歡迎您來到中國混凝土與水泥制品協(xié)會官方網(wǎng)站
行業(yè)新聞
交流阻抗技術在混凝土材料中的應用研究
時間:2022-04-06    來源:同濟可持續(xù)混凝土    分享:
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(tǒng)中,則可以從該系統(tǒng)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(tǒng)內(nèi)部有用的信息。在混凝土材料研究中,交流阻抗技術也得到了應用。

引言

一個未知內(nèi)部結構的物理系統(tǒng)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(nèi)部結構是未知的。但是,作為物理系統(tǒng)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(nèi)部結構是線性的穩(wěn)定結構,輸出的信號就是擾動信號的線性函數(shù),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(nèi)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(zhì)。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(tǒng)中,則可以從該系統(tǒng)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(tǒng)內(nèi)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(yǎng)護條件等因素改變而發(fā)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(chǎn)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(chǎn)物阻斷了離子的導電通路使得阻抗發(fā)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(fā)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(zhì)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)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(fā)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(jiān)測缺陷的產(chǎn)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(fā)現(xiàn),當裂紋增長時,阻抗值發(fā)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(nèi)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(nèi)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(jiān)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(yōu)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(fā)生脫粘而導致結構發(fā)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(jiān)測。Dang[9]等人對阻抗響應對預應力錨固區(qū)內(nèi)部受損混凝土的敏感性進行了數(shù)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(jiān)測錨固區(qū)內(nèi)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(zhì)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(jīng)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(qū)域,被腐蝕和未被腐蝕的鋼筋阻抗測試結構表現(xiàn)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(fā)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(yǎng)護齡期以及自愈合環(huán)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(jīng)過不同的干濕循環(huán)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(fā)現(xiàn),在干燥情況下,混凝土未開裂時初始的阻抗表現(xiàn)為一個較小的值,而隨著裂紋寬度以及裂紋數(shù)量的增加,阻抗表現(xiàn)出增大的趨勢,在修復過程中,阻抗會朝著初始狀態(tài)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(fā)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(fā)展,交流阻抗技術在混凝土材料領域一定能夠發(fā)揮更大的作用。


參考文獻

[1] Zhang, J.; Li, Z. Hydration process of cements with superplasticizer monitored by non-contact resistivity measurement. In Proceedings of the Advanced Testing of Fresh Cementtitious Materials, Stuttgart, Germany, 3–4 August 2006; Reinhardt, H.W., Ed

[2] Jiang, F.J.; Yu G.Z.; Liang, C.; Li, X.; He, N. Analysis of impedance spectrum parameters in hydration process of concrete with composite admixtures. FUNCTIONAL MATERIALS. 2021, 28, 114-120

[3] Tang, S.W.; Li, Z.J.; Zhu, H.G.; Shao, H.Y.; Chen, E. Permeability interpretation for young cement paste based on impedance measurement. CONSTRUCTION AND BUILDING MATERAILS. 2014, 59, 120–128

[4] Loche, J.M.; Ammar, A.; Dumargue, P. Influence of the migration of chloride ions on the electrochemical impedance spectroscopy of mortar paste. CEMENT AND CONCRETE RESEARCH. 2005, 35, 1797–1803

[5] Peled, A.; Torrents, J.M.; Mason, T.O.; Shah, S.P.; Garboczi, E.J. Electrical impedance spectra to monitor damage during tensile loading of cement composites. ACI MATERIALS JOURNAL. 2001, 98, 313–322

[6] Silva, R.N.F.; Tsuruta, K.M.; Rabelo, R.S.; Neto, R.M.; Cavalini, A. A, Steffen, V. Impedance-based structural health monitoring applied to steel fiber-reinforced concrete structures. JOURNAL OF THE BRAZILIAN SOCIETY OF MECHANICAL SCIENCES AND ENGINEERING. 2020,42

[7] Tsuyumoto, I.; Uchikawa, H. Diagnosis of degradation of concrete by using AC impedance analysis - Non-destructive testing of internal cracks. JOURNAL OF THE CERAMIC SOCIETY OF JAPAN. 2001, 109, 77-78

[8] Park, S.; Kim, J.W.; Lee, C.; Park, S.K.; Impedance-based wireless debonding condition monitoring of CFRP laminated concrete structures. NDT & E INTERNATIONAL. 2011, 44, 232-238

[9] Dang, N.L.; Pham, Q.Q.; Kim, J.T. Piezoelectric skin sensor for electromechanical impedance responses sensitive to concrete damage in prestressed anchorage zone. SMART STRUCTURES AND SYSTEMS.2021, 28, 761-777

[10] Yu, J.; Akira, S.; Masahiro, I. Wenner method of impedance measurement for health evaluation of reinforced concrete structures. CONSTRUCTION AND BUILDING MATERAILS, 2019, 197, 576-586

[11] Zhu Y.; Zhang Z.C.; Chen X.; et al. Non-destructive methods to evaluate the self-healing behavior of engineered cementitious composites (ECC). CONSTRUCTION AND BUILDING MATERAILS, 2020, 230116753.

[12] He HT, Zhu Y, Zhou AG. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) used to evaluate influence of different external pressures, curing ages and self-healing environments on the self-healing behavior of engineered cementitious composites (ECC). CONSTRUCTION AND BUILDING MATERAILS, 2018, 188, 153-160.

[13] Fan S.; Li X.P.; Li M. The effects of damage and self-healing on impedance spectroscopy of strain-hardening cementitious materials. CEMENT AND CONCRETE RESEARCH, 2018, 106, 77-90.


中國混凝土與水泥制品協(xié)會網(wǎng)站版權聲明:

① 凡本網(wǎng)注明來源:中國混凝土與水泥制品協(xié)會、CCPA、CCPA各部門以及各分支機構的所有文字、圖片和音視頻稿件,版權均為本站獨家所有,任何媒體、網(wǎng)站或個人在轉載使用前必須經(jīng)本網(wǎng)站同意并注明"來源:"中國混凝土與水泥制品協(xié)會(CCPA)"方可進行轉載使用,違反者本網(wǎng)將依法追究其法律責任。

②本網(wǎng)轉載并注明其他來源的稿件,是本著為讀者傳遞更多信息之目的,并不意味著贊同其觀點或證實其內(nèi)容的真實性。 其他媒體、網(wǎng)站或個人從本網(wǎng)轉載使用的,請注明原文來源地址。如若產(chǎn)生糾紛,本網(wǎng)不承擔其法律責任。

③ 如本網(wǎng)轉載稿件涉及版權等問題,請作者一周內(nèi)來電或來函聯(lián)系。

返回頂部

X

您正在使用Internet Explorer瀏覽器


若您無法正常瀏覽本頁面,為了得到我們網(wǎng)站最好的體驗效果,請您更換為360、QQ、Chrome、火狐等其他瀏覽器.