高性能纤维在智能混凝土中的应用研究

来源:用户上传      作者: 张丽 邱冠雄

　　本文介绍了碳纤维、光导纤维、空心玻璃纤维等高性能纤维的特性，概述了高性能纤维在智能混凝土中的应用，包括损伤自诊断、温度调控、交通导航、内部裂缝检测、混凝土自我修复等。这些新型高性能纤维材料的引入，为建筑材料的发展注入了新的内容和活力。
　　The character of some high-performance fibers including carbon fiber, optical fiber, hollow glass fiber were introduced in this article, as well as their application in smart concrete, such as self-detecting of damage, temperature regulation, transportation navigation, internal fissure examination, self-repairing etc. With the application of these new high performance materials, the development of building materials become more active.
　　
　　自20世纪80年代中期智能材料的概念提出后，科研人员就将其引入建筑材料的加工中，于是就有了智能混凝土的诞生，其主要是指通过在水泥基中加入不同类型的纤维以使混凝土具有智能化功能。
　　
　　1 碳纤维智能混凝土
　　碳纤维具有高强、高弹性模量、质轻、耐高温、耐腐蚀和导电、导热性能好等特点，在水泥基材中掺入适量碳纤维不仅可以显著提高强度和韧性，而且可以显著改善其物理性能，尤其是电学性能。
　　1.1 导电性分析
　　由于碳纤维导电，因而由碳纤维之间未水化的水泥颗粒、水化产物、裂纹等形成势垒，构成了一定的导电网络。掺入的碳纤维在混凝土基质中出现相互关联的带电粒子通道，通过电极施加电场时，电子沿通道运动而具有导电性。因此，可将碳纤维混凝土作为传感器并以电信号输出的形式反映自身受力状况和内部的损伤程度。当在水泥净浆中掺加 0.5% 体积的碳纤维时，其作为应变传感器的灵敏度可达 700 mV/V，远高于一般的电阻应变片。基于这一特性，可开发碳纤维混凝土的智能化功能。
　　1.2 碳纤维混凝土的智能化
　　1.2.1 损伤自诊断
　　在疲劳试验中发现，在拉伸或压缩状态下，碳纤维混凝土材料的体积电导率会随疲劳次数发生不可逆的降低，可应用这一现象对混凝土材料的疲劳损伤进行监测。在碳纤维混凝土中，碳纤维在混凝土中的分散并不完全相互独立。按渗流理论，分散相在分散体系中的浓度达到临界点时，相互接触的分散相构成了无限渗流集团。即在碳纤维混凝土中，随碳纤维掺量增大，逐渐形成了纤维聚集团簇。团簇内纤维彼此连接，当碳纤维掺量大于临界值时全部团簇形成渗流网络，使导电率急剧上升。根据这一理论，当碳纤维束受力导致纤维丝断裂时其导电性降低，而且其导电性降低的程度与断裂的碳纤维的数量成正比，即与受力大小成正比，因而可以用埋入碳纤维的电阻变化，来监测混凝土及相关结构部件的受力情况和形变情况。在具体应用时，可以将碳纤维增强树脂做成棒材，在加载作用下形变量增加导致材料电阻值增加，当电阻值急剧增加时，说明材料所受的应力已接近其临界状态，进一步加载会导致灾难性破坏，因此这种材料能够预测混凝土结构材料的寿命。
　　利用碳纤维复合材料做智能结构诊断，可用于：①防盗保护。将树脂、碳纤维与玻璃纤维粘接成棒状，并交叉成网状，外面覆盖混凝土，做成银行的防盗保护墙体。强盗从任何一个地方钻孔打洞，都会引起墙体的电学信号值的急剧变化，从而发出警报。②安全监测。将这种敏感碳纤维复合材料连接到高层建筑物的钢筋混凝土结构上，可以监测高层建筑物的倾斜度、各个部位的形变量以及受力过大的部位。日本建造的 66 层综合写字楼中已使用这种碳纤维敏感材料，可以随时掌握高层大楼内各个部位的受力情况，以提高大楼的使用安全性。
　　1.2.2 温度监控与调节
　　碳纤维混凝土具有温敏性，即温度变化会引起电阻变化及碳纤维混凝土内部的温度差会产生电位差的热电效应。研究表明，其在最高温度为 70 ℃、最大温差为 15 ℃的范围内，温差电动势E与温差△t之间具有良好稳定的线性关系；当水泥浆中每克水泥掺入 10 mg碳纤维时，其温差电动势极大值为 18 µV/℃，灵敏性较高。利用这一特性，可实现对建筑物内部和周围环境温度变化的实时测量，也可实现对大体积混凝土的温度自监控以及用于热敏元件和火警报警器等，可望用于有温控和火灾预警要求的智能混凝土结构中。
　　碳纤维在通电时能够发热，在含有碳纤维复合棒材或者短切碳纤维的混凝土中通电后，可使墙体表面的温度提高 5 ～ 20 ℃。因此，可用埋入的碳纤维复合棒材加热墙体以提高室温，将其用于地下防空洞墙体或者图书资料馆的墙体，若所使用电压低于 10 V，对人体不会造成安全危害；还可应用这一技术对混凝土路面、桥面和机场跑道等结构进行融雪化冰等，基于碳纤维混凝土的道路及桥梁路面的自适应融雪和融冰系统的智能混凝土研究已在欧美等国家和地区的寒冷地区展开，尽管将短切碳纤维加到混凝土中的额外费用将提高大约 30%，但与粘贴或埋入传感器的做法相比仍然非常便宜。
　　1.2.3 利用反射电磁波来导航
　　使交通系统智能化是交通运输领域的一个发展方向。通过对高速公路上车道两侧的标记进行识别，电脑系统可以确定汽车的行驶线路、速度等参数。如果在混凝土中掺入0.5% 直径为 0.1 µm的碳纤维微丝，则这种混凝土对 1 GHz电磁波的反射强度要比普通混凝土高 10 dB，且其反射强度比透射强度高 29 dB，而普通混凝土反射强度比透射强度低 3 ～ 11 dB。研究表明，碳纤维微丝经臭氧处理后再掺入混凝土中，不但能提高混凝土反射电磁波的能力，而且能提高混凝土的抗拉强度。采用这种混凝土作为车道两侧导航标记，可实现自动化高速公路的导航。由汽车上的电磁波发射器向车道两侧的导航标记发射电磁波，经过反射，由汽车上的电磁波接收器接收，再通过汽车上的电脑系统进行处理，即可判断并控制汽车的行驶线路。采用这种混凝土作导航标记，其成本低，可靠性好，准确度高。另外，利用碳纤维混凝土的压敏特性，还可以将碳纤维混凝土应用在桥梁上，对车辆的载重量实时监测，限制超重车辆的通行；用于高速公路可以实时监测车辆的速度、方向、承载量；与交通信号灯结合，可对车流进行实时智能控制。
　　1.2.4 自动排除混凝土中的碱性物质
　　当混凝土使用一段时间后，其中的碱性物质就会逐渐聚集，并向钢筋表面移动，逐渐腐蚀钢筋，导致水泥开裂。在含有碳纤维棒或者丝的混凝土两端，施加高压直流电，混凝土中的碱性物质会被导电碳纤维吸附，并向负极移动，最终移动到混凝土表面而被清洗干净，从而增加混凝土构件的使用寿命。日本已陆续采用这种方法保护和维护一些国宝级文物建筑和海边的建筑物。
　　1.2.5 监测水泥管道的漏水情况
　　在钢筋混凝土管道的外壁内，平行于管道轴线，等间距地安置碳纤维敏感棒材，当碳纤维周围水分增高时，其导电性会明显增加，因而可以通过监测其电阻值的变化，来监测管道的漏水情况。

　　
　　2 光纤智能混凝土
　　光纤是传播光信息的纤维材料，主要成分以SiO2为主，一般是由折射率高的内芯和折射率较低的包皮涂料拉制而成。光线进入光纤的内芯后，在内芯和涂料界面处发生全反射，光线就在光纤内部传输。在混凝土结构的关键部位埋入光纤传感器或其阵列，可探测混凝土在硬化以及受载过程中内部的应力和应变变化，并对由外力、疲劳等产生的变形、裂纹及扩展等损伤进行实时、在线无损监测，有利于结构的安全监测、维护和整体评价。
　　2.1 光纤传感技术
　　光在光纤的传输过程中易受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等的变化而引起光波量如光强度、相位、频率、偏振态的变化。若能测量出光波量的变化，就可以知道导致光波量变化的温度、压力、磁场等物理量的大小。将光纤埋入混凝土中时，界面之间应具有良好的结合，两个关键问题在于：光纤埋入混凝土中时，不会因为填充物及机械震动而受到损伤；在高碱度水泥糊剂的环境中，必须具有化学耐久性。为此，可采用以下光纤埋入方法：①由金属保护管围绕纤维，在埋入时，先将管子安放到位再将混凝土浇在上面，等浇灌操作完毕，将金属管子缓慢移动，抽出离开内部的纤维，这样可使水泥形成光滑界面；②有两个金属管在光纤两端，光纤可在这两段金属套管中自由移动，金属封装应该采用与混凝土膨胀系数相匹配的材料制成，以使残余温度应力最小；③利用绝缘垫片将无壳纤维固定在钢筋上，而垫片不影响混凝土与纤维之间的结合。
　　2.2 光纤混凝土对于内部裂缝的监测
　　光纤内传输的光存在辐射、吸收和辐射损耗，当光纤的空间状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其中有些导波模变为辐射模，从而引起损耗即微弯损耗。在光纤直线段中以小于临界角的角度传播的光线，可因光纤的弯曲而使它们在纤芯与包层界面处的入射角加大，于是有一部分光便传输到包层中，使光纤中传输的光输出强度减小，即产生微弯损耗，该损耗量可通过采用光功率计直接测量光纤光功率输出。
　　当混凝土受外加荷载或温度影响而产生裂缝时，跨越其间的传感器将局部发生拉伸和剪切变形，从而使光纤在拉伸、剪切、横向挤压和钢丝绳表面凹凸的综合作用下产生微弯，引起该位置OTDR检测信号的衰减，实现传感。通过截面梁三点弯曲试验验证了该种传感器对混凝土裂缝的识别效果。试验结果表明，加载后，随着梁挠度的增加，光强衰减量与梁挠度相关曲线呈较强的上升趋势。说明传感器对拉伸和剪切应变非常敏感。在曲线中有斜率突变处，表明此挠度时混凝土梁产生了微裂纹，且随挠度增加裂纹随之扩展至有新的裂纹生成。此现象说明，该传感器对混凝土结构内部裂缝的产生、扩展识别效果显著。
　　目前，光纤传感器已用于加拿大Beddington Trail双跨公路桥的内部应变状态监测；美国Winooski水电大坝的振动监测；重庆渝长高速公路上的红槽房大桥监测和芜湖长江大桥的长期监测与安全评估等。
　　
　　3 空心玻璃纤维智能混凝土
　　高强空心玻璃纤维强度高、刚度高、密度小，比强度、比刚度与实心玻纤相近，可用于建筑混凝土的自我修复。
　　3.1 自我修复原理
　　模仿生物组织能自动分泌某种物质使受创伤部位得到愈合的机能，通过在混凝土中复合特殊修补组分（如含粘结剂的空心纤维），形成仿生自愈合神经网络系统，在混凝土遭到外力破坏产生裂纹时复合的特殊修补成分就会自动释放并对混凝土产生修补作用。
　　3.2 玻璃纤维智能混凝土的自我修复
　　Carolyn Dry等用空心玻璃纤维存储粘结剂埋入混凝土中，当混凝土结构受外力因素影响时，材料内部因应力改变而产生裂纹，使空心纤维产生破裂，修补液从纤维洞穴流向基质而固化，以修补瞬间产生的微裂纹。但将空心玻璃纤维埋入混凝土基体时，若埋入数量过多将降低混凝土的宏观强度，若数量过少，如何保证空心玻璃纤维恰在混凝土的微裂纹产生处又是一个难题。而且，纤维管与基体的匹配性能、修补剂的粘接质量、裂纹的开裂机制等都会在不同程度上影响修补效果。另外在混凝土浇注过程中，埋入空心玻璃纤维将会增加施工复杂度，影响施工进度。因此，这种修补方式要想取得实际应用仍有许多问题需要解决。与此机理相同的还有空心微胶囊修复技术，但微胶囊混合得较为均匀，使得这种自修补方式具有更高的机敏性和适应能力。微胶囊与基体材料的匹配、微胶囊的掺入比例、修补剂的质量、裂纹的开裂机制等同样会影响到自修复的效果。
　　
　　4 结束语
　　智能混凝土的出现是智能化时代的要求，对于土木基础设施应变的实量监测、损伤的无损评估、及时修复以及减轻台风、地震的冲击等诸多方面有着重大的现实意义。作为建筑材料领域的高新技术，通过引入新型高性能纤维材料，智能纤维混凝土为传统建材的发展注入了新的内容和活力，同时也进一步拓展了新型纤维材料的应用领域。
　　
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