樹脂基碳纖維智能層電測混凝土表面裂縫寬度

鄧友生 ，田青蕓

(1. 湖北工業大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢，430068；2. 湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙，410082)

混凝土結構表面裂縫寬度不僅影響工程結構的外觀，而且影響結構的耐久性。測定混凝土裂縫寬度是診斷工程結構劣化和損傷的主要內容，也是判斷結構是否需要修補、加固的重要依據。日本《混凝土裂縫調查、修補、加固指南》中規定了需要修補的裂縫寬度[1]。我國現行《混凝土結構設計規范》(GBJ 10—2002)和《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62—2004)允許無害裂縫寬度為0～0.3 mm[2-3]。混凝土表面裂縫寬度的檢測方法主要有目測法、攝影檢測法、普通傳感儀器監測和光纖傳感器技術等[4-7]。目測法就是借助測縫儀或標度卡尺通過肉眼讀數來測量裂縫的寬度，位置用簡圖對應標注[7]。這種方法用于粗測，精度低。測量時，靠人工讀取數據并手工描繪記錄裂縫形態和走向，裂縫顯微鏡需要人工近距離調節焦距并讀數和記錄，故測量結果人為影響因素較大，缺乏客觀性，且效率低，勞動強度大。攝影檢測法包括采用普通照相機、錄像機、放射線、紅外線攝影等進行檢測[1]。近年出現的裂縫寬度測試儀可將放大的裂縫圖像顯示在顯示屏上，再人工讀取寬度，這種測試儀避免了人工近距離調節焦距的要求，降低了勞動強度。普通傳感儀器監測就是利用埋設在混凝土中的儀器進行裂縫監測，常規技術是利用卡爾遜式或弦式測縫計，其控制范圍僅為 0.2～1.0 m，屬點式檢測[7]。由于裂縫出現的空間隨機性，因此往往漏檢。分布式光纖傳感技術則提供了一種嶄新的測量手段，該項技術利用光纖自身具有集傳感和傳輸于一身的特點，只要裂縫與埋入的光纖光路相交即可被感知。對于具體的工程結構，其縫寬和光路信號衰減成唯一關系，故當光路的衰減量被檢測到后，其縫寬及其位置即可從理論上予以確定[4-6]。分布式光纖傳感技術彌補了傳統檢測手段的不足，但該技術的應用目前尚處于起步研究階段，需要土木工程、光通訊技術、微電子技術和計算機技術等多方面的耦合。近年來，李卓球等[7-11]在碳纖維機敏混凝土基礎上，研制了一種可以進行應變傳感的碳纖維智能層。本文作者利用這種傳感器對混凝土梁的表面裂縫寬度進行檢測。

1 樹脂基碳纖維智能層傳感器及其制作

1.1 主要制作材料

實驗采用的碳纖維材料為河南省開封鵬遠玻璃纖維制品有限公司生產的PAN基碳纖維氈，其主要技術參數如表1所示。樹脂基材采用岳陽石油化工總廠岳華有機化工廠生產環氧樹脂E-44。

傳感器上的電極是將現有普通銅導線撥開，每 6股銅絲搓成1條而制成。為了防止電極長期放置在空氣中被氧化，需要在電極外面鍍上錫，連接導線采用普通多股銅芯線。

表1 碳纖維氈的技術參數Table 1 Parameters of carbon fiber mat

1.2 制作工藝

首先將碳纖維氈裁剪成5個邊長為200 mm的正方形薄片，將第1張薄片放在涂有石蠟的耐高溫塑料薄膜上后均勻加注樹脂、壓實碾平，再鋪上第2張薄片又均勻加注樹脂、壓實碾平，這樣直到完成第5張薄片后再將另一張涂有石蠟的耐高溫塑料薄膜蓋上，然后用5 kg物體均勻壓在塑料薄膜上常溫固化24 h后，再卸壓放入80～100 ℃恒溫箱干燥2～4 h[11]，取出后將其剪切成20塊長×寬為100 mm×20 mm的碳纖維氈智能層片，以備貼在20個試件上。按圖1所示的尺寸分別將4個電極用導電銀膠粘貼于碳纖維氈表面作為電極，然后等待銀膠完全固化。采用銀膠粘貼電極是因為其能降低自制電極與碳纖維黏結處的接觸電阻。在整個制樣過程中要防止碳纖維氈被折或被扭。圖2所示為碳纖維氈智能層片試樣的照片。

圖1 碳纖維智能層電極尺寸布置Fig.1 Positions of electrodes in carbon fiber smart layer

圖2 碳纖維智能層傳感器照片Fig.2 Photo of carbon fiber sensor

2 試驗原理與系統

2.1 試驗原理

由導電材料的電阻R的特性公式為：

R=ρl/A

式中：ρ為電阻率；R為電阻；l為導線長度；A為截面面積。

由上式可知，R隨導線長度l 或通電截面面積A的變化而變化。樹脂基碳纖維氈智能層傳感器緊貼在混凝土試件的下表面，隨著試件的彎拉，傳感器中的碳纖維絲被拉長而電阻增大。試驗采用技術成熟的四電極法來測量碳纖維氈電阻[12-13]。在圖1和圖2的A，B，C和D 4個電極中，A和D兩端為通電電極，B和C 兩端為待測電極。通過A和D兩端施加恒定的電流I，由試件的彎拉引起智能層電阻R的變化，隨即B和C兩端的電壓UBC發生變化，測得UBC即可由歐姆定律計算得到碳纖維氈智能層B和C之間的電阻R；同時，在預制裂縫處安裝引伸計(如圖3所示)，引伸計與多通道數據采集儀或靜態電阻應變儀連接可測得到裂縫張開的寬度d。通過試件加載使裂縫寬度d與B和C之間的電阻R同時發生變化，即可研究試件表面裂縫寬度d與碳纖維智能層傳感器電阻R之間內在聯系。

2.2 試驗系統

圖3 試驗系統Fig.3 Test system

試驗的加載系統為 Instron5882電子萬能材料試驗機(如圖3所示)，由美國Instron公司制造，其主要技術指標如下：加載范圍為±100 kN；精度為0.5 N；25 mm標距內的應變范圍為±10%，精度為0.1 με；位移測試精度為 10 μm；加載速率為 0.001～500 mm/min。

試驗時輸入碳纖維智能層傳感器A和D兩極的電源為直流恒定電源，由Keithley 2400可編程數字電源提供；數據采集由Keithley 2700多通道數據采集儀完成。二者均由美國Keithley公司制造。

試驗時，一臺計算機連接萬能材料試驗機，控制試驗加載和卸載制度；另一臺計算機連接多通道數據采集儀，同步接收試驗輸出數據。

3 試驗方法

3.1 引伸計標定

為了定量響應碳纖維智能層傳感器對試件表面裂縫寬度變化引起的電阻變化，試驗前必須對引伸計進行標定。受環境和時間的影響，從理論上分析，每次試驗前都應對其進行標定，引伸計標定結果如圖4所示[6]。

圖4 引伸計的張開位移與應變關系Fig.4 Relationship between strain and open displacement of extensometer

3.2 試驗過程

混凝土梁的試件尺寸(長×寬×高)為 360 mm×50 mm×80 mm，配置4根直徑為4 mm的通長鋼筋，采用普通硅酸鹽水泥澆注，在澆注時在梁底面中部插入1片高度為10 mm、與梁等寬的薄膜，以便在試驗加載沿薄膜處開裂。

由于樹脂基碳纖維智能層傳感器的電阻較小，實驗采用技術成熟的四電極法來測量碳纖維氈電阻，這樣可以消除接觸電阻的影響。將 1塊長×寬為 100 mm×20 mm由5層碳纖維氈制成智能層傳感器貼在混凝土試件下部預制裂縫中央，在裂縫兩側用502膠水貼好能卡住引伸計刃腳槽溝的刀片。將試件兩端水平放置在 Instron5882電子萬能材料試驗機的金屬夾具上，試件兩端同金屬夾頭接觸的地方用絕緣材料隔開，以防止漏電。試樣夾好以后，將引伸計卡在試件裂縫兩側事先貼好的刀片上，引伸計通過多通道數據采集儀或靜態電阻應變儀與計算機相連。采用Keithley2400可編程數字電源給試件的A和D電極間通1 mA的直流恒穩電流。采用Keithley2700多通道數據采集儀采集試件B和C端電壓。

對于帶預制混凝土梁試件的試驗，采用單調三點彎曲拉伸加載制度。以試件撓度進行控制，直至碳纖維氈智能層傳感器破壞，加載速度為0.1 mm/min。

4 混凝土梁裂縫寬度電測試驗結果與分析

4.1 裂縫寬度電測試驗結果

圖5～10所示為帶預制裂縫的試件的試驗結果。

圖5 4#混凝土梁試驗曲線Fig.5 Test results of 4# concrete beam

圖6 5#混凝土梁試驗曲線Fig.6 Test results of 5# concrete beam

4.2 試驗結果分析

從圖 5～10可知：碳纖維智能層傳感器可感知混凝土梁裂縫寬度的變化，隨著荷載的增大，裂縫寬度增大，碳纖維智能層的電阻也隨著增大；且在混凝土裂縫寬度0～1.0 mm時碳纖維智能層的電阻隨裂縫寬度的增大基本呈現線性增大變化趨勢。

從圖5(b)、圖6(b)、圖7(c)、圖8(c)、圖9(c)和圖10(c)可見，當混凝土裂縫寬度為0～0.5 mm時，碳纖維智能層的電阻為2～4 Ω。碳纖維智能層的電阻與混凝土裂縫寬度在這一區段呈線性關系，可滿足國內現行《混凝土結構設計規范》(GBJ 10—2002)和《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62—2004)允許無害裂縫寬度0～0.3 mm的檢測要求。

從圖5～9還發現：碳纖維智能層的電阻隨著裂縫寬度加大而增大，但是其增大速度不一致，即對裂縫寬度變化的敏感程度存在個體差異。這是由于碳纖維智能層由5層碳纖維氈通過樹脂黏疊而成，每層碳纖維氈的碳纖維含量在工廠生成時不可能保證絕對相等，總存在一些微量差異。故在碳纖維智能層在研制成傳感器件時應進行個體標定。

圖7 6#混凝土梁試驗曲線Fig.7 Test results of 6# concrete beam

圖8 7#混凝土梁試驗曲線Fig.8 Test results of 7# concrete beam

圖9 8#混凝土梁試驗曲線Fig.9 Test results of 8# concrete beam

圖10 9#混凝土梁試驗曲線Fig.10 Test results of 9# concrete beam

5 結論

(1) 樹脂基碳纖維智能層粘貼在混凝土結構表面上可以感知其表面裂縫寬度的變化；在混凝土裂縫寬度在0～1.0 mm變化時，碳纖維智能層的電阻隨裂縫寬度的增大呈線性增大。

(2) 樹脂基碳纖維智能層電阻變化的靈敏性存在個體差異，但是在混凝土表面裂縫寬度0～0.5 mm變化時，碳纖維智能層的電阻為2～4 Ω，其離散性不大。故樹脂基碳纖維智能層可用來檢測混凝土結構表面裂縫寬度，可滿足國內現行公路橋梁結構和房屋建筑結構設計規范允許無害混凝土表面裂縫寬度 0～0.3 mm的檢測要求。

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