等离子体改性碳纳米管混凝土在桥墩节点处的智能监测

李振东， 孙 敏

（苏州科技大学土木工程学院，江苏苏州 215011）

因具有建造速度快、对周围坏境影响小、成本费用低等优点，装配式桥梁得到广泛推广及应用，其最为重要的部分在于桥墩连接节点［1］.装配式桥梁在服役过程中，长期受到各种外界因素的影响，难免会引起结构破损、结构性能退化等问题，特别是在地震作用下，节点处受力情况更加复杂.若能及时监测节点处的受力变化，提前做出预警，则可避免人员伤亡，减少损失.碳纳米管（CNT）混凝土是在混凝土中掺入CNT 制备而成的一种新型智能混 凝 土 材 料［2］，具 备 良 好 的 力 学 性 能［3‑4］；另 外，CNT 优异的导电性能［5］和压敏性能［6‑7］也为结构监测提供了可能.Ding 等［8］在水泥中分别加入CNT和纳米炭黑（NCB）制备智能传感器，发现环载荷作用下，水泥的压阻均具有较高的稳定性和可重复性.Suchorzewski 等［9］发现添加少量多壁碳纳米管（MWCNT）可以提高混凝土在循环压缩条件下的应力检测能力，使微裂纹监测成为可能.Jiang 等［10］提出了基于应力波能量衰减的裂缝损伤程度评估方法，该方法可用于监测混凝土层合界面裂纹的发生和演化，并能够预测层合界面裂纹的扩展程度.上述研究均证明CNT 能够应用于混凝土材料中并实现对应力、裂纹的监测，但尚未解决CNT 在水泥基材料中分散性差的问题.

对CNT 表面进行等离子体改性处理，得到等离子体改性碳纳米管（P‑CNT）［11］，此方法解决了CNT表面惰性和团聚问题，使其能充分融入混凝土材料中.研究［12］还发现，P‑CNT 混凝土的压敏性能远高于普通混凝土，使得P‑CNT 亦可应用于结构的健康监测.

综上，本文将P‑CNT 混凝土应用于装配式桥墩连接节点处，研究桥墩节点处P‑CNT 混凝土在地震作用下载荷与电阻之间的对应关系，以实现对结构受力状态的智能监测.

1 试件设计及制作

1.1 试件设计

根据实际工程案例，在承插式连接方式的基础上，另外设计2 种新型连接方式，共3 组试件，分别为A 组承插式连接试件、B 组套筒连接试件和C 组钢板连接试件.本试验以加载条件为准，桥墩模型缩尺比例为1∶10，去掉墩帽，调整墩身尺寸.桥墩装配时，需要在墩台内预留槽孔，为确保其连接性能［13］，设计槽孔深度为200 mm.3 组试件的尺寸设计如图1 所示.

图1 各组试件尺寸示意图Fig.1 Size schematic diagram of each group of specimen（size：mm）

试件墩身配筋率遵循与实际工程墩身配筋率一致的设计原则. 由于实际工程采用56 根ϕ32 的HRB400 级钢筋，配筋率为1.39%，试件选配4 根ϕ12的HRB400 钢筋作为纵筋，纵筋和箍筋需要保证弯曲破坏优先发生在墩底位置.经计算，A 组和C 组试件的箍筋采用ϕ8@58 钢筋，B 组试件的箍筋采用ϕ8@54 钢筋，钢筋级别均为HRB400.桥墩墩台配筋按照规范设计要求，需要保证试件在加载过程中，墩台不发生剪切破坏或者不先于墩身破坏.

1.2 试件制作

3 组试件的预制墩身和墩台均采用C50 自密实混凝土进行浇筑，配合比如表1 所示.水泥采用P·O 42.5 普通硅酸盐水泥；粉煤灰采用上海宝钢生产协力公司产Ⅰ级粉煤灰；硅灰采用河南铂润新材料有限公司产高活性微硅粉；砂采用天然河砂；石子采用直径为5~20 mm 的瓜子片；减水剂采用陕西秦奋建材有限公司产Q8081PCA 型减水剂.

表1 C50 自密实混凝土配合比Table 1 Mix proportion of C50 self-compacting concrete kg/m3

制作墩身和墩台的同时，另外浇筑3 个尺寸为150 mm×150 mm×150 mm 的自密实混凝土立方体试件，养护28 d 后进行抗压强度试验，其立方体抗压强度值取3 个试件的平均值，为51.76 MPa.

B 组套筒连接试件由2 种口径的钢管拼接而成，拼接前将钢管预先埋入墩台和墩身中.其中与墩身相连的钢管外径为14 mm，壁厚为2 mm，长为500 mm；与墩台相连的钢管内径为14 mm，壁厚为2 mm，长为320 mm.C 组钢板连接试件由4 块钢板焊接而成，预先安装在墩台内，安装时，直接将墩身插入墩台即可.3 组试件的墩身和墩台养护完成后进行拼装，并用P‑CNT 混凝土作为连接材料灌入槽孔内.

P‑CNT 混凝土制作方法［12］为：首先，通过转毂式低温等离子体处理仪，将CNT 进行等离子体处理，整个过程持续2 min，即可得到P‑CNT；然后，在C50自密实混凝土中掺入0.3%（质量分数）的P‑CNT 得到P‑CNT 混凝土.CNT 材料参数如表2 所示.

表2 CNT 材料参数Table 2 Parameter of CNT materials

图2为P‑CNT 和CNT 在水溶液中的初始分散性.由图2 可见：CNT 在水中的分散性较差，经过振荡后依然悬浮于水面，无法溶于水中；经等离子体处理后的P‑CNT 在水中的分散性优越，经过振荡后可以迅速溶于水中.

图2 P‑CNT 和CNT 初始分散性对比Fig.2 Initial dispersion comparison of P‑CNT and NT

3组试件的制作及拼装均在苏州科技大学江苏省重点结构工程大厅内完成.各组预制试件照片如图3所示.拼装时，首先，对连接部位表面进行凿毛处理；其次，通过槽孔内预留垫块，将墩身调平对中放入墩台；最后，将P‑CNT 混凝土浇筑于槽孔内，同时布置好电极块.

图3 各组预制试件照片Fig.3 Photos of each group of prefabricated specimen

2 试验方案

影响P‑CNT 混凝土电阻值的因素包括电阻测试方法和电极选取方法［14］.常见的混凝土电阻测试方法有二电极法和四电极法.相较于四电极法，二电极法的电极制作及测试过程更加简捷方便，因此本研究采用二电极法来进行测试.由于试件连接节点处空间较小，测试用电极采用埋入式铜棒电极.为确保铜棒电极在浇筑过程中能够更好的固定，先制作铜棒电极块（见图4（a）），再将其整体埋入连接节点内（见图4（b））.

图4 电极块和试件照片Fig.4 Photos of copper rod electrode block and specimen

图5为连接节点处记号标注.为方便观察试验现象及测点布置，以加载方向为准，在图5 标记对应位置布置铜棒电极并在混凝土表面粘贴应变片.加载测试前，先将铜棒电极连接到34401A 数字万用表上，通电45 min 消除极化现象［15］，待试件电阻稳定后对试件进行加载和数据采集.

图5 连接节点处记号标注Fig.5 Marking at connected nodes

本次试验采用平行四连杆加载装置，先将试件固定在加载架上，再安装电阻测试仪器.试件加载装置和测试方法示意图见图6.

图6 试件加载装置和测试方法示意图Fig.6 Diagram of loading device and testing method

在低周往复作用下，进行装配式桥墩连接节点处P‑CNT 混凝土压敏性能测试时，竖向荷载（N）采用的轴压比［16］为0.25，其计算表达式为：

式中：ηk为轴压比；A为墩身的横截面面积；fc为混凝土的轴心抗压强度，由经验公式fc=0.76fcu、fcu=51.76 MPa 可得，fc=39.34 MPa.

根据式（1）计算得到，施加给试件的竖向荷载N=51.76 kN.墩顶水平荷载采用位移加载方式，分3 级逐步加载：第1 级为2、4、6 mm，80 s 完成1 次循环，每个循环进行4 次；第2 级为8、10、15 mm，160 s 完成1次循环，每个循环进行4 次；第3 级为20、25、30 mm，240 s 完成1 次循环，每个循环进行2 次；此后每次增加5 mm，直至试件破坏.

3 试验结果与数据分析

3.1 节点处P-CNT 混凝土的压力-电阻变化规律

选取各组连接节点处1#、2#位置且未出现裂缝处，测量连接节点处破坏时的电阻值，其变化曲线见图7（实线为电阻值与时间关系，虚线为荷载与时间关系）.由图7可以看出：由于受铜棒电极间距、电极块埋入位置等影响，各测试位置受力情况有所不同，导致各测试位置测得的电阻值及电阻变化有差异，但各测试位置的电阻总体上随轴向压力呈现波浪形变化，电阻值随着荷载的增加而下降，随着荷载的减小而上升；A 组试件1#位置电阻曲线呈上升趋势，可能是由于该位置内部出现了微裂缝［17］，而其余各处的电阻曲线总体呈现下降趋势，这是由于随着峰值位移不断变大，电极块受到的轴向压力不断变大所致［18］；3组试件中C组试件的电阻变化幅度约4.000 kΩ，A、B 组试件的电阻变化幅度分别约2.250、1.250 kΩ，说明在承载能力范围内，3组试件连接节点处的P‑CNT 混凝土电阻变化幅度随着轴向压力的增大而增大，均表现处良好的压敏性能.

图7 各组节点处监测数据Fig.7 Monitoring data at nodes of each group

3.2 P-CNT 混凝土对结构破坏的监测

图8为各组试件部分测点出现裂缝时的电阻变化曲线.由图8 可见：加载后期，各组试件测试位置电极块处均出现裂缝或混凝土分离，所对应的电阻值均有突增现象——A 组试件6#位置裂缝出现时，电阻值从75. 897 kΩ 增加到230. 829 kΩ，增加了204%；B 组试件1#位置裂缝出现时，电阻值从75. 102 kΩ 增加到106. 393 kΩ，增加了41.7%；C 组试件2#位置裂缝出现时，电阻值从129. 526 kΩ 突增到9.900×1034kΩ，说明该位置的混凝土已经分离，铜棒电极周围混凝土已经开裂（图8（c））.3 组试件承载能力由大到小依次为C 组>A 组>B 组，出现裂缝或破坏时对应的电阻值变化率由大到小依次为C 组>A 组>B 组.

图8 节点破坏时各组电阻变化及实例照片Fig.8 Resistance change and example photo of each group specimen during node failure

4 结论

（1）在低周往复作用下，3 组试件连接节点处P‑CNT 混凝土的电阻值均随着荷载的增加而下降，随着荷载的减小而上升，电阻值与荷载一一对应，表现出较稳定的压敏性能，能够反映节点处的受力变化情况.

（2）当节点处出现裂缝或者混凝土分离现象时，P‑CNT 混凝土电阻值呈现突增状态，且电阻突增变化率随着荷载的增大而增大，能够及时起到预警和监控作用.