树脂基碳纤维智能层电测混凝土表面裂缝宽度

邓友生^{1, 2}，田青芸¹

(1. 湖北工业大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉，430068；

2. 湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410082)

摘要：针对国内现行建筑和路桥规范对混凝土结构表面裂缝宽度的控制要求，根据碳纤维智能层的力电传感特性，采用单调三点弯拉静力加载制度，以试件梁的挠度进行加载控制，对带有预制裂缝的混凝土梁试件表面裂缝宽度变化进行检测试验。研究结果表明：树脂基碳纤维智能层传感器可感知混凝土梁裂缝宽度的变化；随着荷载的增大，裂缝宽度增大，碳纤维智能层的电阻也发生相应变化，而在混凝土裂缝宽度0~1.0 mm时，碳纤维智能层的电阻随裂缝宽度的增大呈线性增大趋势；树脂基碳纤维智能层对裂缝宽度变化的敏感性存在差异，但是，混凝土表面裂缝宽度在0~0.5 mm之间变化时，碳纤维智能层的电阻在2~4 Ω之间变化，其离散性不大，且线性关系好，可满足国内现行规范允许混凝土表面无害裂缝宽度0~0.3 mm的检测要求。

关键词：树脂基碳纤维智能层；混凝土表面；裂缝宽度；电测

中图分类号：U443.15⁺4          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)07-2120-06

Concrete surface crack breadth measured by electric method through polymer based carbon fiber smart layer

DENG You-sheng^{1, 2}, TIAN Qing-yun¹

(1. School of Civil Engineering & Architecture, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China;

2. School of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

Abstract: In order to meet the need of current codes used for buildings and highway bridges in China to control crack breadth of concrete structure surface，according to electromechanical sensibility of carbon fiber smart layer，tests were applied to determine surface crack breadth of test beam with precast crack. Monotonic three-point bending method was presented for loading through controlling deflection of test beam. The experimental results indicate that polymer based carbon fiber smart layer can sense the change of surface crack breadth which increases with the increase of loading, and electrical resistance of carbon fiber smart layer linearly increases with the increase of surface crack breadth which varies from 0 to 1.0 mm. Polymer based carbon fiber smart layers have different sensitivities for crack breadth. When surface crack breadth varies from 0 to 0.5 mm the electrical resistance is 2-4 Ω, which is greatly linear with crack breadth. It can be utilized to detect concrete surface harmless crack width from 0 to 0.3 mm by current codes used in China through which dispersion of electrical resistance of polymer based carbon fiber smart layer within this period is little.

Key words: polymer based carbon fiber smart layer; concrete surface; crack breadth; electrical measurement

混凝土结构表面裂缝宽度不仅影响工程结构的外观，而且影响结构的耐久性。测定混凝土裂缝宽度是诊断工程结构劣化和损伤的主要内容，也是判断结构是否需要修补、加固的重要依据。日本《混凝土裂缝调查、修补、加固指南》中规定了需要修补的裂缝宽度^[1]。我国现行《混凝土结构设计规范》(GBJ 10—2002)和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)允许无害裂缝宽度为0~0.3 mm^[2-3]。混凝土表面裂缝宽度的检测方法主要有目测法、摄影检测法、普通传感仪器监测和光纤传感器技术等^[4-7]。目测法就是借助测缝仪或标度卡尺通过肉眼读数来测量裂缝的宽度，位置用简图对应标注^[7]。这种方法用于粗测，精度低。测量时，靠人工读取数据并手工描绘记录裂缝形态和走向，裂缝显微镜需要人工近距离调节焦距并读数和记录，故测量结果人为影响因素较大，缺乏客观性，且效率低，劳动强度大。摄影检测法包括采用普通照相机、录像机、放射线、红外线摄影等进行检测^[1]。近年出现的裂缝宽度测试仪可将放大的裂缝图像显示在显示屏上，再人工读取宽度，这种测试仪避免了人工近距离调节焦距的要求，降低了劳动强度。普通传感仪器监测就是利用埋设在混凝土中的仪器进行裂缝监测，常规技术是利用卡尔逊式或弦式测缝计，其控制范围仅为0.2~1.0 m，属点式检  测^[7]。由于裂缝出现的空间随机性，因此往往漏检。分布式光纤传感技术则提供了一种崭新的测量手段，该项技术利用光纤自身具有集传感和传输于一身的特点，只要裂缝与埋入的光纤光路相交即可被感知。对于具体的工程结构，其缝宽和光路信号衰减成唯一关系，故当光路的衰减量被检测到后，其缝宽及其位置即可从理论上予以确定^[4-6]。分布式光纤传感技术弥补了传统检测手段的不足，但该技术的应用目前尚处于起步研究阶段，需要土木工程、光通讯技术、微电子技术和计算机技术等多方面的耦合。近年来，李卓球等^[7-11]在碳纤维机敏混凝土基础上，研制了一种可以进行应变传感的碳纤维智能层。本文作者利用这种传感器对混凝土梁的表面裂缝宽度进行检测。

1  树脂基碳纤维智能层传感器及其制作

1.1  主要制作材料

实验采用的碳纤维材料为河南省开封鹏远玻璃纤维制品有限公司生产的PAN基碳纤维毡，其主要技术参数如表1所示。树脂基材采用岳阳石油化工总厂岳华有机化工厂生产环氧树脂E-44。

传感器上的电极是将现有普通铜导线拨开，每6股铜丝搓成1条而制成。为了防止电极长期放置在空气中被氧化，需要在电极外面镀上锡，连接导线采用普通多股铜芯线。

表1  碳纤维毡的技术参数

Table 1  Parameters of carbon fiber mat

1.2  制作工艺

首先将碳纤维毡裁剪成5个边长为200 mm的正方形薄片，将第1张薄片放在涂有石蜡的耐高温塑料薄膜上后均匀加注树脂、压实碾平，再铺上第2张薄片又均匀加注树脂、压实碾平，这样直到完成第5张薄片后再将另一张涂有石蜡的耐高温塑料薄膜盖上，然后用5 kg物体均匀压在塑料薄膜上常温固化24 h后，再卸压放入80~100 ℃恒温箱干燥2~4 h^[11]，取出后将其剪切成20块长×宽为100 mm×20 mm的碳纤维毡智能层片，以备贴在20个试件上。按图1所示的尺寸分别将4个电极用导电银胶粘贴于碳纤维毡表面作为电极，然后等待银胶完全固化。采用银胶粘贴电极是因为其能降低自制电极与碳纤维黏结处的接触电阻。在整个制样过程中要防止碳纤维毡被折或被扭。图2所示为碳纤维毡智能层片试样的照片。

图1  碳纤维智能层电极尺寸布置

Fig.1  Positions of electrodes in carbon fiber smart layer

图2  碳纤维智能层传感器照片

Fig.2  Photo of carbon fiber sensor

2  试验原理与系统

2.1  试验原理

由导电材料的电阻R的特性公式为：

R=ρl/A

式中：ρ为电阻率；R为电阻；l为导线长度；A为截面面积。

由上式可知，R随导线长度l 或通电截面面积A的变化而变化。树脂基碳纤维毡智能层传感器紧贴在混凝土试件的下表面，随着试件的弯拉，传感器中的碳纤维丝被拉长而电阻增大。试验采用技术成熟的四电极法来测量碳纤维毡电阻^[12-13]。在图1和图2的A，B，C和D 4个电极中，A和D两端为通电电极，B和C 两端为待测电极。通过A和D两端施加恒定的电流I，由试件的弯拉引起智能层电阻R的变化，随即B和C两端的电压U_BC发生变化，测得U_BC即可由欧姆定律计算得到碳纤维毡智能层B和C之间的电阻R；同时，在预制裂缝处安装引伸计(如图3所示)，引伸计与多通道数据采集仪或静态电阻应变仪连接可测得到裂缝张开的宽度d。通过试件加载使裂缝宽度d与B和C之间的电阻R同时发生变化，即可研究试件表面裂缝宽度d与碳纤维智能层传感器电阻R之间内在联系。

2.2  试验系统

试验的加载系统为Instron5882电子万能材料试验机(如图3所示)，由美国Instron公司制造，其主要技术指标如下：加载范围为±100 kN；精度为0.5 N；25 mm标距内的应变范围为±10%，精度为0.1 με；位移测试精度为10 μm；加载速率为0.001~500 mm/min。

图3  试验系统

Fig.3  Test system

试验时输入碳纤维智能层传感器A和D两极的电源为直流恒定电源，由Keithley 2400可编程数字电源提供；数据采集由Keithley 2700多通道数据采集仪完成。二者均由美国Keithley公司制造。

试验时，一台计算机连接万能材料试验机，控制试验加载和卸载制度；另一台计算机连接多通道数据采集仪，同步接收试验输出数据。

3  试验方法

3.1  引伸计标定

为了定量响应碳纤维智能层传感器对试件表面裂缝宽度变化引起的电阻变化，试验前必须对引伸计进行标定。受环境和时间的影响，从理论上分析，每次试验前都应对其进行标定，引伸计标定结果如图4所示^[6]。

图4  引伸计的张开位移与应变关系

Fig.4  Relationship between strain and open displacement of extensometer

3.2  试验过程

混凝土梁的试件尺寸(长×宽×高)为360 mm× 50 mm×80 mm，配置4根直径为4 mm的通长钢筋，采用普通硅酸盐水泥浇注，在浇注时在梁底面中部插入1片高度为10 mm、与梁等宽的薄膜，以便在试验加载沿薄膜处开裂。

由于树脂基碳纤维智能层传感器的电阻较小，实验采用技术成熟的四电极法来测量碳纤维毡电阻，这样可以消除接触电阻的影响。将1块长×宽为100 mm×20 mm由5层碳纤维毡制成智能层传感器贴在混凝土试件下部预制裂缝中央，在裂缝两侧用502胶水贴好能卡住引伸计刃脚槽沟的刀片。将试件两端水平放置在Instron5882电子万能材料试验机的金属夹具上，试件两端同金属夹头接触的地方用绝缘材料隔开，以防止漏电。试样夹好以后，将引伸计卡在试件裂缝两侧事先贴好的刀片上，引伸计通过多通道数据采集仪或静态电阻应变仪与计算机相连。采用Keithley2400可编程数字电源给试件的A和D电极间通1 mA的直流恒稳电流。采用Keithley2700多通道数据采集仪采集试件B和C端电压。

对于带预制混凝土梁试件的试验，采用单调三点弯曲拉伸加载制度。以试件挠度进行控制，直至碳纤维毡智能层传感器破坏，加载速度为0.1 mm/min。

4  混凝土梁裂缝宽度电测试验结果与分析

4.1  裂缝宽度电测试验结果

图5~10所示为带预制裂缝的试件的试验结果。

图5  4^#混凝土梁试验曲线

Fig.5  Test results of 4^# concrete beam

图6  5^#混凝土梁试验曲线

Fig.6  Test results of 5^# concrete beam

4.2  试验结果分析

从图5~10可知：碳纤维智能层传感器可感知混凝土梁裂缝宽度的变化，随着荷载的增大，裂缝宽度增大，碳纤维智能层的电阻也随着增大；且在混凝土裂缝宽度0~1.0 mm时碳纤维智能层的电阻随裂缝宽度的增大基本呈现线性增大变化趋势。

从图5(b)、图6(b)、图7(c)、图8(c)、图9(c)和图10(c)可见，当混凝土裂缝宽度为0~0.5 mm时，碳纤维智能层的电阻为2~4 Ω。碳纤维智能层的电阻与混凝土裂缝宽度在这一区段呈线性关系，可满足国内现行《混凝土结构设计规范》(GBJ 10—2002)和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)允许无害裂缝宽度0~0.3 mm的检测要求。

从图5~9还发现：碳纤维智能层的电阻随着裂缝宽度加大而增大，但是其增大速度不一致，即对裂缝宽度变化的敏感程度存在个体差异。这是由于碳纤维智能层由5层碳纤维毡通过树脂黏叠而成，每层碳纤维毡的碳纤维含量在工厂生成时不可能保证绝对相等，总存在一些微量差异。故在碳纤维智能层在研制成传感器件时应进行个体标定。

图7  6^#混凝土梁试验曲线

Fig.7  Test results of 6^# concrete beam

图8  7^#混凝土梁试验曲线

Fig.8  Test results of 7^# concrete beam

图9  8^#混凝土梁试验曲线

Fig.9  Test results of 8^# concrete beam

图10  9^#混凝土梁试验曲线

Fig.10  Test results of 9^# concrete beam

5  结论

(1) 树脂基碳纤维智能层粘贴在混凝土结构表面上可以感知其表面裂缝宽度的变化；在混凝土裂缝宽度在0~1.0 mm变化时，碳纤维智能层的电阻随裂缝宽度的增大呈线性增大。

(2) 树脂基碳纤维智能层电阻变化的灵敏性存在个体差异，但是在混凝土表面裂缝宽度0~0.5 mm变化时，碳纤维智能层的电阻为2~4 Ω，其离散性不大。故树脂基碳纤维智能层可用来检测混凝土结构表面裂缝宽度，可满足国内现行公路桥梁结构和房屋建筑结构设计规范允许无害混凝土表面裂缝宽度0~0.3 mm的检测要求。

参考文献：

[1] 王伟, 何小元, 杨福俊, 等. 基于数字光测的表面裂缝宽度图像分析法[J]. 测控技术, 2006, 25(7): 23-26.
WANG Wei, HE Xiao-yuan, YANG Fu-jun, et al. Image analysis method on surface cracking width based on digital optical test[J]. Measurement & Control Technology, 2006, 25(7): 23-26.

[2] JTG D62—2004. 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
JTG D62—2004. Code for design of highway reinforced concrete and pre-stressed concrete bridge and culverts[S].

[3] GB 50010—2002. 混凝土结构设计规范[S].
GB 50010—2002. Code for design of concrete structures[S].

[4] Kim K S, Kang K S, Kang Y J, et al. Analysis of an internal crack of pressure pipeline using ESPI and stereography[J]. Optics & Laser Technology, 2003, 35(8): 639-643.

[5] 丁睿, 刘浩吾. 分布式光纤传感技术在裂缝检测中的应用[J]. 西南交通大学学报, 2003, 38(6): 651-654.
DING Rui, LIU Hao-wu. Application of distributed optical fiber sensing technique to detection of cracks in concrete[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2003, 38(6): 651-654.

[6] 邓友生. 基于静力试验信息的桥梁结构损伤识别与评估[R]. 武汉: 武汉理工大学土木工程与建筑学院, 2008: 40-66.
DENG You-sheng. Damage identification and evaluation of bridge structure based on static experimental information[R]. Wuhan: Wuhan University of Technology. School of Civil Engineering and Architecture, 2008: 40-66.

[7] 李卓球, 邓友生, 方玺. 碳纤维智能层的特性及其场域诊断[J]. 公路, 2007(12): 155-159.
LI Zhuo-qiu, DENG You-sheng, FANG Xi. Carbon fiber intelligent layers and diagnoses of its sensitive field[J]. Highway, 2007(12): 155-159.

[8] 张小玉, 李卓球, 宋显辉. 碳纤维智能层的传感功能特性研究[J]. 华中科技大学学报: 城市科学版, 2008, 25(2): 36-38.
ZHANG Xiao-yu, LI Zhuo-qiu, SONG Xian-hui. Sensor function characteristic research of carbon fiber smart layer[J]. Journal of Huazhong University of Science & Technology: Urban Science Edition, 2008, 25(2): 36-38.

[9] 刘冬, 李卓球, 宋显辉, 等. 树脂基碳纤维复合材料应变传感稳定性研究[J]. 武汉理工大学学报, 2008, 30(12): 8-10.
LIU Dong, LI Zhuo-qiu, SONG Xian-hui, et al. Research on the strain-sensing stability of polymer based carbon fiber composite[J].Journal of Wuhan University of Technology, 2008, 30(12): 8-10.

[10] 宋显辉, 刘冬, 吕泳, 等. 碳纤维树脂基复合材料的传感特性研究[J]. 工程塑料应用, 2007, 35(2): 48-51.
SONG Xian-hui, LIU Dong, L? Yong, et al. Research on sensing properties of polymer based carbon fiber composites[J]. Engineering Plastics Application, 2007, 35(2): 48-51.

[11] WEN Si-hai, Chung D D L. Spatially resolved self-sensing of strain and damage in carbon fiber cement[J]. Journal of Materials Science, 2006, 41(15): 4823-4831.

[12] WANG Shou-kai, Chung D D L. Self-sensing of damage in carbon fiber polymer-matrix composite by measurement of the electrical resistance or potential away from the damaged region[J]. Journal of Materials Science, 2005, 40: 6463-6472.

[13] Yao W, Chen B, Wu K. Smart behavior of carbon fiber reinforced cement-based composite[J]. Journal of Material Science Technology, 2003, 19(3): 239-242.

(编辑 赵俊)

收稿日期：2010-12-27；修回日期：2011-04-19

基金项目：国家自然科学基金资助项目(10672128)

通信作者：邓友生(1969-)，男，湖南桂阳人，博士，教授，从事桩基础及智能结构研究；电话：027-88032322；E-mail: dengys2009@126.com