多相导电混凝土的受弯开裂自监测性能*

丁一宁 衡震 韩知伯

(1.大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2.中广电广播电影电视设计研究院，北京 100045)

多相导电混凝土的受弯开裂自监测性能*

丁一宁1衡震1韩知伯2

(1.大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2.中广电广播电影电视设计研究院，北京 100045)

将结构型钢纤维(SF)、碳纤维(CF)及纳米炭黑(NCB)作为多相导电材料加入混凝土中,研究了多相导电材料对混凝土开裂后的力学性能、导电性能及裂缝扩展自监测性能的影响.建立了混凝土梁的受拉区表面电阻变化率(FCR)与裂缝张开位移(COD)之间的关系.结果表明：导电相材料的加入能够显著提高抗弯强度与弯曲韧性；多相导电材料对弯曲性能及裂缝扩展的自监测性能具有正混杂效应；电阻变化率与裂缝张开位移呈线性关系.

纤维；纳米炭黑；混凝土开裂；自监测；电阻变化率；裂缝张开位移

要保障混凝土结构在服役期的安全性、适用性与耐久性，对裂缝的监测、评估与限制是先决条件，同时对于构件荷载-位移全过程中的承载力进行监控也是结构安全评价的关键点之一.对混凝土结构进行实时、连续的健康监测可及时发现早期损伤并采取适当的维修措施，而导电混凝土可通过测量其电阻变化率来探测其本身的损伤，这种对于应变及损伤的自感知性能可为实际工程中混凝土结构的无损监测提供一种有效的方法[1-17].为研发导电混凝土以实现对损伤的感知，可将碳纤维[1,4-5,8-9]、纳米炭黑[5,8-12]、石墨[7,13-14]、钢渣等[6]导电相加入水泥基体中，改善基体的导电性并形成连续的导电网路.纳米炭黑的导电性较好且成本较低、在导电混凝土中是一种较为理想的导电相.目前，国内外的学者对纳米炭黑与碳纤维复相导电材料应用于水泥基材料中进行了一些研究[5,8-9]，该复相导电材料的优点是可感知应变，但随着裂缝的出现，碳纤维被不断拔出，导电通路将被破坏，故无法感知裂缝的扩展；此外，以上研究尚存在下列不足：①由于碳纤维及炭黑均为脆性材料，它们对水泥基材料的脆性没有改善作用；②研究的基体材料多为水泥净浆或砂浆，很少涉及掺有粗骨料的混凝土；③对损伤的感知主要集中在单轴受压或开裂前的受拉应变阶段.而处于正常使用阶段的混凝土构件经常受到弯曲应力的作用并带裂缝工作，过大的裂缝将严重降低构件的安全性、适用性、耐久性.如何实现构件裂缝扩展以及荷载-位移全过程的自监测是亟待解决的问题.

文中加入了结构型钢纤维构成多相复合导电材料.钢纤维的主要功能有以下几点：①结构型钢纤维在混凝土构件开裂前能提高其力学性能，在混凝土开裂后可桥接裂缝，避免混凝土的脆性破坏；②在混凝土梁开裂后的整个过程中，只有钢纤维能够限制裂缝扩展，提高抗裂性和韧性，提供稳定的荷载位移曲线，并在开裂的混凝土基体间维持导电通路[9,18-19].文中主要针对混凝土梁开裂性能及荷载-位移特性的自感知进行研究.通过数据回归分析，建立多相导电混凝土梁在受弯时电阻变化率与裂缝张开位移之间的关系.

1 试验概况

1.1 材料及配合比设计

本试验的混凝土配合比如表1所示.其中水泥采用大连小野田P.O 42.5R 普通硅酸盐水泥；粉煤灰选用一级粉煤灰；细骨料采用粒径为0～5 mm的中砂(石英砂)，细度模数为2.51；粗骨料选取粒径为5～10 mm的碎石；减水剂为Sika高效减水剂；分散剂采用羧甲基纤维素；消泡剂为磷酸三丁脂.

表1 混凝土配合比1)Table 1 Mix proportions of concrete

1)各组分含量单位为kg/m3.

试验所用的3种导电相材料如图1所示.钢纤维为贝卡尔特-二钢有限公司产RC-65/35-BN端钩型钢纤维，电阻率5.5×10-6Ω·m，长径比为65，单丝直径0.55 mm，密度7.85 g/cm3；碳纤维为6 mm长的沥青基碳纤维，电阻率为3×10-5～7×10-5Ω·m，直径为12～15 μm，密度1.55～1.60 g/cm3；纳米炭黑的平均粒径为33 nm，电阻率为0.75 Ω·cm，密度为0.3～0.5 g/cm3.

图1 导电相材料Fig.1 Conductive materials

试件共分为7组，各组导电相材料掺量如表2所示.其中，SF22及SF44分别为单掺22、44 kg/m3结构型钢纤维混凝土梁；BCS22-1为三掺22 kg/m3钢纤维、4.36 kg/m3碳纤维及1.09 kg/m3纳米炭黑混凝土梁；BCS22-2为三掺22 kg/m3钢纤维、6.54 kg/m3碳纤维及1.64 kg/m3纳米炭黑混凝土梁；BCS44-1为三掺44 kg/m3钢纤维、2.18 kg/m3碳纤维及0.55 kg/m3纳米炭黑混凝土梁；BCS44-2为三掺44 kg/m3钢纤维、6.54 kg/m3碳纤维及0.55 kg/m3纳米炭黑混凝土梁.

表2 导电相材料掺量Table 2 Dosages of the conductive admixtures

1.2 试件布置及测试方法

试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的混凝土梁，浇注1 d后拆模，室温养护28 d(相对湿度100%).养护完毕后，在试件的受拉侧粘贴4个导电胶带作为电极.基于四电极的电阻测量方法，外侧A/D两电极通电流，同时测量内侧B/C两电极电压[4-5].

试验研究电阻变化率(FCR)与受弯承载力、裂缝张开位移的关系.电阻变化率即受弯时试件受拉区表面电阻的变化百分率.通过液压伺服试验机对试件进行3点加载，净跨为300 mm，采用位移控制，加载速率为(0.2±0.02)mm/min，跨中挠度不小于3.5 mm.在梁的两侧用LVDT测量跨中挠度，在梁底部跨中受拉区用夹式引伸仪测量裂缝张开位移.其它试验仪器包括：交流稳压电源、IMC智能信息采集系统、定值电阻及交直流电压转换模块.试件尺寸、电极布置及试验装置等如图2所示.

图2 受弯梁的电阻变化率、挠度、裂缝张开位移的测量Fig.2 Measurement of FCR,deflection and COD of bending beams

2 试验结果与分析

参照RILEM TC 162-TDF，研究了不同导电相材料掺量下混凝土梁的抗弯强度和弯曲韧性指标.分析并建立了混凝土梁的受拉区表面电阻变化率与裂缝张开位移之间的关系.

2.1 导电相材料对强度的影响

表3列出了立方体试件在28 d龄期时的抗压强度、抗弯强度.由表可知，与素混凝土相比，三掺结构型钢纤维、碳纤维及纳米炭黑试件抗压强度没有明显增长.

表3 导电混凝土梁的抗压强度、抗弯强度Table 3 Compressive and flexural strength of conductive concrete

由表3分析可知,与素混凝土梁(PC)相比，SF22、BCS22-1以及BCS22-2的抗弯强度fu分别提高了12.5%、27.5%及37.5%，而SF44、BCS44-1以及BCS44-2的抗弯强度fu分别提高了45%、70%及97%.与单掺22 kg/m3钢纤维的SF22相比，BCS22-1与BCS22-2的抗弯强度fu分别提高了13%与22%.与单掺44 kg/m3钢纤维的SF44相比，BCS44-1与BCS44-2的抗弯强度fu分别提高了17%与36%.以上结果表明：导电相材料的加入能够显著提高混凝土的抗弯强度；与单掺钢纤维的混凝土梁相比，三掺钢纤维、碳纤维与纳米炭黑对于混凝土梁的抗弯强度起到正混杂效应.

2.2 导电相材料对弯曲韧性的影响

图3所示为素混凝土梁及不同导电相材料掺量下混凝土梁的荷载-位移全曲线的对比.掺有结构型钢纤维等导电相材料的混凝土梁所吸收的总能量值可表示为

(1)

式中，δi表示挠度，DBZi表示挠度为δi时对应的总能量吸收值.

图3 导电混凝土梁的荷载-挠度曲线Fig.3 Load-deflection curves of conductive concrete beams

素混凝土梁及不同导电相材料掺量下混凝土梁的等效抗弯强度及能量吸收值见表4.

表4 导电混凝土梁的等效抗弯强度及能量吸收值[20]Table 4 Equivalent flexural strength and energy absorption of conductive concrete beams[20]

不同导电相材料掺量下混凝土梁的残余荷载值(FR,i)见表5.

表5 导电混凝土梁的残余荷载Table 5 Residual load of conductive concrete beams

由表5可知,与单掺22 kg/m3钢纤维的SF22相比：①BCS22-1的残余荷载平均增幅为39%，相应导电相材料增量为20%；②BCS22-2的残余荷载平均增幅为41%，相应导电相材料增量为30%.与单掺44 kg/m3钢纤维的SF44相比：①BCS44-1的残余荷载平均增幅为42%，相应导电相材料增量仅为5%；②BCS44-2的残余荷载平均增幅为48%，相应导电相材料增量仅为15%.对比SF22与SF44，可以看出三掺钢纤维、碳纤维和纳米炭黑对混凝土的残余荷载有正混杂效应.

2.3 导电相材料对电阻变化率-裂缝张开位移关系的影响

图4、5所示为不同导电相材料掺量下混凝土梁的受拉区表面电阻变化率-裂缝张开位移的关系曲线.从图中可以看出电阻变化率随着裂缝张开位移(COD)的增大而增大，且电阻变化率与裂缝张开位移呈线性关系.电阻变化率与裂缝张开位移之间的关系可表示为

Y=a+bX

(2)

式中，a和b分别为拟合直线的截距和斜率，二者均与导电相的种类和掺量有关.X单位为mm.各组拟合直线参数和相关系数见表6.

图4 单相导电混凝土梁的电阻变化率-裂缝张开位移关系Fig.4 Relationships between FCR and COD of conductive concrete with single-phase conductive material

由表6可知，各组导电混凝土梁的相关系数均在0.88～0.98范围内，说明电阻变化率、裂缝张开位移与等式(2)有较强的线性相关性.

图4为单掺22和44 kg/m3钢纤维时，导电混凝土梁的电阻变化率-裂缝张开位移关系曲线.由图可知，单掺钢纤维时，关系曲线有较为明显的波动，信号噪声比较大，拟合直线的相关系数r2低于多相导电混凝土梁.

图5 多相导电混凝土梁的电阻变化率-裂缝张开位移关系Fig.5 Relationships between FCR and COD of concrete with multi-phase conductive materials

表6 拟合直线参数Table 6 Fitted parameters of regression equation

图5为多相导电混凝土梁的受拉区表面电阻变化率-裂缝张开位移关系.与单掺钢纤维的SF22、SF44相比，多相导电混凝土的相关系数r2更大，这表明多相导电材料对于提高导电混凝土梁机敏性能的稳定性有正混杂效应.斜率b是指单位裂缝张开位移下受拉区表面电阻变化率的大小，可以反映出导电混凝土梁的裂缝自监测灵敏度.各组拟合直线斜率b的范围在2.04～5.55之间.截距a的范围在1.85～8.37之间，a的取值随着钢纤维掺量的增加而减小，BCS22-1与BCS22-2系列的截距值a要高于其它系列，原因在于混凝土开裂时荷载急剧下降，电阻变化率的变化幅度增大.因此，截距值a可用于判断混凝土梁开裂时的承载力损失情况.试验结果表明导电混凝土适用于自感知裂缝；结构型钢纤维既可以作为结构材料，增强混凝土开裂后的性能，又可以作为功能材料，以保证混凝土开裂后的导电性；多相导电材料对裂缝自感知性能有正混杂效应.

3 结论

综上所述，可得出如下结论.

①与素混凝土梁相比，单掺钢纤维可在梁开裂后，提高混凝土的抗弯强度及弯曲韧性.与单掺钢纤维混凝土梁相比，三掺钢纤维、碳纤维与纳米炭黑可更为显著地改善混凝土梁的弯曲性能，对混凝土开裂后的力学性能表现出明显的正混杂效应.

②结构型钢纤维的掺入可在混凝土开裂后继续提供连续导电通路，从而实现混凝土的带裂缝自监测；多相导电材料的加入能够进一步改善受拉区表面电阻变化率的信号噪声比，对增强裂缝扩展自感知性能具有正混杂效应.

③在多相导电混凝土梁受弯开裂过程中，电阻变化率与裂缝张开位移呈较好的线性关系；拟合直线的斜率b能够反映裂缝自监测的灵敏度，截距值a可用于判断梁在开裂时的承载力损失.

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Supported by the National Natural Science Foundation of China(51578109)

Self-MonitoringPerformanceofCrackingDevelopmentofMultiphaseConductiveConcreteSubjectedtoBending

DINGYi-ning1HENGZhen1HANZhi-bo2

(1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China；2.Radio Film and Television Design and Research Institute, Beijing 100045, China)

By adding the macro steel fiber (SF), the carbon fiber (CF) and the nano-carbon black (NCB) into the concrete as the multiphase conductive materials, the influences of the SF, the CF and the NCB on the mechanical properties and conductivity of the cracked concrete as well as on the self-monitoring performance of the crack development are investigated. Then, a relationship between the fractional change of the surface resistance (FCR) and the crack opening displacement (COD) of the conductive concrete beams is established. The results show that (1) the addition of the conductive materials can greatly enhance the flexural strength and toughness of the concrete; (2) the hybrid use of the NCB, the CF and the SF shows a clear positive hybrid effect on the flexural beha-vior and the self-monitoring performance of the crack development; and (3) there is a linear relationship between the FCR and the COD.

fibers; nano-carbon black; concrete cracking; self-monitoring; fractional change in resistance; crack opening displacement

2016-09-27

国家自然科学基金资助项目(51578109)

丁一宁(1962-)，男，博士，教授，主要从事高性能纤维混凝土研究.E-mail:ynding@dlut.edu.cn

1000-565X(2017)08-0132-07

TU 528

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.08.019