形状记忆合金在道面裂缝实时监测中的应用研究

形状记忆合金在道面裂缝实时监测中的应用研究

张志栋,李杰,陈德攀

中国民航大学，300300

形状记忆合金应变传感器在机场跑道裂缝实时监测中的应用研究202110059160 市级

摘要：在机场组成部分中，道面作为对整个机场正常运行中起相当重要的一部分，承担着对飞行安全不可忽视的作用。由于混凝土具有经久耐用，维修费用少，对自然条件影响具有较好的适应性等优点，而作为一种被广泛使用在机场道面的工程材料。但由于混凝土道面作为一种刚性结构，其易在使用过程中不可避免的产生裂缝这一缺点，便成为了行业内各研究人员希望努力解决或改善的一系列相关问题。而本文则将针对如何将形状记忆合金这种特殊材料运用进混凝土道面裂缝产生的实时监测中，这一对航空安全有着深远影响的问题进行研究。

关键词：形状记忆合金；机场道面；裂缝监测

一、研究背景及意义

以耐久性好，抗压能力强，养护费用低，强度高等一众优点而在建筑和交通中的众多工程材料脱颖而出，为大家所青睐的混凝土，其本身却仍存在一些需要工程师们所充分考虑到的缺点。由于混凝土道面内部在施工后不可避免的会存在孔隙与一些细小的微裂缝，使得材料通常面临抗拉强度低，抗裂性差等问题，所以在荷载和外界自然环境的双重作用下便很容易产生裂缝。而由裂缝进而引起水分或侵蚀性介质的侵入劣化，则会大大降低其耐久性，不仅会严重影响结构的正常使用，更会对安全留下重大隐患。为了找出测定机场跑道面板裂缝的最优处治方案,如何准确判断裂缝的开裂程度显然是重中之重。为此，我们尝试设计一种，可以用于机场跑道裂缝检测的记忆合金传感器。并且通过一系列的理论推导及实验，使其能够达到实时监测的效果。

二、SMA研究现状

SMA作为现阶段一种新型的智能材料，由于它自身具有特殊的形状记忆效应，在很多领域都得到广泛应用且得受到广大科研人员的青睐，针对SMA在混凝土结构中的应用已经进行了大量的试验研究，取得了很多的研究成果：

邓宗才等人于2002-2006期间通过偏心预埋SMA丝、使用不同直径的SMA丝以及不同的养护方法和不同SMA的配置量进行了研究，给出了不同条件下SMA与混凝土梁的影响关系。Peng等在2008年提出一种在微观结构基础上的Ni-Ti合金的本构模型，并进行了深入的研究与讨论。2004年，Lagoudas和Entchev建立了一个具有三维的形状记忆合金热力学本构模型，考虑了相变过程中产生的塑性应变与相变应变，提出了一种对材料参数进行估算的详细的方法。通过选择不同的相变函数，把多种SMA的宏观本构模型转换成了统一的形式。

本文拟通过将SMA材料作为传感元件，比较混凝土裂缝大小和合金丝的电阻变化规律并进行分析、讨论SMA智能材料在混凝土中的裂缝监测原理。

三、形状记忆合金

（一）裂纹控制和损伤监测

当前各工业部门在裂纹及损伤的监测和控制都面临巨大的挑战，也是不断发展中迫切需要解决的问题。利用现阶段比较成熟稳定的具有特殊性能的形状记忆合金如Ni-Ti合金丝，形状记忆合金丝产生应变时变化敏感、具有较大的电阻率且在温度升高后产生巨大恢复力等特点，在构件所受应力较大或容易产生裂纹的地方布置形状记忆合金丝，当构件产生裂时，Ni-Ti合金丝随裂纹宽度增加而产生变形导致合金材料的电阻值发生变化。随着外加荷载的增加构件的裂纹增大，Ni-Ti合金的形变量增大，进而合金丝的电阻值也不断变大。通过比较裂缝大小和Ni-Ti合金的电阻值的变化量以及它们之间的变化规律，经过微机系统处理产生数据图像，分析图像即可判断出裂纹的位置和裂缝的大小[2]。

（二）裂缝宽度及合金丝电阻变化率

试验中实时测定混凝土梁在加载并产生裂缝的过程中合金丝的电阻值变化，图3 (a)-(c)分别为L-1，L-2，L-3，L-4试件裂缝宽度与合金丝电阻变化率的关系，结果表明将SMA作为传感器用于结构健康监测是可行的。如图3 (a)，(b)所示，在L-1，L-2试件裂缝宽度小于0.3mm之前，其合金电阻变化率较为明显，而在裂缝宽度大于0.3 mm后，其合金电阻变化率趋于平缓。这是因为在裂缝开展初期，合金丝与混凝土粘结比较好，因此合金丝电阻的变化较为明显；当裂缝增大到一定程度时合金丝与混凝土之间出现滑动，导致合金电阻变化率在裂缝增大时变化不明显。图3 (c)中，由于L-3，L-4试件中合金丝两端夹头与混凝土完全接触，避免了混凝土产生裂缝后合金滑移的影响，另外此时合金处于伪弹性状态，使得合金变形过程在梁内均匀分布，导致曲线呈稳定上升趋势，合金丝的电阻变化率与混凝土梁裂缝宽度近似呈现线性关系。以SMA为传感元件、其电阻变化率为参数进行结构监测，可以实现实时监测，并对结构的裂缝做出评价。

试样裂缝宽度与合金电阻变化率的关系

（二）形状记忆合金应变传感器设计

形状记忆合金应变传感器是在传统混凝土裂缝检测的传感器基础之上，设计出来的一种新型高科技传感器。此种传感器不仅能够充分利用形状记忆合金材料独特的形状记忆效应以及超弹性效应。同时还能够使其优良的理化性能，以及对较大位移和电阻的敏感性得到充分的体现。除此以外，设计出的记忆合金应变传感器还具有较强的自我修复能力，以及抗腐蚀能力。相较于传统的其他材料制成的传感器，显然更加耐用，实时监测出的效果也更加的准确。

（三）形状记忆合金应变传感器试验研究

首先在实验室内制作出，符合民用机场道面设计规范的混凝土试样。随后将设计好的形状记忆合金应变传感器，植入到所制备的混凝土试样之中。在实验室模拟出机场道面所处环境的温度、湿度等条件，将试件置于该条件下，记录下初始数据。在试件表面添加一条及多条裂缝，分别记录仪器的数据变化，以及响应时间。通过观察实验数据，判断仪器的实际监测效果是否符合预期。

三、实验部分

（一）形状记忆合金裂缝监测理论分析

将记忆合金埋入到混凝土材料当中，从形状记忆合金的电阻敏感性开始入手。正常情况下，地面无裂缝时，合金的受力均匀，不产生形变，电阻自然也就不会改变。但是当地面产生裂缝时，记忆合金会受到不均匀的力作用，并且随着受力大小的改变，合金本身会产生不同程度的形变。而这势必会引起合金电阻的变化。

利用此点，我们便可以通过实验，找出电阻、应力和应变之间的关系，以此来确定记忆合金电阻变化与混凝土裂缝变化之间的理论关系。随后再根据电阻及其产生电流、电压的变化绘制出相应的图像，通过观察电流的改变，来判断机场道面的缺损与否，从而达到实时检测的的目的。

（二）SMA试件

本次实验所采用的SMA试件为线超弹镍钛形状记忆合金丝，其中镍的含量在56%左右，余量为钛，由东菀市宝鸿金属材料有限公司提供。试件的尺寸分别为以1mm，1.5mm，2mm为半径的金属丝。

（三）混凝土试件

本实验用混凝土水泥选用P-Ⅱ42.5硅酸盐水泥，细料为干净的中砂，粗集料级配比20-40mm,16-31.5mm,5-20mm,5-10mm四级级配碎石按大到小5：2：2：1比例混合，水灰比为最大0.44，砂率选用29%，砂用量600Kg/m³，碎石用量1470Kg/m³，水用量133Kg/m³，水泥用量300Kg/m³。此外，混凝土试件的养护条件为温度20℃士3℃，湿度95%以上。养护时间在一周左右。

（四）实验步骤

第一步：首先只对记忆合金丝进行试验，不考虑混凝土试件。在考虑温度，初始拉力等情况下。对记忆合金丝施加压力，使其产生形变。使用引伸计测量记忆合金丝的形变，同时记录记忆合金丝的电阻变化。通过多次实验验证，最终得出记忆合金丝形变与电阻之间的关系，记作：△R=k△X(k为系数)

第二步:将记忆合金丝放置在混凝土试件的不同深度内，通过仪器对混凝土试件进行加压，并观察混凝土表面的裂缝情况。记录下表面裂缝大小，并同时记录记忆合金丝的电阻变化。并由第一步实验所得公式，得到不同深度的裂缝宽度。反复实验，得到不同深度裂缝宽度裂缝（即记忆合金丝形变）与表面裂缝之间的关系。与第一步所得公式连列，即得到电阻变化与试件表面裂缝之间的关系，即实验的本构模型：△R=k△L(k为系数)。由于混凝土试件可能会产生内部裂缝，而此裂缝并未延伸至试件表面，导致误差。故可先将进行加压，并记录表面产生裂缝瞬间，记忆合金丝的位移，并通过多次实验判断各深度的均值，在方程式后，减去这段误差。

（五）实验原理

本次实验首先需将SMA筋按照要求埋入到机场道面当中，并且保证SMA筋能够与其内部的混凝土完全粘结。当道面产生裂缝时，将会迫使SMA筋产生形变，由于SMA筋被拉长，其电阻也将产生变化。与此同时，再对SMA筋施加恒定电压，通过观察其电流变化情况，即可推算出SMA筋的电阻变化，进而可知道面所存在的裂缝的宽度大小。

由于不可抗因素，故需对本实验做出下列假设：1、SMA筋与混凝土完全粘结，二者之间不产生相对位移；2、所产生的裂缝宽度与混凝土材料的总形变相同，不考虑其他无裂缝处的形变。

（六）实验详情

SMA筋的布局形式参考《民用机场水泥混凝土道面设计规范》一文中，对于钢筋混凝土板的设计，最终决定在道面板下1/3～1/2的深度预埋好SMA筋，SMA筋相互的间隔视实际情况而定。SMA筋两端焊接导线，并外附绝缘层以防止漏电[1]。

SMA筋布局情况

当混凝土产生宽度为ε大小的裂缝时，则该位置的SMA筋将在压力作用下，产生大小同样为ε的形变（SMA筋的受压变形情况如图所示），随着变形的发生，SMA筋的电阻值将会随之发生改变，并且由于电压恒定，则流过其内的电流大小也会相应地发生变化，根据电流大小的便话，即可进一步推算出相应的裂缝宽度大小。

结论：按照王庆菲在《SMA智能混凝土的裂缝监测与自修复理论研究》一文中所进行的推算研究，可以得到下列几项结论：

1、在对混凝土试件进行加卸载的过程中，SMA筋的电阻相对变化与混凝土试件产生的裂缝宽度近似呈现分段线性的关系模型，且各阶段斜率皆与SMA的结构状态有一定关系，并且能够在固定材料参数下，根据理论模型通过计算得到。

2、对于工作温度处于Ms与Af之间的SMA筋，由于温度升高，其电阻率将发生改变。并且在裂缝完全修复后，其电阻将无法恢复至初始值。（其中Ms为马氏体相变的开始温度，Af为逆相变的完成温度）

3、对于工作温度高于Af

的SMA筋，在裂缝完全修复后，其电阻可以恢复至初始值。

4、若在SMA筋附近产生多条裂缝，则所测得的裂缝宽度将等于多条裂缝宽度之和，仍可以使用上述结论。

根据其在论文中所阐述的电阻变化与裂缝大小的对应关系公式进一步推测可知，只需对该实验中的SMA筋进一步施加恒定电压，即可将电阻变化转变为电流变化。通过观察电流的变化情况，进而达到实时监控裂缝的目的。

参考文献：

[1]张亚楠,李军超,王庆菲,刘兵飞.SMA智能混凝土材料裂缝监测与修复机理和试验研究[J].固体力学学报,2020,41(02):170-181.DOI:10.19636/j.cnki.cjsm42-1250/o3.2019.041.

[2]曲冬. 基于BP神经网络的形状记忆合金回复力预测研究[D].重庆交通大学,2010.

基金项目：中国民航大学大学生创新创业训练计划项目：202110059160