钢纤维混凝土开裂后力-电耦合试验研究

Experimental study on the electrical-mechanical coupling behavior of steel fiber reinforced concrete after cracking

摘要

为了研究电场作用下利用混凝土力-电耦合性能进行裂缝自监测的可行性，将钢纤维加入混凝土中形成智能混凝土，并同步开展了智能混凝土梁的四点弯曲试验和电阻测试试验。分别进行了单区段、双区段智能混凝土梁的力-电耦合性能测试，分析了试验梁的荷载与电阻变化率随加载时间以及裂缝张开位移的变化规律。单区段的试验结果表明，开裂前监测区段电阻变化率无明显变化，当监测区段内出现裂缝后，混凝土的电阻变化率-时间曲线斜率有明显突增，此外，电阻变化率随裂缝张开位移的增大而增大，但增加的幅度逐渐减小；双区段电阻测量试验结果显示，当某一区段混凝土开裂后，开裂区段混凝土电阻明显增加，而未开裂区段电阻变化较小。说明利用混凝土电阻变化信号可以表征混凝土裂缝的产生及发展，而通过不同区段的设置，可实现对裂缝区段的定位。

Abstract

In order to investigate the feasibility of utilizing the electrical-mechanical coupling properties of concrete under the action of electric fields for crack self-monitoring, steel fibers are added into concrete to form smart concrete. Simultaneously, four-point bending tests and electrical resistance tests are conducted on smart concrete beams. The mechanical-electric coupling performance of single-section and dual-section smart concrete beams is separately tested. The variations of load and resistance with loading time and crack opening displacement (COD) of the tested beams are analyzed. The results of the single-section tests indicate that there is no significant change in fractional change in resistance (FCR) of the monitoring section before cracking. However, after cracks appear in the monitoring section, there is a significant sudden increase in the slope of the FCR-time curve of the concrete. Furthermore, the FCR increases with the increase of COD, but the magnitude of the increase gradually decreases. The results of the dual-section resistance measurement tests show that when a certain section of the concrete cracks, the FCR of the cracked section significantly increases, while the FCR of the un-cracked section is relatively small. This suggests that the utilization of concrete's electrical-mechanical coupling properties can characterize the occurrence and development of concrete cracks, and by setting up different sections, it is possible to locate the cracked sections accurately.

Graphical abstract

关键词

钢纤维混凝土 / 自监测 / 电阻变化率 / 裂缝区段定位

Key words

steel fiber reinforced concrete / self-monitoring / fractional change in resistance / crack section localization

因承受永久荷载、可变荷载以及偶然荷载等多种作用，混凝土结构容易发生损伤和开裂^[1]。裂缝的出现与发展容易使各种有害离子入侵进而降低构件的耐久性。在裂缝发展初期及时发现并修复裂缝是非常重要的，这可以减少后期维修成本并延长结构的使用寿命。因此，提高对混凝土裂缝的检测和监测能力成为结构工程领域的主要研究方向。

目前，对于混凝土裂缝现场无损检测常见的方法有超声波法^[2]、雷达法^[3]、声发射法^[4]等。其原理大多基于波在不同介质传播特性的差异实现裂缝的检测，但大多仅能定性地检测局部位置是否出现裂缝，很难实现连续定量监测^[5]。而光纤传感器^[6]、智能表面^[7]等方法可以实现裂缝实时监测，对于裂缝宽度、深度等也有一定感知能力，但其安装工艺复杂，材料和采集设备成本较高。

水泥基材料通常被认为属于电的不良导体，对其电阻性能的研究也相对有限^[8]。由于混凝土电阻受温度、湿度、氯离子含量等因素影响，而电阻又较容易通过试验获得，不少学者尝试建立电阻与其他性能的联系，如采用电阻作为评估混凝土含水量和氯离子扩散的手段^[9-10]。20世纪90年代初，Chen等^[11]发现了碳纤维增强水泥基复合材料具有力-电机敏性，即通过碳纤维水泥基材料的电阻变化来感知和表征其应力和应变，研究指出该材料在混凝土开裂前的弹性阶段，基体的体积电阻率伴随着压应力的减小而增大。基于上述发现，许多学者也研究了不同工况下纤维水泥基复合材料的力-电机敏特性，包括压敏性和拉敏性等^[12-13]，这些研究为混凝土的应变和裂缝监测提供了崭新的方式。

目前，水泥基自监测材料的力-电机敏性能研究主要集中在开裂前弹性阶段，由于短切碳纤维在水泥基开裂时易被拔出，无法继续桥接导电通路。因此，碳纤维水泥基复合材料在非弹性阶段对裂缝的感知仅限于对损伤发生瞬时的识别，无法完成对裂缝扩展宽度的定量、实时的感知和监测。结构型钢纤维（主要指在水泥基体中发挥结构性增强作用的钢纤维，一般纤维长度l ≥3 cm^[14-15]）具有较好的桥接裂缝功能^[16]，在混凝土裂缝出现后，钢纤维能较好弥补导电路径的桥接问题。

将结构型钢纤维掺入混凝土，并通过四电极法测量混凝土梁受弯时的电阻变化以感知裂缝出现与扩展。考虑到钢筋可能会对电阻测量造成影响，研究中暂不考虑配筋问题^[17]。采用结构型钢纤维增加混凝土韧性，以同时增强开裂后混凝土的承载能力。为增加基体导电能力及电信号测量的稳定性，提高电阻信号测量效果，还加入了少量纳米炭黑作为导电填充材料^[18]。此外，还进行了双区段的裂缝监测，通过比较两个监测区段开裂前后的电阻信号，探究在连续多区段条件下，利用力-电耦合性能进行裂缝区段定位以及裂缝监测的可行性。

1 试验概况

1.1 材料及配合比设计

混凝土强度等级为C30，基准配比如表1所示。水泥是P.O 42.5R普通硅酸盐水泥，使用粉煤灰替代部分水泥。细骨料是粒径0~5 mm的石英砂，细度模数为2.51。粗骨料为粒径5~10 mm的玄武岩碎石。使用西卡高性能聚羧酸减水剂。钢纤维基本参数为：长度35 mm, 长径比65，电阻率5.5×10^-6 Ω⋅m，密度7.85 g/cm³。纳米炭黑平均粒径为33 nm，密度0.3~0.5 g/cm³, 电阻率0.75 Ω⋅cm。

试件共分为8组，各组炭黑掺量为1.5 kg/m³；钢纤维掺量从10 kg/m³到80 kg/m³每组依次递增10 kg/m³，分别记作SF10、SF20、…、SF80。

1.2 试验装置与信号采集

试件为尺寸100 mm×100 mm×400 mm的混凝土梁。浇筑前在试模侧面布置尺寸为15 mm×120 mm的铜网电极，并将该侧作为混凝土梁受拉面。制备试件具体程序为：先使用强制式搅拌机将水泥、粉煤灰和粗细骨料干拌2 min，随后加入钢纤维及纳米炭黑，继续搅拌2 min使钢纤维和炭黑充分分散，最后加入水和减水剂搅拌120 s，并将混凝土浇筑在配置了电极的试模中，振捣、抹平、覆膜。静置1 d(24 h)后拆模，在标准养护室养护28 d。

参照ASTM标准^[19]，四点弯曲试验装置如图1(a)所示，梁跨中100 mm长度的纯弯段作为监测区域。将监测区域划分为单区段和双区段：单区段梁布置4个电极，双区段梁布置5个电极。前后通过2个LVDT位移传感器测量跨中挠度，模块底端用夹式引伸仪测量裂缝张开的位移(COD)。加载采用位移控制，速率调至0.2 mm/min。电阻测量方面，试验电路如图1(b)所示，使用12 V直流稳压电源，试件的外部电极与阻值为5 kΩ定值电阻进行串联，内部电极和定值电阻两端的电压经过直流转换模块处理后进行采集。为降低极化对测量结果造成的影响，通电后放置20 min再进行加载。试验中荷载、位移和电压等信号统一由IMC设备采集。

由电压信号根据串联电路分压规律可以间接计算出试件内部电极间电阻，而试件的电阻变化率FCR可按式(1)计算：

\mathrm{F}\mathrm{C}\mathrm{R}=\frac{R_i-R_{\mathrm{0}}}{R_{\mathrm{0}}}(1)

其中：R_i 为试件加载至任意时刻的电阻值，R₀为试件加载前初始的电阻值。

2 试验结果与分析

在单区段梁弯曲加载的试验过程中，当钢纤维掺量少于70 kg/m³时，试件仅出现单一裂缝，而钢纤维掺量达到70~80 kg/m³时，部分梁出现了两条裂缝。对于这两种情形分别展开论述。

2.1 单区段单裂缝监测

试验中各种钢纤维掺量试件的电阻信号变化规律相近，以SF80和SF10组的试件为例，对弯曲加载过程中，出现单条裂缝时，荷载、裂缝张开位移及电阻的关系进行阐述。图2(a)、(b)分别为SF80和SF10两个试件的荷载-COD-FCR变化曲线。可见，SF80梁开裂荷载为15.5 kN，开裂后出现硬化，峰值荷载达到17.9 kN；而SF10的梁的开裂荷载为16.8 kN，开裂后承载能力迅速下降60%左右，之后缓慢减小。两种钢纤维掺量试件的荷载-COD曲线对比可以发现，SF80试件的曲线相对更加饱满，表明钢纤维对混凝土梁的弯曲韧性提升具有较明显的效果。电阻信号方面，两种试件的FCR均随COD增大而增大，但FCR-COD曲线的斜率出现缓慢下降的现象。当COD达到2 mm时，SF80和SF10梁的FCR分别达到42%和59%。

图3(a)、(b)给出了SF80和SF10两个试件的荷载-时间-FCR变化曲线。可见，SF80和SF10在达到开裂荷载前，FCR稳定在0附近，表示电阻几乎不发生改变。SF80和SF10试件分别于500 s和330 s左右开裂，其中钢纤维掺量较低的SF10试件开裂后几秒荷载迅速下降60%，FCR相对有10%左右迅速提升。开裂后，所有试件的FCR都随着裂缝的扩展出现增大现象，但增加速率逐渐降低。对比二者的FCR-时间曲线可以发现，开裂后SF80试件的FCR-时间曲线近似直线，而SF10试件的曲线斜率变化则较为明显。

对于上述现象分析如下：电极布置在梁底面（受拉侧），外通电流时，电流沿高度方向的分布如图4(a)所示^[20]。高度越高，导电路径便会越长，根据电阻率公式其电阻变得越大，通过的电流强度就变得越低。试件开裂后，靠近梁底的导电通路被阻断，电流分布发生变化，如图4(b)所示。随着COD的增大，裂缝高度不断向上延伸，导致沿梁高度方向的导电通路陆续被裂缝切断，反映为内部电极间电阻的逐渐增加。而FCR随COD增大的速率逐渐降低，可能是由于随COD增加，裂缝高度增高时，切断的导电通路的电流强度越来越低。此外，从试验过程观察到，裂缝随COD增大沿高度向上延伸的速度逐渐减慢^[21-22]。

2.2 单区段多裂缝监测

当钢纤维掺量较高时，部分梁在加载的过程中，会类似于实际应用中的钢筋混凝土梁，出现1条以上裂缝。图5为SF70试件的破坏形态。从加载全程看，最先观察到裂缝1出现，约200 s后出现裂缝2并逐渐开始延伸，随后裂缝1扩展变缓慢，而裂缝2继续扩展，后期无新裂缝出现。

图6为SF70试件的荷载-时间-FCR曲线，由图6可知，监测区段的电阻在试件开裂前基本保持不变；加载到280 s时，梁底的跨中部位出现第1条裂缝（裂缝1），FCR由0迅速增加；随着荷载继续增加，468 s时裂缝2首次出现，此时荷载由20 kN迅速下降了30%，对应FCR也从28%增加到32%；之后随着裂缝2的扩展，监测区段的FCR随时间逐渐增加，但增速逐渐变缓。

对比单裂缝和双裂缝的FCR-时间曲线可以得出结论，出现单裂缝的试件开裂后的FCR-时间曲线整体上呈现出1条平滑的曲线；一旦出现2条及以上的裂缝后，新裂缝的出现会引起FCR增加速率的变化，在FCR-时间曲线上表示为一个相对明显的斜率突变点。这一特征说明可以通过模块的FCR-时间曲线识别混凝土梁受荷后多裂缝的形成。

2.3 双区段裂缝区域定位

基于单区段裂缝监测的结果，研究尝试将同一监测区域划分为双区段进行裂缝监测，为连续多区段监测及裂缝区段定位的可行性研究奠定基础。图7为梁双区段监测的示意图，三个内部电极把监测区域划分成两个区段，分别对其进行电压测量，并通过比较两个区段电信号的差异，实现裂缝位置的判断。

图8为SF60试件的破坏形态，试件包含5个电极，为双区段监测试件。由图8可见，裂缝出现在区段1，而区段2没有裂缝。图9和图10分别为此SF60试件的荷载-COD-FCR和荷载-时间-FCR曲线。其中FCR1曲线和FCR2曲线分别对应图8中混凝土梁的监测区段1和区段2。

由图9的荷载-COD-FCR曲线可知，混凝土梁未发生开裂时，FCR1和FCR2都在0附近。开裂后FCR1随着裂缝扩展显著增加，而FCR2先小幅减小(10%)，当COD达到0.65 mm后，FCR2基本保持不变，两个区段的FCR之间差距逐渐拉大。最终COD达到4 mm时，FCR1达到62%，而FCR2降低了10%。

由图10的荷载-时间-FCR曲线可见，开裂前两个区段的电阻信号非常接近，FCR保持在0附近。540 s左右试件开裂后，开裂区段的FCR1迅速增大，且增大的速率逐渐降低，趋势和单区段梁的曲线相近。而未开裂区段的FCR2在开裂后的60 s内下降了10%，之后基本保持不变。在混凝土梁开裂前后，FCR-时间曲线可清晰地呈现出开裂与未开裂区段信号上的差别，体现通过连续多区段混凝土梁电阻的监测能够完成对裂缝的区段定位。

3 结论

通过四点弯曲试验和电阻测量同步测试，对智能混凝土梁监测区段的FCR随COD或时间变化的规律进行研究。通过力-电耦合信号的对比分析，得出以下结论：

1) 智能混凝土梁在弯曲荷载作用下，开裂前FCR变化很小；开裂后，FCR随COD增加而剧烈增加，同时FCR-COD曲线的斜率逐渐减小，COD为2 mm时，所有试件监测区段的FCR均超过40%。

2) 当智能混凝土梁监测区段内出现多条裂缝时，新裂缝出现时FCR-时间曲线上会产生较为明显的斜率突变点，这一特征表明电阻测量能够对多裂缝的出现及发展起到监测作用。

3) 双区段监测梁在开裂前，各区段的FCR在0点附近波动，而开裂后，带裂缝区段的FCR随COD增大出现明显增加（COD为4 mm时，FCR超过60%），而未开裂的区段电阻变化较小（10%以内），利用该特征可实现混凝土裂缝的区段定位。

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基金资助

浙江省自然科学基金项目(LQ 22E080024)

国家级大学生创新训练项目(202313022047)

国家级大学生创新训练项目(202413022048)