交流阻抗技術在混凝土材料中的應用研究
引言
一個未知內部結構的物理系統就像一個黑箱。這個黑箱中間存放著什么東西以及這些東西是如何擺放的都是看不見的。這就是說,這個黑箱的內部結構是未知的。但是,作為物理系統的這個黑箱有一個輸入端及一個輸出端。當我們從黑箱的輸入端給它一個擾動信號,那么我們就能從黑箱的輸出端得到一個信號輸出。如果這個黑箱的內部結構是線性的穩定結構,輸出的信號就是擾動信號的線性函數,于是這個輸出的信號就被稱為黑箱對擾動信號的線性響應或簡稱響應。對黑箱的擾動及黑箱的響應都是可測量的。因而,人們可以在未知黑箱內部結構的情況下,通過擾動與響應之間的關系來研究黑箱的一些性質。交流阻抗技術的原理就是通過采用小幅度正弦交流電信號作為擾動信號輸入一個系統中,則可以從該系統得到一個同頻率的正弦交流電信號,通過輸入的電信號和測得的輸出電信號來獲得系統內部有用的信息。在混凝土材料研究中,交流阻抗技術主要被應用于以下方面:
圖1 交流阻抗技術的原理
1. 水化研究
混凝土材料的水化過程會隨著化學組分、外加劑、配合比和養護條件等因素改變而發生變化。隨著時間的推移,混凝土材料的孔隙率會隨著水化產物的形成而不斷降低,尤其是在水化早期時,水泥漿體逐漸硬化,導致孔隙結構的致密化,水化產物阻斷了離子的導電通路使得阻抗發生較大變化。Zhang][1]等人通過非接觸式阻抗測試裝置,研究并識別了混凝土材料水化過程,并將其分為了五個階段,即溶解、誘導、加速、減速和擴散控制五階段。Jiana[2]等使用交流阻抗技術分析了摻入粉煤灰和礦渣對混凝土水化過程的交流阻抗變化,結果表明,不同摻量粉煤灰以及礦渣下混凝土阻抗變化趨勢相同,在水化初期,隨著礦物摻合料的增加阻抗減小,在水化后期,阻抗逐漸增加,且會隨著礦物摻合料的增加越發明顯,這是由于其二次水化作用所造成的。
2. 傳輸性能研究
混凝土的傳輸性能包含了水的滲透以及氯離子的滲透,兩者都會造成混凝土的劣化.降低耐久性能。從本質上講,兩者都取決于混凝土材料的孔隙率,因此,通過交流阻抗技術對兩者進行評估預測是可行的。Tang[3]等通過非接觸阻抗測試裝置研究了水滲透率和阻抗之間的相關性,建立了分形滲透率模型。Loche[4]等發現氯離子改變了混凝土材料的阻抗響應,體積電阻隨著氯離子的遷移呈現出先增大后減小的趨勢。
圖2 添加氯離子前后阻抗變化[4]
圖3 阻抗隨時間變化關系[4]
3. 缺陷以及損傷檢測
混凝土服役過程中難免會產生缺陷,使得其耐久性受到顯著影響。當缺陷形成時,部分導電路徑被破壞,從而導致阻抗發生變化。在這種情況下,可以作為一個損傷傳感器,通過交流阻抗技術可以實時監測缺陷的產生并及時進行修復,從而延長混凝土結構的服役壽命。Peled[5]等發現,當裂紋增長時,阻抗值發生了顯著變化,實部阻抗隨著裂紋的開口增大而不斷增加。Silva[6]等測試了交流阻抗技術在檢測鋼纖維混凝土結構損傷方面的有效性,結果表明,該方法檢測到損傷的可信度可以達到99%以上。TsuYumoto[7]等將交流阻抗技術應用于混凝土裂縫的無損檢測,通過水泥板的疊加模擬混凝土內部的裂縫,結果表明在Nyquist圖中,水泥板之間的界面被清楚地檢測為獨立的等效電路。這也表明交流阻抗分析允許對混凝土內部裂縫進行無損檢測。
圖4 阻抗與裂紋開口之間的關系[5]
4. 混凝土結構健康監測
混凝土材料服役時的健康檢測是目前所面臨的一大難題。如碳纖維增強聚合物層合混凝土結構由于其優點被廣泛應用于各種工程領域,但是其總存在由于碳纖維增強聚合物與混凝土之間發生脫粘而導致結構發生倒塌,基于此,park[8]等采用了交流阻抗技術,通過應用·PZT·陶瓷貼片來識別·CFRP·層壓鋼筋混凝土梁的脫粘條件,結果表明交流阻抗技術可以有效地對碳纖維增強聚合物層合混凝土結構的剝離進行監測。Dang[9]等人對阻抗響應對預應力錨固區內部受損混凝土的敏感性進行了數值研究,結果表明,他們所提出的基于阻抗的方法有望用于監測錨固區內部受損混凝土。
圖5 碳纖維增強聚合物層合混凝土梁試件[8]
圖6 剝離碳纖維增強聚合物層合混凝土試樣[8]
5. 鋼筋腐蝕
混凝土中鋼筋腐蝕也是導致混凝土性能劣化,使用壽命降低的主要原因之一。鋼筋腐蝕主要取決于氧氣,氯離子等物質在混凝土結構在的傳輸性能,從根本看來即取決于混凝土的孔結構,前文也已經提到,通過交流阻抗技術測試混凝土傳輸性能是可行的。Yu[10]等人采用wenner阻抗測試技術識別了混凝土材料中的鋼筋腐蝕情況,在低頻區域,被腐蝕和未被腐蝕的鋼筋阻抗測試結構表現出明顯的差異,即阻抗會隨著鋼筋的腐蝕而降低。
6. 自修復混凝土修復效果評價
自修復混凝土在近年來被不斷研究發展,其中混凝土的自修復過程可以看作是一個與損傷相反的過程,同理也可以通過交流阻抗技術來進行評價。Zhu[11]等人研究了工程膠結復合材料開裂前后及自愈合前后的交流阻抗譜變化,通過使用一個典型的等效電路模型解釋了裂紋自愈合過程中阻抗的變化,He[12]等人研究了不同壓力、養護齡期以及自愈合環境下工程膠結材料的交流阻抗響應, 2018年, Fan[13]等人研究了通過單軸拉伸實驗在混凝土材料上制備不同寬度的單裂紋以及多裂紋,測試了其交流阻抗結果,提出了相應的等效電路模型,可以較好地反應混凝土開裂情況下交流阻抗的變化.除此之外,測試了經過不同的干濕循環后材料的交流阻抗響應,并通過所提出的等效電路模型較好地解釋了其變化,研究發現,在干燥情況下,混凝土未開裂時初始的阻抗表現為一個較小的值,而隨著裂紋寬度以及裂紋數量的增加,阻抗表現出增大的趨勢,在修復過程中,阻抗會朝著初始狀態的阻抗變化。
圖7 阻抗測量示意圖(mm)[10]
7. 總結
除了以上所提到的應用以外,交流阻抗技術還可以被用于混凝土材料的凍融,應力應變等方面,歸根結底就是通過交流阻抗技術反映混凝土材料的微觀結構,再從微觀結構反映材料的各種性能,發展到目前為之,交流阻抗技術并未形成一個完整的體系,相信隨著未來的不斷研究發展,交流阻抗技術在混凝土材料領域一定能夠發揮更大的作用。
參考文獻
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