李振東， 孫 敏

（蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇蘇州 215011）

因具有建造速度快、對(duì)周?chē)鷫木秤绊懶?、成本費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，裝配式橋梁得到廣泛推廣及應(yīng)用，其最為重要的部分在于橋墩連接節(jié)點(diǎn)［1］.裝配式橋梁在服役過(guò)程中，長(zhǎng)期受到各種外界因素的影響，難免會(huì)引起結(jié)構(gòu)破損、結(jié)構(gòu)性能退化等問(wèn)題，特別是在地震作用下，節(jié)點(diǎn)處受力情況更加復(fù)雜.若能及時(shí)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)處的受力變化，提前做出預(yù)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(xué) 性 能［3?4］；另 外，CNT 優(yōu)異的導(dǎo)電性能［5］和壓敏性能［6?7］也為結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)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(fù)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(yīng)力檢測(cè)能力，使微裂紋監(jiān)測(cè)成為可能.Jiang 等［10］提出了基于應(yīng)力波能量衰減的裂縫損傷程度評(píng)估方法，該方法可用于監(jiān)測(cè)混凝土層合界面裂紋的發(fā)生和演化，并能夠預(yù)測(cè)層合界面裂紋的擴(kuò)展程度.上述研究均證明CNT 能夠應(yīng)用于混凝土材料中并實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力、裂紋的監(jiān)測(cè)，但尚未解決CNT 在水泥基材料中分散性差的問(wèn)題.

對(duì)CNT 表面進(jìn)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(tuán)聚問(wèn)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(yuǎn)高于普通混凝土，使得P?CNT 亦可應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè).

綜上，本文將P?CNT 混凝土應(yīng)用于裝配式橋墩連接節(jié)點(diǎn)處，研究橋墩節(jié)點(diǎn)處P?CNT 混凝土在地震作用下載荷與電阻之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的智能監(jiān)測(cè).

1 試件設(shè)計(jì)及制作

1.1 試件設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際工程案例，在承插式連接方式的基礎(chǔ)上，另外設(shè)計(jì)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(yàn)以加載條件為準(zhǔn)，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(shí)，需要在墩臺(tái)內(nèi)預(yù)留槽孔，為確保其連接性能［13］，設(shè)計(jì)槽孔深度為200 mm.3 組試件的尺寸設(shè)計(jì)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(shí)際工程墩身配筋率一致的設(shè)計(jì)原則. 由于實(shí)際工程采用56 根?32 的HRB400 級(jí)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(jì)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(jí)別均為HRB400.橋墩墩臺(tái)配筋按照規(guī)范設(shè)計(jì)要求，需要保證試件在加載過(guò)程中，墩臺(tái)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(yù)制墩身和墩臺(tái)均采用C50 自密實(shí)混凝土進(jìn)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(jí)粉煤灰；硅灰采用河南鉑潤(rùn)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(shí)混凝土配合比Table 1 Mix proportion of C50 self-compacting concrete kg/m3

制作墩身和墩臺(tái)的同時(shí)，另外澆筑3 個(gè)尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 的自密實(shí)混凝土立方體試件，養(yǎng)護(hù)28 d 后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，其立方體抗壓強(qiáng)度值取3 個(gè)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(yù)先埋入墩臺(tái)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(zhǎng)為500 mm；與墩臺(tái)相連的鋼管內(nèi)徑為14 mm，壁厚為2 mm，長(zhǎng)為320 mm.C 組鋼板連接試件由4 塊鋼板焊接而成，預(yù)先安裝在墩臺(tái)內(nèi)，安裝時(shí)，直接將墩身插入墩臺(tái)即可.3 組試件的墩身和墩臺(tái)養(yǎng)護(hù)完成后進(jìn)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(guò)轉(zhuǎn)轂式低溫等離子體處理儀，將CNT 進(jìn)行等離子體處理，整個(gè)過(guò)程持續(xù)2 min，即可得到P?CNT；然后，在C50自密實(shí)混凝土中摻入0.3%（質(zhì)量分?jǐn)?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(jiàn)：CNT 在水中的分散性較差，經(jīng)過(guò)振蕩后依然懸浮于水面，無(wú)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(guò)振蕩后可以迅速溶于水中.

圖2 P?CNT 和CNT 初始分散性對(duì)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(xué)江蘇省重點(diǎn)結(jié)構(gòu)工程大廳內(nèi)完成.各組預(yù)制試件照片如圖3所示.拼裝時(shí)，首先，對(duì)連接部位表面進(jìn)行鑿毛處理；其次，通過(guò)槽孔內(nèi)預(yù)留墊塊，將墩身調(diào)平對(duì)中放入墩臺(tái)；最后，將P?CNT 混凝土澆筑于槽孔內(nèi)，同時(shí)布置好電極塊.

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

2 試驗(yàn)方案

影響P?CNT 混凝土電阻值的因素包括電阻測(cè)試方法和電極選取方法［14］.常見(jiàn)的混凝土電阻測(cè)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(cè)試過(guò)程更加簡(jiǎn)捷方便，因此本研究采用二電極法來(lái)進(jìn)行測(cè)試.由于試件連接節(jié)點(diǎn)處空間較小，測(cè)試用電極采用埋入式銅棒電極.為確保銅棒電極在澆筑過(guò)程中能夠更好的固定，先制作銅棒電極塊（見(jiàn)圖4（a）），再將其整體埋入連接節(jié)點(diǎn)內(nèi)（見(jiàn)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(diǎn)處記號(hào)標(biāo)注.為方便觀察試驗(yàn)現(xiàn)象及測(cè)點(diǎn)布置，以加載方向?yàn)闇?zhǔn)，在圖5 標(biāo)記對(duì)應(yīng)位置布置銅棒電極并在混凝土表面粘貼應(yīng)變片.加載測(cè)試前，先將銅棒電極連接到34401A 數(shù)字萬(wàn)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(duì)試件進(jìn)行加載和數(shù)據(jù)采集.

圖5 連接節(jié)點(diǎn)處記號(hào)標(biāo)注Fig.5 Marking at connected nodes

本次試驗(yàn)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(cè)試儀器.試件加載裝置和測(cè)試方法示意圖見(jiàn)圖6.

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

在低周往復(fù)作用下，進(jìn)行裝配式橋墩連接節(jié)點(diǎn)處P?CNT 混凝土壓敏性能測(cè)試時(shí)，豎向荷載（N）采用的軸壓比［16］為0.25，其計(jì)算表達(dá)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(qiáng)度，由經(jīng)驗(yàn)公式fc=0.76fcu、fcu=51.76 MPa 可得，fc=39.34 MPa.

根據(jù)式（1）計(jì)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(jí)逐步加載：第1 級(jí)為2、4、6 mm，80 s 完成1 次循環(huán)，每個(gè)循環(huán)進(jìn)行4 次；第2 級(jí)為8、10、15 mm，160 s 完成1次循環(huán)，每個(gè)循環(huán)進(jìn)行4 次；第3 級(jí)為20、25、30 mm，240 s 完成1 次循環(huán)，每個(gè)循環(huán)進(jìn)行2 次；此后每次增加5 mm，直至試件破壞.

3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 節(jié)點(diǎn)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(diǎn)處1#、2#位置且未出現(xiàn)裂縫處，測(cè)量連接節(jié)點(diǎn)處破壞時(shí)的電阻值，其變化曲線見(jiàn)圖7（實(shí)線為電阻值與時(shí)間關(guān)系，虛線為荷載與時(shí)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(cè)試位置受力情況有所不同，導(dǎo)致各測(cè)試位置測(cè)得的電阻值及電阻變化有差異，但各測(cè)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(shì)，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(shì)，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(shuō)明在承載能力范圍內(nèi)，3組試件連接節(jié)點(diǎn)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(diǎn)處監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.7 Monitoring data at nodes of each group

3.2 P-CNT 混凝土對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的監(jiān)測(cè)

圖8為各組試件部分測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)裂縫時(shí)的電阻變化曲線.由圖8 可見(jiàn)：加載后期，各組試件測(cè)試位置電極塊處均出現(xiàn)裂縫或混凝土分離，所對(duì)應(yīng)的電阻值均有突增現(xiàn)象——A 組試件6#位置裂縫出現(xiàn)時(shí)，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(shí)，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(shí)，電阻值從129. 526 kΩ 突增到9.900×1034kΩ，說(shuō)明該位置的混凝土已經(jīng)分離，銅棒電極周?chē)炷烈呀?jīng)開(kāi)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(shí)對(duì)應(yīng)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(diǎn)破壞時(shí)各組電阻變化及實(shí)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(fù)作用下，3 組試件連接節(jié)點(diǎn)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(duì)應(yīng)，表現(xiàn)出較穩(wěn)定的壓敏性能，能夠反映節(jié)點(diǎn)處的受力變化情況.

（2）當(dāng)節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)裂縫或者混凝土分離現(xiàn)象時(shí)，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(shí)起到預(yù)警和監(jiān)控作用.