李振東， 孫 敏

（蘇州科技大學土木工程學院，江蘇蘇州 215011）

因具有建造速度快、對周圍壞境影響小、成本費用低等優(yōu)點，裝配式橋梁得到廣泛推廣及應用，其最為重要的部分在于橋墩連接節(jié)點［1］.裝配式橋梁在服役過程中，長期受到各種外界因素的影響，難免會引起結(jié)構(gòu)破損、結(jié)構(gòu)性能退化等問題，特別是在地震作用下，節(jié)點處受力情況更加復雜.若能及時監(jiān)測節(jié)點處的受力變化，提前做出預警，則可避免人員傷亡，減少損失.碳納米管（CNT）混凝土是在混凝土中摻入CNT 制備而成的一種新型智能混 凝 土 材 料［2］，具 備 良 好 的 力 學 性 能［3?4］；另 外，CNT 優(yōu)異的導電性能［5］和壓敏性能［6?7］也為結(jié)構(gòu)監(jiān)測提供了可能.Ding 等［8］在水泥中分別加入CNT和納米炭黑（NCB）制備智能傳感器，發(fā)現(xiàn)環(huán)載荷作用下，水泥的壓阻均具有較高的穩(wěn)定性和可重復性.Suchorzewski 等［9］發(fā)現(xiàn)添加少量多壁碳納米管（MWCNT）可以提高混凝土在循環(huán)壓縮條件下的應力檢測能力，使微裂紋監(jiān)測成為可能.Jiang 等［10］提出了基于應力波能量衰減的裂縫損傷程度評估方法，該方法可用于監(jiān)測混凝土層合界面裂紋的發(fā)生和演化，并能夠預測層合界面裂紋的擴展程度.上述研究均證明CNT 能夠應用于混凝土材料中并實現(xiàn)對應力、裂紋的監(jiān)測，但尚未解決CNT 在水泥基材料中分散性差的問題.

對CNT 表面進行等離子體改性處理，得到等離子體改性碳納米管（P?CNT）［11］，此方法解決了CNT表面惰性和團聚問題，使其能充分融入混凝土材料中.研究［12］還發(fā)現(xiàn)，P?CNT 混凝土的壓敏性能遠高于普通混凝土，使得P?CNT 亦可應用于結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測.

綜上，本文將P?CNT 混凝土應用于裝配式橋墩連接節(jié)點處，研究橋墩節(jié)點處P?CNT 混凝土在地震作用下載荷與電阻之間的對應關(guān)系，以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的智能監(jiān)測.

1 試件設計及制作

1.1 試件設計

根據(jù)實際工程案例，在承插式連接方式的基礎上，另外設計2 種新型連接方式，共3 組試件，分別為A 組承插式連接試件、B 組套筒連接試件和C 組鋼板連接試件.本試驗以加載條件為準，橋墩模型縮尺比例為1∶10，去掉墩帽，調(diào)整墩身尺寸.橋墩裝配時，需要在墩臺內(nèi)預留槽孔，為確保其連接性能［13］，設計槽孔深度為200 mm.3 組試件的尺寸設計如圖1 所示.

圖1 各組試件尺寸示意圖Fig.1 Size schematic diagram of each group of specimen（size：mm）

試件墩身配筋率遵循與實際工程墩身配筋率一致的設計原則. 由于實際工程采用56 根?32 的HRB400 級鋼筋，配筋率為1.39%，試件選配4 根?12的HRB400 鋼筋作為縱筋，縱筋和箍筋需要保證彎曲破壞優(yōu)先發(fā)生在墩底位置.經(jīng)計算，A 組和C 組試件的箍筋采用?8@58 鋼筋，B 組試件的箍筋采用?8@54 鋼筋，鋼筋級別均為HRB400.橋墩墩臺配筋按照規(guī)范設計要求，需要保證試件在加載過程中，墩臺不發(fā)生剪切破壞或者不先于墩身破壞.

1.2 試件制作

3 組試件的預制墩身和墩臺均采用C50 自密實混凝土進行澆筑，配合比如表1 所示.水泥采用P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥；粉煤灰采用上海寶鋼生產(chǎn)協(xié)力公司產(chǎn)Ⅰ級粉煤灰；硅灰采用河南鉑潤新材料有限公司產(chǎn)高活性微硅粉；砂采用天然河砂；石子采用直徑為5~20 mm 的瓜子片；減水劑采用陜西秦奮建材有限公司產(chǎn)Q8081PCA 型減水劑.

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

制作墩身和墩臺的同時，另外澆筑3 個尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 的自密實混凝土立方體試件，養(yǎng)護28 d 后進行抗壓強度試驗，其立方體抗壓強度值取3 個試件的平均值，為51.76 MPa.

B 組套筒連接試件由2 種口徑的鋼管拼接而成，拼接前將鋼管預先埋入墩臺和墩身中.其中與墩身相連的鋼管外徑為14 mm，壁厚為2 mm，長為500 mm；與墩臺相連的鋼管內(nèi)徑為14 mm，壁厚為2 mm，長為320 mm.C 組鋼板連接試件由4 塊鋼板焊接而成，預先安裝在墩臺內(nèi)，安裝時，直接將墩身插入墩臺即可.3 組試件的墩身和墩臺養(yǎng)護完成后進行拼裝，并用P?CNT 混凝土作為連接材料灌入槽孔內(nèi).

P?CNT 混凝土制作方法［12］為：首先，通過轉(zhuǎn)轂式低溫等離子體處理儀，將CNT 進行等離子體處理，整個過程持續(xù)2 min，即可得到P?CNT；然后，在C50自密實混凝土中摻入0.3%（質(zhì)量分數(shù)）的P?CNT 得到P?CNT 混凝土.CNT 材料參數(shù)如表2 所示.

表2 CNT 材料參數(shù)Table 2 Parameter of CNT materials

圖2為P?CNT 和CNT 在水溶液中的初始分散性.由圖2 可見：CNT 在水中的分散性較差，經(jīng)過振蕩后依然懸浮于水面，無法溶于水中；經(jīng)等離子體處理后的P?CNT 在水中的分散性優(yōu)越，經(jīng)過振蕩后可以迅速溶于水中.

圖2 P?CNT 和CNT 初始分散性對比Fig.2 Initial dispersion comparison of P?CNT and NT

3組試件的制作及拼裝均在蘇州科技大學江蘇省重點結(jié)構(gòu)工程大廳內(nèi)完成.各組預制試件照片如圖3所示.拼裝時，首先，對連接部位表面進行鑿毛處理；其次，通過槽孔內(nèi)預留墊塊，將墩身調(diào)平對中放入墩臺；最后，將P?CNT 混凝土澆筑于槽孔內(nèi)，同時布置好電極塊.

圖3 各組預制試件照片F(xiàn)ig.3 Photos of each group of prefabricated specimen

2 試驗方案

影響P?CNT 混凝土電阻值的因素包括電阻測試方法和電極選取方法［14］.常見的混凝土電阻測試方法有二電極法和四電極法.相較于四電極法，二電極法的電極制作及測試過程更加簡捷方便，因此本研究采用二電極法來進行測試.由于試件連接節(jié)點處空間較小，測試用電極采用埋入式銅棒電極.為確保銅棒電極在澆筑過程中能夠更好的固定，先制作銅棒電極塊（見圖4（a）），再將其整體埋入連接節(jié)點內(nèi)（見圖4（b））.

圖4 電極塊和試件照片F(xiàn)ig.4 Photos of copper rod electrode block and specimen

圖5為連接節(jié)點處記號標注.為方便觀察試驗現(xiàn)象及測點布置，以加載方向為準，在圖5 標記對應位置布置銅棒電極并在混凝土表面粘貼應變片.加載測試前，先將銅棒電極連接到34401A 數(shù)字萬用表上，通電45 min 消除極化現(xiàn)象［15］，待試件電阻穩(wěn)定后對試件進行加載和數(shù)據(jù)采集.

圖5 連接節(jié)點處記號標注Fig.5 Marking at connected nodes

本次試驗采用平行四連桿加載裝置，先將試件固定在加載架上，再安裝電阻測試儀器.試件加載裝置和測試方法示意圖見圖6.

圖6 試件加載裝置和測試方法示意圖Fig.6 Diagram of loading device and testing method

在低周往復作用下，進行裝配式橋墩連接節(jié)點處P?CNT 混凝土壓敏性能測試時，豎向荷載（N）采用的軸壓比［16］為0.25，其計算表達式為：

式中：ηk為軸壓比；A為墩身的橫截面面積；fc為混凝土的軸心抗壓強度，由經(jīng)驗公式fc=0.76fcu、fcu=51.76 MPa 可得，fc=39.34 MPa.

根據(jù)式（1）計算得到，施加給試件的豎向荷載N=51.76 kN.墩頂水平荷載采用位移加載方式，分3 級逐步加載：第1 級為2、4、6 mm，80 s 完成1 次循環(huán)，每個循環(huán)進行4 次；第2 級為8、10、15 mm，160 s 完成1次循環(huán)，每個循環(huán)進行4 次；第3 級為20、25、30 mm，240 s 完成1 次循環(huán)，每個循環(huán)進行2 次；此后每次增加5 mm，直至試件破壞.

3 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 節(jié)點處P-CNT 混凝土的壓力-電阻變化規(guī)律

選取各組連接節(jié)點處1#、2#位置且未出現(xiàn)裂縫處，測量連接節(jié)點處破壞時的電阻值，其變化曲線見圖7（實線為電阻值與時間關(guān)系，虛線為荷載與時間關(guān)系）.由圖7可以看出：由于受銅棒電極間距、電極塊埋入位置等影響，各測試位置受力情況有所不同，導致各測試位置測得的電阻值及電阻變化有差異，但各測試位置的電阻總體上隨軸向壓力呈現(xiàn)波浪形變化，電阻值隨著荷載的增加而下降，隨著荷載的減小而上升；A 組試件1#位置電阻曲線呈上升趨勢，可能是由于該位置內(nèi)部出現(xiàn)了微裂縫［17］，而其余各處的電阻曲線總體呈現(xiàn)下降趨勢，這是由于隨著峰值位移不斷變大，電極塊受到的軸向壓力不斷變大所致［18］；3組試件中C組試件的電阻變化幅度約4.000 kΩ，A、B 組試件的電阻變化幅度分別約2.250、1.250 kΩ，說明在承載能力范圍內(nèi)，3組試件連接節(jié)點處的P?CNT 混凝土電阻變化幅度隨著軸向壓力的增大而增大，均表現(xiàn)處良好的壓敏性能.

圖7 各組節(jié)點處監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.7 Monitoring data at nodes of each group

3.2 P-CNT 混凝土對結(jié)構(gòu)破壞的監(jiān)測

圖8為各組試件部分測點出現(xiàn)裂縫時的電阻變化曲線.由圖8 可見：加載后期，各組試件測試位置電極塊處均出現(xiàn)裂縫或混凝土分離，所對應的電阻值均有突增現(xiàn)象——A 組試件6#位置裂縫出現(xiàn)時，電阻值從75. 897 kΩ 增加到230. 829 kΩ，增加了204%；B 組試件1#位置裂縫出現(xiàn)時，電阻值從75. 102 kΩ 增加到106. 393 kΩ，增加了41.7%；C 組試件2#位置裂縫出現(xiàn)時，電阻值從129. 526 kΩ 突增到9.900×1034kΩ，說明該位置的混凝土已經(jīng)分離，銅棒電極周圍混凝土已經(jīng)開裂（圖8（c））.3 組試件承載能力由大到小依次為C 組>A 組>B 組，出現(xiàn)裂縫或破壞時對應的電阻值變化率由大到小依次為C 組>A 組>B 組.

圖8 節(jié)點破壞時各組電阻變化及實例照片F(xiàn)ig.8 Resistance change and example photo of each group specimen during node failure

4 結(jié)論

（1）在低周往復作用下，3 組試件連接節(jié)點處P?CNT 混凝土的電阻值均隨著荷載的增加而下降，隨著荷載的減小而上升，電阻值與荷載一一對應，表現(xiàn)出較穩(wěn)定的壓敏性能，能夠反映節(jié)點處的受力變化情況.

（2）當節(jié)點處出現(xiàn)裂縫或者混凝土分離現(xiàn)象時，P?CNT 混凝土電阻值呈現(xiàn)突增狀態(tài)，且電阻突增變化率隨著荷載的增大而增大，能夠及時起到預警和監(jiān)控作用.