段燕妮，苗 远，张继承，杜国锋

(长江大学城市建设学院，荆州 434023)

玄武岩-聚丙烯纤维增强高性能混凝土(basalt-polypropylene fiber reinforced high performance concrete, BPHPC)是通过在高性能混凝土(high performance concrete, HPC)基质中添加一定量的玄武岩纤维(basalt fiber, BF)和聚丙烯纤维(polypropylene fiber, PF)而制成的一种特殊混凝土。BF具有高弹性模量和优异的耐腐蚀、耐酸、耐碱、耐高温和低温等性能[1-2]。PF可以防止混凝土干燥收缩产生裂缝，提高混凝土结构的耐久性和使用寿命[3]。BF和PF两者混掺可以更好地改善HPC的力学性能[4-5]。然而，BPHPC在服役过程中会不可避免地受到荷载破坏，使结构的力学性能和耐久性降低，进而导致结构破坏。因此为了预防事故的发生，对BPHPC进行损伤监测是有必要的。

锆钛酸铅(lead zirconate titanate, PZT)是一种具有强压电效应的压电陶瓷材料，与钛酸钡压电材料和无铅压电材料相比，它具有更高的机械耦合常数、压电常数和居里温度[6]。此外，因其具有高灵敏度[7]、快速响应[8]、兼具传感和驱动双重功能[9]等特点已被应用于混凝土早期水化[10]、混凝土结构腐蚀退化[11]、混凝土组合柱的损伤[12]、木结构损伤[13]、土壤含水率监测[14]、地质聚合物砂浆早期强度监测[15]等方面研究。然而，目前采用压电陶瓷对BPHPC进行损伤监测的研究较少。本文通过压电陶瓷传感技术对BPHPC的抗压过程进行了实时损伤监测，通过小波包分析计算出BPHPC损伤前后的应力波能量，进而获得损伤指数(damage index, DI)，揭示BPHPC的损伤规律。此外，还分析了纤维掺量对BPHPC损伤的影响，得到最佳纤维掺量，并建立不同纤维掺量、荷载下DI变化的三维曲面函数。

1.1 试验原理

本文所采用的损伤监测方法是通过压电陶瓷传感器实现的。压电陶瓷传感器具有正逆压电效应，仅在外力作用下压电内部便会产生极化现象，且在电场作用下还会产生应力应变。压电陶瓷由秦皇岛市恒科科技有限公司定制，PZT片的主要参数见表1，外观构造见图1。将其中一块压电陶瓷传感器作为激励器记作PZT1，另一块作为接收器记作PZT2。工作时，PZT1在外界激励下产生的定向应力波会被PZT2接收。当试件内部发生损伤时，应力波传递到损伤区的能量会被发散，因此由应力波转换成的电信号会减弱。此时通过数据采集系统(NI USB-6361)可以清楚看到电信号的幅值，将不同损伤状态下的信号幅值与无损试件的信号幅值进行对比，可以判断混凝土内部是否发生了损伤。激励信号的具体参数见表2。

表2 激励信号参数Table 2 Parameters of excitation signal

1.2 小波包分析法

采用小波包分析法对原始监测信号S的第k个信号进行n层分解后，最终得到2n个子信号，Sk,l为其中一个子信号，l为频带指数(l=1,…,2n)。

信号Sk如式(1)所示。

Sk=Sk,1+Sk,2+…+Sk,l+…+Sk,2n

(1)

由式(1)可以得到第n层的能量向量Ek(见式(2))。

Ek=ek,1,ek,2,…,ek,l,…,ek,2n

(2)

故信号Sk的总能量E(k)如式(3)所示。

(3)

损伤指数DI如式(4)所示。

(4)

式中：Et,l表示t时刻下l波段指数处的信号能量；
Eh,l表示试件在无损状态下的信号能量。DI=0时，试件没有损伤；
DI越大，试件的损伤程度越严重。

1.3 试验方法与试件设计

为了制备HPC试件，采用荆州水泥厂生产的P·O 52.5普通硅酸盐水泥。硅灰、粉煤灰和减水剂均来自河南巩义清阳水处理材料有限公司，硅灰的7 d活性指数为105%，粉煤灰为F类Ⅰ级，减水剂采用减水率为20%～30%的聚羧酸系高效减水剂。细骨料的细度模量为2.6，粗骨料粒径为5～10 mm。BF直径为15 μm，弹性模量为93.1～110 GPa。PF直径为48 μm，弹性模量为3.6 GPa。

为了更好地观察到纤维对HPC的影响，本文制备的所有HPC的质量配合比相同，m(水泥) ∶m(硅粉) ∶m(粉煤灰) ∶m(细骨料) ∶m(粗骨料) ∶m(高效减水剂) ∶m(水)=1 ∶0.2 ∶0.13 ∶1.13 ∶2.64 ∶0.03 ∶0.3。非金属纤维掺量过大时，容易产生团聚现象，使弱界面效应更明显，从而降低HPC的力学性能。因此，每种混凝土所含纤维的总体积分数均不超过0.4%。试件的编号根据纤维的类型和掺量确定，见表3。

表3 试件纤维掺量Table 3 Fiber content of specimens

制备48个尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，每3个为一组进行抗压试验，取平均值，B0P0试件为对照组。将一对压电陶瓷传感器分别粘贴在试件的两个对立的侧面，并且在混凝土与压电陶瓷黏结界面涂覆硅脂，这不仅可以起到黏结作用还可以填充界面缝隙，使电压加载更稳定。损伤监测系统及压电陶瓷传感器的位置如图1和图2所示。

图1 损伤监测系统Fig.1 Damage monitoring system

图2 压电陶瓷传感器的位置Fig.2 Position of piezoelectric ceramic sensor

所有试件在2 000 kN的压力试验机下进行抗压试验。加载前，施加20 kN预压力，以保证试件与压力机接触良好。正式加载后，以1 kN/s的速率加载，直到试件破坏。损伤监测系统每隔15 s自动采集一次数据，试件破坏后停止采集。

2.1 破坏模式分析

试件的破坏形态如图3所示。由于试件数量较多且纤维掺量变化不大，因此本节及以后章节将挑选出最具代表性的试件进行分析。试件包括：(1)对照组试件B0P0；
(2)单掺纤维试件B0.1、P0.1；
(3)混掺纤维试件B0.1P0.1、B0.15P0.1、B0.2P0.2。

图3 试件损伤图Fig.3 Specimen damage diagrams

加载初期，B0P0、B0.1、P0.1试件表面无明显变化，临近峰值荷载后，试件裂缝突然增多。达到峰值荷载时，B0P0试件突然压碎，整体性较差，表现出明显的脆性破坏特征；
B0.1试件的两个对角边出现贯穿裂缝；
P0.1试件两侧出现贯穿裂缝，脆性破坏特征相比对照组程度较轻。此外，从图中还可以看到BF增强的混凝土试件要比PF增强的试件剥落得更加严重。这是由于PF的弹性模量比BF低，有利于延缓硬化和早期微裂缝的形成。

随着纤维掺量的增加，B0.1P0.1、B0.15P0.1试件相比对照组和单掺纤维组试件，其表面裂缝出现较早，但是表面裂缝的发展速度减缓、数量减少，其中B0.15P0.1试件被破坏时的整体性最好，B0.1P0.1试件次之。B0.2P0.2试件表面裂缝出现最早，且以微裂缝居多，无贯穿裂缝，试件表皮有轻微剥落，被破坏时的整体性较好。混凝土在受到外力作用时，纤维和基体之间存在界面应变差，从而产生黏结应力，加载初期黏结应力主要由水泥胶凝体和纤维表面的化学胶着力提供。随着荷载的增加，纤维和基体界面逐渐发生滑移，由于混凝土被逐渐压缩，纤维在混凝土内部受到的摩擦力和机械咬合力也越来越大，直到纤维被拔出或拉断，此时黏结应力减小，混凝土失效。在这个过程中，混凝土内部会产生很多细小的裂缝，而纤维与混凝土之间良好的黏结性使得这些裂缝在出现后不会立刻扩张。然而，当纤维掺量过多时，纤维间距过小，混凝土内部缺陷增多。根据纤维间距理论，此时纤维的增韧、阻裂作用会受到影响。

2.2 压电信号分析

试件的压电信号结果如图4所示，分别记录了荷载达到20 kN、150 kN、300 kN、500 kN、700 kN左右时的信号幅值。从图4可以观测到，在荷载作用下随着时间推移试件的信号幅值逐渐减弱，且含纤维试件(见图4(b)～(f))的信号幅值变化相比无纤维试件(见图4(a))衰减趋势减缓，这是由于当混凝土在受到荷载作用时，其内部会产生一些细小的裂纹，而纤维会起到阻裂作用，使得应力波在传递时能量损失减少。然而纤维过多时，不易在混凝土中均匀分散，特别是PF直径较大，弹性模量较低，当掺量稍有增加，就会在混凝土中“结团”，导致混凝土内部缺陷增加，信号幅值减弱(见图4(f))。因此，应控制好纤维掺量，在提高混凝土韧性的同时，防止PF对强度造成影响。而BF直径较小，弹性模量较高，易于在混凝土中分散，且不易“结团”，这将大大提高混凝土的致密性，因此BF和PF以合适的比例掺入到混凝土中会起到事半功倍的效果(见图4(e))。

图4 不同荷载下的时域信号图Fig.4 Time domain signal diagrams under different loads

2.3 损伤指数规律分析

图5显示了不同纤维掺量下HPC试件的荷载-DI曲线。从图中可以看出，随着荷载的增加，所有试件的DI逐渐升高，在DI超过0.8时，可以认为试件已被完全破坏。在相同荷载等级下，对照组试件DI最高，这意味着对照组试件损伤最快。B0.15P0.1试件受到纤维阻裂作用，DI最小，损伤最慢。此外，在荷载达到300 kN之前，掺有纤维的试件的损伤发展速度比同荷载下的无纤维试件慢，这是由于纤维在混凝土内部抑制了裂缝的发展。荷载达到300～500 kN时，纤维混凝土试件的DI和对照组试件的DI差距最大。当荷载超过500 kN后，纤维混凝土试件的DI上升变快，这是由于纤维与混凝土黏结界面发生相对滑移和纤维断裂现象，使得纤维的阻裂作用逐渐减弱，混凝土内部的裂缝扩展速度加快。

图5 荷载-DI曲线Fig.5 Load-DI curves

2.4 纤维掺量-荷载-DI拟合函数

对16组混凝土的纤维掺量、荷载和DI进行拟合，各组试件的DI值均随荷载的增加呈上升趋势。以纤维掺量和荷载为自变量(x,y)，DI值为因变量(z)的三维拟合曲面函数见表4，拟合曲面图见图6。相关系数R2与1接近，统计检验量FP小于0.01，说明拟合程度良好且非常显著。

表4 纤维掺量-荷载-DI拟合曲面方程Table 4 Fitting surface equation of fiber content-load-DI

图6 纤维掺量-荷载-DI拟合曲面图Fig.6 Fitting surface diagrams of fiber content-load-DI

(1)压电陶瓷传感器可以对BPHPC的损伤进行监测。通过对应力波转化的电信号进行分析，得到的荷载-损伤指数曲线能很好地反映试件损伤的发展趋势。

(2)随着纤维掺量的增加，混凝土的外观损伤程度会减小，当玄武岩纤维掺量为0.15%、聚丙烯纤维掺量为0.10%时，外观损伤程度最小。纤维掺量过多时，表面微裂缝增多，损伤程度增加，但试件完整性较好。此外，随着荷载的增加，试件的压电应力波信号不断衰减，其中B0.15P0.1的衰减速度最慢。通过对试件的破坏模式以及时域信号图进行分析，定性描述了试件损伤破坏的过程。

(3)随着荷载的增加，HPC内部产生的裂缝越多，压电陶瓷传感器接收到的信号就越弱。相同荷载等级下，B0.15P0.1试件的DI最小，B0P0试件的DI最大。这表明在混凝土中添加0.15%的玄武岩纤维和0.10%的聚丙烯纤维可以有效延缓裂缝的发展。通过计算损伤指数，得出荷载与损伤指数的关系，从而定量描述试件损伤破坏过程。

(4)对试件的损伤破坏模式与时域信号图、荷载-损伤曲线进行对比，验证了利用压电陶瓷对BPHPC进行实时损伤监测是一种可行性较高的方法。

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