈增加趨勢；2）從加入的導(dǎo)電相來看，開裂區(qū)域?qū)?dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的切斷導(dǎo)致測量電阻增加，進而導(dǎo)致FCR 的增加；3）由于纖維與混凝土基體之間存在著界面，在未開裂基體內(nèi)鋼纖維與混凝土基體的相對滑移增大了接觸電阻［25］，這也會使FCR增加。

FCR-COD 曲線斜率隨著COD 增加而逐漸減小與電極的布置方式有關(guān)，由于銅網(wǎng)電極布置于試件底部，因此在混凝土基體內(nèi)電流沿著截面高度有著不同的分布形式：隨著截面高度的逐漸增加，截面區(qū)域電流密度的模逐漸減?。?6］。因此裂縫沿試件底部擴展時，初始導(dǎo)電通路的變化更劇烈，F(xiàn)CR 的變化更顯著。

為了驗證上述說法，并且由于受限于新拌纖維混凝土工作度的要求，導(dǎo)電材料的摻量沒有達到滲流閾值，此時離子導(dǎo)電占主導(dǎo)地位［15］，也即混凝土基體本身在抗彎過程中電阻的變化占據(jù)主導(dǎo)地位。使用COMSOL 軟件對開裂之前的試件進行建模分析，圖7(a)中曲線代表電流密度線，箭頭的長度代表跨中不同截面高度的電流密度的模，圖7（b）為模型跨中橫截面電流密度模的具體分布情況。其中電流密度J是描述電路中每單位截面面積電流量的矢量，它既可以描述正電荷移動的方向，也可以描述電流沿截面的分布情況。電流密度的定義為：

圖7 模型的電流密度分布Fig.7 Current density distribution of model

式中：J為電流密度，A/m2；I為標(biāo)量電流強度；S為面積。

由圖7 可知電流密度模的范圍約為（2.2～2.6）×10-5A/cm2，并且隨著截面高度的增加，電流密度的模沿著截面高度的值逐漸減小，基體內(nèi)部所分布的導(dǎo)電通路逐漸稀疏。當(dāng)混凝土在開裂初始時刻裂縫沿底部擴展，基體電阻的變化劇烈，也即FCR 變化顯著，這也是判斷試件具體開裂時刻的重要依據(jù)，之后在相同COD 增量下，裂縫擴展對混凝土的導(dǎo)電通路的影響逐漸緩和，因此試件的FCR-COD 曲線的增長速率會越來越緩慢。

2.4 鋼纖維摻量對G-COD的影響

靈敏度是衡量智能混凝土裂縫自監(jiān)測性能的重要指標(biāo)，定義G為試件在單位COD 下對應(yīng)的FCR。2.3 節(jié)已經(jīng)討論了有關(guān)FCR-COD 曲線的關(guān)系，因此將2.3節(jié)擬合的曲線進行求導(dǎo)即可得到G與COD的非線性關(guān)系，函數(shù)的形式為：

式中：G為試件在抗彎試驗過程中的靈敏度；x為COD；A、B為參數(shù)。

并且繪出不同試件G-COD曲線，如圖8所示。

圖8 G-COD求導(dǎo)曲線Fig.8 Derivation curves of G-COD

根據(jù)式(3)和圖8 的G-COD 曲線可得出以下結(jié)論：在COD 為0.2 mm 內(nèi)，試件的G值均在13.7/mm以上，這表明在裂縫限值范圍內(nèi)，所有試件單位COD 下都有較明顯的FCR 變化。從擬合曲線的函數(shù)來看，在相同COD 下，隨著鋼纖維摻量的增加，G值逐漸減小并且減小的幅度逐漸降低，CB的G值明顯高于其他試件。在COD 為0.2 mm 時CB、CBSF20、CBSF40、CBSF60、CBSF80 的G值分別為61.5、27.1、18.9、14.6、13.7/mm，其中CBSF20 相比于CB 在COD 為0.2 mm 的G值下降了34.4/mm。相比于CB，鋼纖維的摻入顯著提升了CBSF20 開裂后的抗彎性能，進而緩和了內(nèi)部的導(dǎo)電通路變化。而CBSF80 在COD 為0.2 mm 時G值只略低于CBSF60試件0.9/mm，這表明后期鋼纖維的加入對裂縫自監(jiān)測性降低影響得到緩和。相同COD時，高鋼纖維摻量對混凝土開裂后的抗彎性能提升更大，混凝土開裂區(qū)域變化更緩和，單位COD下FCR的變化即G值會更小。結(jié)構(gòu)型鋼纖維摻量的增加雖然會提高試件開裂后的殘余抗彎強度和韌性，但是也會引起智能混凝土自監(jiān)測時靈敏度系數(shù)的降低，因此需要綜合平衡考慮兩者所帶來的影響［18］。

試件在抗彎試驗進行過程中，F(xiàn)CR 與G值隨著COD 的變化既跟混凝土基體導(dǎo)電通路的變化有關(guān)，也跟鋼纖維形成的長程導(dǎo)電通路、炭黑維持的短程導(dǎo)電通路的變化有關(guān)。由于所使用的鋼纖維摻量受限于新拌纖維混凝土工作度的限制，加入的摻量遠(yuǎn)沒有達到滲流閾值，所以混凝土基體內(nèi)部導(dǎo)電通路的變化占據(jù)主導(dǎo)地位［15］。因此可認(rèn)為在試驗過程中，試件FCR與G值隨著COD的變化是裂縫擴展導(dǎo)致混凝土基體開裂區(qū)域與未開裂區(qū)域面積的相對變化的影響占主導(dǎo)，結(jié)構(gòu)型鋼纖維以及炭黑所形成的長短程導(dǎo)電通路變化的影響次之，兩者綜合作用的結(jié)果。

3 結(jié)論

1）炭黑以及不同摻量鋼纖維的加入對混凝土的抗壓強度沒有明顯影響。在抗彎試驗的荷載-位移曲線中，隨著鋼纖維摻量的增加混凝土開裂后的峰值荷載、殘余抗彎強度以及韌性均有明顯增加的趨勢。

2）無論發(fā)生撓度軟化還是發(fā)生撓度硬化現(xiàn)象的混凝土，均可以根據(jù)其抗彎試驗的電阻變化率-時間曲線中電阻變化率的轉(zhuǎn)折判斷其初次開裂的具體時刻。

3）使用對數(shù)函數(shù)擬合抗彎試驗的電阻變化率-裂縫擴展位移曲線效果較好。曲線呈增長趨勢，其原因與混凝土基體、加入的導(dǎo)電相以及纖維與混凝土基體之間存在的界面有關(guān)；曲線增長速率逐漸降低，其原因與電極布置形式導(dǎo)致混凝土基體電流密度的分布有關(guān)。

4）隨著鋼纖維摻量的增加，在相同裂縫擴展位移下混凝土的靈敏度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，并且鋼纖維摻量超過一定量后（60 kg/m3），混凝土彎曲裂縫自監(jiān)測性能的降低程度趨向緩和。