联系我们
交流阻抗技术在混凝土材料中的应用研究
引言
一个未知内部结构的物理系统就像一个黑箱。这个黑箱中间存放着什么东西以及这些东西是如何摆放的都是看不见的。这就是说，这个黑箱的内部结构是未知的。但是，作为物理系统的这个黑箱有一个输入端及一个输出端。当我们从黑箱的输入端给它一个扰动信号，那么我们就能从黑箱的输出端得到一个信号输出。如果这个黑箱的内部结构是线性的稳定结构，输出的信号就是扰动信号的线性函数,于是这个输出的信号就被称为黑箱对扰动信号的线性响应或简称响应。对黑箱的扰动及黑箱的响应都是可测量的。因而，人们可以在未知黑箱内部结构的情况下，通过扰动与响应之间的关系来研究黑箱的一些性质。交流阻抗技术的原理就是通过采用小幅度正弦交流电信号作为扰动信号输入一个系统中,则可以从该系统得到一个同频率的正弦交流电信号,通过输入的电信号和测得的输出电信号来获得系统内部有用的信息。在混凝土材料研究中，交流阻抗技术主要被应用于以下方面:
图1 交流阻抗技术的原理
1. 水化研究
混凝土材料的水化过程会随着化学组分、外加剂、配合比和养护条件等因素改变而发生变化。随着时间的推移，混凝土材料的孔隙率会随着水化产物的形成而不断降低，尤其是在水化早期时，水泥浆体逐渐硬化，导致孔隙结构的致密化,水化产物阻断了离子的导电通路使得阻抗发生较大变化。Zhang][1]等人通过非接触式阻抗测试装置，研究并识别了混凝土材料水化过程，并将其分为了五个阶段，即溶解、诱导、加速、减速和扩散控制五阶段。Jiana[2]等使用交流阻抗技术分析了掺入粉煤灰和矿渣对混凝土水化过程的交流阻抗变化,结果表明，不同掺量粉煤灰以及矿渣下混凝土阻抗变化趋势相同，在水化初期,随着矿物掺合料的增加阻抗减小，在水化后期，阻抗逐渐增加，且会随着矿物掺合料的增加越发明显，这是由于其二次水化作用所造成的。
2. 传输性能研究
混凝土的传输性能包含了水的渗透以及氯离子的渗透，两者都会造成混凝土的劣化.降低耐久性能。从本质上讲，两者都取决于混凝土材料的孔隙率，因此，通过交流阻抗技术对两者进行评估预测是可行的。Tang[3]等通过非接触阻抗测试装置研究了水渗透率和阻抗之间的相关性，建立了分形渗透率模型。Loche[4]等发现氯离子改变了混凝土材料的阻抗响应，体积电阻随着氯离子的迁移呈现出先增大后减小的趋势。
图2 添加氯离子前后阻抗变化[4]
图3 阻抗随时间变化关系[4]
3. 缺陷以及损伤检测
混凝土服役过程中难免会产生缺陷，使得其耐久性受到显著影响。当缺陷形成时，部分导电路径被破坏，从而导致阻抗发生变化。在这种情况下，可以作为一个损伤传感器，通过交流阻抗技术可以实时监测缺陷的产生并及时进行修复，从而延长混凝土结构的服役寿命。Peled[5]等发现，当裂纹增长时，阻抗值发生了显著变化，实部阻抗随着裂纹的开口增大而不断增加。Silva[6]等测试了交流阻抗技术在检测钢纤维混凝土结构损伤方面的有效性，结果表明，该方法检测到损伤的可信度可以达到99%以上。TsuYumoto[7]等将交流阻抗技术应用于混凝土裂缝的无损检测，通过水泥板的叠加模拟混凝土内部的裂缝，结果表明在Nyquist图中，水泥板之间的界面被清楚地检测为独立的等效电路。这也表明交流阻抗分析允许对混凝土内部裂缝进行无损检测。
图4 阻抗与裂纹开口之间的关系[5]
4. 混凝土结构健康监测
混凝土材料服役时的健康检测是目前所面临的一大难题。如碳纤维增强聚合物层合混凝土结构由于其优点被广泛应用于各种工程领域,但是其总存在由于碳纤维增强聚合物与混凝土之间发生脱粘而导致结构发生倒塌，基于此，park[8]等采用了交流阻抗技术，通过应用·PZT·陶瓷贴片来识别·CFRP·层压钢筋混凝土梁的脱粘条件，结果表明交流阻抗技术可以有效地对碳纤维增强聚合物层合混凝土结构的剥离进行监测。Dang[9]等人对阻抗响应对预应力锚固区内部受损混凝土的敏感性进行了数值研究，结果表明，他们所提出的基于阻抗的方法有望用于监测锚固区内部受损混凝土。
图5 碳纤维增强聚合物层合混凝土梁试件[8]
图6 剥离碳纤维增强聚合物层合混凝土试样[8]
5. 钢筋腐蚀
混凝土中钢筋腐蚀也是导致混凝土性能劣化,使用寿命降低的主要原因之一。钢筋腐蚀主要取决于氧气,氯离子等物质在混凝土结构在的传输性能，从根本看来即取决于混凝土的孔结构，前文也已经提到，通过交流阻抗技术测试混凝土传输性能是可行的。Yu[10]等人采用wenner阻抗测试技术识别了混凝土材料中的钢筋腐蚀情况，在低频区域，被腐蚀和未被腐蚀的钢筋阻抗测试结构表现出明显的差异，即阻抗会随着钢筋的腐蚀而降低。
6. 自修复混凝土修复效果评价
自修复混凝土在近年来被不断研究发展,其中混凝土的自修复过程可以看作是一个与损伤相反的过程，同理也可以通过交流阻抗技术来进行评价。Zhu[11]等人研究了工程胶结复合材料开裂前后及自愈合前后的交流阻抗谱变化,通过使用一个典型的等效电路模型解释了裂纹自愈合过程中阻抗的变化,He[12]等人研究了不同压力、养护龄期以及自愈合环境下工程胶结材料的交流阻抗响应， 2018年, Fan[13]等人研究了通过单轴拉伸实验在混凝土材料上制备不同宽度的单裂纹以及多裂纹,测试了其交流阻抗结果,提出了相应的等效电路模型,可以较好地反应混凝土开裂情况下交流阻抗的变化.除此之外，测试了经过不同的干湿循环后材料的交流阻抗响应，并通过所提出的等效电路模型较好地解释了其变化，研究发现，在干燥情况下，混凝土未开裂时初始的阻抗表现为一个较小的值，而随着裂纹宽度以及裂纹数量的增加，阻抗表现出增大的趋势，在修复过程中，阻抗会朝着初始状态的阻抗变化。
图7 阻抗测量示意图(mm)[10]
7. 总结
除了以上所提到的应用以外，交流阻抗技术还可以被用于混凝土材料的冻融，应力应变等方面，归根结底就是通过交流阻抗技术反映混凝土材料的微观结构，再从微观结构反映材料的各种性能，发展到目前为之，交流阻抗技术并未形成一个完整的体系，相信随着未来的不断研究发展，交流阻抗技术在混凝土材料领域一定能够发挥更大的作用。
参考文献
[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.
网站版权声明：
① 凡本网注明来源： 、CCPA、CCPA各部门以及各分支机构的所有文字、图片和音视频稿件，版权均为本站独家所有，任何媒体、网站或个人在转载使用前必须经本网站同意并注明"来源:" (CCPA)"方可进行转载使用，违反者本网将依法追究其法律责任。
②本网转载并注明其他来源的稿件，是本着为读者传递更多信息之目的，并不意味着赞同其观点或证实其内容的真实性。 其他媒体、网站或个人从本网转载使用的，请注明原文来源地址。如若产生纠纷，本网不承担其法律责任。
③ 如本网转载稿件涉及版权等问题，请作者一周内来电或来函联系。
您可能感兴趣的文章
更多>>- 黄政宇：UHPC材料研发要以工程需求为导向2023-08-03
- 攻克钢纤维自密实混凝土技术难题，为地铁轨道浇注“钢筋铁骨”2024-03-08
- 浙江工业大学古道科技创新复合菌混凝土技术，引领现代桥梁建设新潮流2024-06-21
- 杭州滨江三桥亚运公园：从亚运到日常+，艺术混凝土为城市滨水空间“筑”入新活力2024-10-27
- 有关施工工艺和设备的那些事（喷射混凝土专业知识问答集萃二）2024-11-18
- 喷射混凝土未来如何发展，你需要了解一下（喷射混凝土专业知识问答集萃三）2024-11-26
