复合碳纤维混凝土的结构安全监测方法

发表于2006-08-09     1224人浏览     4人跟帖     总热度:10  

复合碳纤维混凝土的结构安全监测方法
1前言
  结构的安全性一直是工程技术领导关心的重要问题之一。尤其是大型和重要的基础设施,一旦发生安全事故,其损失巨大。虽然,通过合理的设计可以避免在结构使用过程中出现断裂和破坏等工程事故,但是,许多结构往往处于复杂的服役环境条件下,出现一些在设计中未能完全考虑的极端情况,因此,有必要采用合理的安全监测措施。长期以来,混凝土作为一类重要的建筑材料在这些基础设施的建设中扮演着重要的角色。
  为了掌握灾类结构在服役过程中的性能和安全状况,需要应用某些监测技术进行必要的监测,其中用得最为广泛的是电测方法。虽然电测技术已经相当成熟,但它的应变传感装置维护比较麻烦,其测试信号也容易受到环境电磁干拢的影响。除了传统的电测方法外,近年来已先后提出并应用了更为先进的光纤传感系统埋植技术和碳纤维智能混凝土技术,实现混凝土结构的自监测和损伤自诊断。
  对光纤混凝土结构而言,因受力和温度变化产生变形或裂缝时,就会引起埋置其中的光纤变形,异致通过光纤内的光在光强、相位、波长或偏振方面发生变化。通过它就可获取光变化的信息,确定出结构的应力、变形或裂缝,实现结构应力、变形和裂缝的自监测和自诊断。而一种新的方法,即碳纤维智能混凝土仅依靠自身独特的特性就能对结构的应力和变形实现自我感知,具有更为突出的技术优势。此外,它的成本比较低廉,施工工艺简单,易于现场操作。
  碳纤维在建筑中的应用始于20世纪70年代。经是一种高强度、高模量轻质非金属新型材料,既具有元素碳的各种优良性能,又具有纤维般的柔韧性,可进行编织加工和缠绕成型。碳纤维还具有良好的耐磨性、导电性、低温性、润滑性和吸附性。碳纤维混凝土(CFRC,Carbon Fiber Reinforced Cement)是以短切或连续的碳纤维为填充料,以水泥浆、砂浆或混凝土为基体复合而成的纤维增强水泥基复合材料。其材料的电阻率与其应变和损伤状态具有一定的对应关系,因此,可以通过测试其电阻率的变化来监测碳纤维混凝土的应变和损伤情况。
  事实上,碳纤维混凝土还具有普通增强性混凝土所不具备的优良机械性能、防水渗透性能、持久的机械强度和尺寸稳定性。用碳纤维取代钢筋,可达到消除钢筋混凝土的氯离子腐蚀和劣化作用,并使建筑构件质量减轻,安装施工方便。
  然而,碳纤维在混凝土中碳纤维的分布情况在大规模施工浇铸中难以得到良好控制,使其无法在工程中得到广泛的应用。考虑到它与混凝土结构良好的相容性能,可以通过复合的方式在结构承载的薄弱部分构建碳纤维混凝土,从而可以在一定程度上解决具体的施工技术难题,还可以实现有针对性的结构安全监测需要。据此,笔者提出了一种利用碳纤维混凝土进行复合的结构安全监测方法。

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2碳纤维混凝土的基本性能
  碳纤维加入混凝土中不仅可以提高其抗裂性、抗渗性,减少收缩变形,还可以明显地改善混凝土的力学性质,从而提高混凝土结构的抗震性和抗疲劳特性。
2.1抗压强度
  对于短切碳纤维混凝土而言,碳纤维砂浆的抗压强度随碳纤维体积的增加而降低。不过,这种降低可以通过加入适当的超细物料、外加剂和改善搅拌工艺等措施得到一定的补偿。
  2.2抗拉强度
  尽管因表面光滑,碳纤维与水泥基体的界面粘结力较弱,碳纤维仍然能够提高混凝土的抗拉强度。有实验表明,对于碳纤维砂浆,当短切纤维体积掺入量在4.5%以下时,根据其水灰比的不同,纤维体积掺入率每增加1%,其抗拉强0.66~2.14MPa。随着碳纤维在混凝土中含量的提高,它的增强效应也相应提高。一般来说,碳纤维增强混凝土比不含碳纤维的普通混凝土的抗拉强度高2~4倍。
  碳纤维的加入在提高碳纤维混凝土的极限抗拉强度的同时,还可以提高碳纤维混凝土的极限拉应变,而且在一定范围内随体积掺量的增加而增加。在某些外加剂的辅助作用下,对于碳纤维体积掺量为3%的碳纤维砂浆,其极限抗拉应变可以达到对应纯砂浆的20~40倍。该项性能将大大改善混凝土结构的抗震性能。
2.3抗弯强度
  随着碳纤维掺入量的增加,混凝土的抗弯强度具有大致呈线性增加的趋势。有研究表明,碳纤维混凝土的压缩韧度指数可比不掺入碳纤维的混凝土提高60%~110%,且随碳纤维掺入量的增加而增加。

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3碳纤维混凝土的压敏特性与自诊断混凝土结构
  由于碳纤维是导电的,因此由碳纤维和碳纤维之间未水化的水泥颗粒、水化产物、缺陷裂纹等阻隔所形成的势垒构成了具有一定电阻的导电网络。不过碳纤维的种类、形状、尺寸、掺量、与水泥浆体的相容性和材料的复合方法等都会影响到这种导电网络的电阻,从而影响到它的导电性。试验表明,碳纤维的掺量存在一个极限值,当碳纤维的掺量超过该极限值时,碳纤维混凝土的导电率急剧增加,达到一定值后,逐渐趋于稳定。纤维长度的增加会使混凝土的电阻率降低,但纤维长度不是材料电导率的主要影响因素。
3.1碳纤维混凝土的压敏特性
  随着压应力的变化,碳纤维混凝土的电阻率也会变化,即碳纤维混凝土的压敏性。通过试验可以建立如图1所示的碳纤维混凝土压应力―电阻率关系曲线。压应力-电阻率关系曲线表明,通过电阻率的变化可以测定碳纤维混凝土所处的安全、损伤和破坏3个工作阶段。
  当压应力较小时,AB段显示电阻率随压应力的增加而减小,这是由于混凝土内原有裂纹在压应力作用下闭合,纤维间的势垒变窄所致。此时,混凝土材料处在正常工作范围。
  在BC段,随着压应力的增大,一方面混凝土中开始产生损伤和新的裂纹,另一方面原有裂纹还在闭合之中,它们处于一种动态平衡。因此,此阶段电阻率基本没有变化,但混凝土材料已开始出现损伤。
  而在CD段,随着压应力的增大,混凝土的损伤和新的裂纹加剧,碳纤维混凝土的电阻率迅速增大。
3.2自诊断碳纤维混凝土结构
  根据碳纤维混凝土压应力电阻率的关系曲线可知,通过电阻率的变化可以测定碳纤维混凝土处于安全、损伤和破坏3个工作阶段的哪一段。通过测试碳纤维混凝土电阻率的变化并与计算机相联,可直接反映其所在结构部分混凝土所处的工作状态,实现结构工作状态的在线监测。当结构内的应力接近损伤区或破坏区时可自动报警。这就是具有自诊断功能的碳纤维压敏混凝土结构,它们可以应用大坝、桥梁及重要的建筑结构。这类结构已在长江三峡工地的围堰上得到应用,并取得较好的效果。

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4与碳纤维混凝土进行复合的结构安全监测
  对于大型结构而言,由于碳纤维直径细小,表面增水造成其无法较好地均匀分散,使得混凝土电阻率波动大,从而难以保证通过压应力与电阻率关系获得实际工程应用。同时,粗骨石子的加入,对碳纤维混凝土的导电性影响较大。碳纤维混凝土压敏规律的研究目前还主要停留在水泥基和砂浆基阶段。此外,碳纤维相对于其他建筑材料而言,它的价格仍偏昂贵。由此可见,要利用碳纤维混凝土的压敏规律进行结构安全监测必须寻找新的技术途径。
4.1普通混凝土与碳纤维混凝土的复合
  碳纤维混凝土与普通混凝土所使用的基体材料都是水泥砂浆,它们的不同之处仅在于骨架材料和增强材料类型上差异。因此,普通混凝土与碳纤维混凝土之间具有良好的亲和性,可以进行复合,形成力学性连接变化的复合结构。
  与碳纤维混凝土进行复合所浇铸的结构可以最大限度地保留原始设计中所采用的技术要求,只在局部采用碳纤维砂浆浇铸。由于碳纤维混凝土具有较好的强度特性,复合部分不仅不会对原结构造成承载能力的破坏,还能在一定程度上改善结构的承载力。结构仅在局部采用碳纤维水泥砂浆,建筑成本增加的幅度不大。这种砂浆的用量较少,在实际施工过程中可以采用比较严格的工艺技术方案,确保碳纤维与水泥基的均匀混合,较好地解决了碳纤维混凝土电阻率分布的不均匀。
  由此可见,普通混凝土与碳纤维混凝土进行分层复合浇铸不仅在技术上可行,同时也具有良好的经济效益。
4.2结构安全监测的基本原理
  在与碳纤维混凝土复合的结构上,承载最为薄弱的敏感部分由碳纤维混凝土构成,而其他部分则为普通混凝土。利用碳纤维混凝土的压敏特性可以比较方便地监测到结构承载薄弱部位的变形情况,从而实现整个结构的安全性监测。
  普通混凝土的电阻率一般在104~107kΩ・mm,既不属于绝缘体,也不属于良导体。与参入一定量碳纤维的混凝土构成的良导体相比,它仍可以近似为绝缘体。此时,可以直接应用结构局部的碳纤维混凝土的导电特性实现电阻率与环境载荷变化关系的测量。对于需要内置钢钢筋作为加强材料的混凝土结构,为了保持钢筋的连续性,它可能要穿过碳纤维混凝土部分。这时,必须对穿越碳纤维混凝土部分的钢筋进行表面绝缘处理,以便通过碳纤维混凝土部分进行监测的电流不会流入钢筋中,保证监测的正确性。
4.3分析及讨论
  通建军碳纤维混凝土与普通混凝土进行复合所建造的结构可以在技术上实现结构安全监测的要求。它既具有普通混凝土结构的基本特征,又赋予了结构的自我监测机制,比较有效地克服了全碳纤维混凝土结构建造所面临的技术问题。虽然这种结构不能实现整体损伤情况的监测,但是它针对结构承载薄弱环节进行监测,不仅提高了监测的效率,也可以较好地保证结构安全监测的需要。相比整体监测而言,这种方法更为科学、适用。
  与碳纤维混凝土复合的结构安全监测方法虽然可以作为有效的技术措施测试结构的服役状态,但是许多技术细节仍需要通过大最的研究予以完善。
  首先,用于监测的碳纤维混凝土部分的尺寸大小会影响到测试信号的变化规律,表现出所谓的尺寸效应,与检测结果的准确性密切相关,因此必须探讨和建立合理的设计规范;
  其次,结构中薄弱部分位置的确定以及它在碳纤维混凝土构筑之间的关系必须通过理论和试验研究予以解决;
  碳纤维混凝土在服役过程中的电阻率处于不断衰变的状态,如何降低其衰变率将具有重要的价值,这个问题的解决也可以保证结构服役状态长期监测的需要;
  此外,相关的施工技术也是实际应用中需要解决的基本问题。

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5结论
  (1)碳纤维混凝土具有随压应力变化其电阻率随之变化的压敏性。应用碳纤维混凝土的压应力-电阻率关系曲线,通过电阻率的变化可以测定碳纤维混凝土所处的安全、损伤和破坏3个工作阶段。
  (2)笔者提出了一个利用碳纤维混凝土与普通混凝土进行复合的浇铸形成复合结构,实现结构安全监测的方法。
  将碳纤维混凝土浇铸在结构承载的薄弱部分,利用其压敏特性对该部分的服役状态进行跟踪,可以较好地保证结构安全监测的需要。
  (3)复合碳纤维混凝土结构既具有普通混凝土结构的基本特征,又赋予结构的自我监测机制,比较有效地克服了全碳纤维混凝土结构建造所面临的技术问题。
  (4)碳纤维混凝土性能的衰变以及被复合部分的尺寸效应等问题还有待进一步的研究。

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zhang111111

河北 朔州 | 建筑施工

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