通过测量裂缝和修复区域的电阻来评估裂缝修复程度

裂缝修复等级（CRL）评估方法研究：基于电导率变化的裂缝修复材料（SSRM）分析，通过建立电阻与CRL的线性方程，实验验证其在不同温湿度下的高精度（误差<5%，R2>0.995），为混凝土结构实时耐久性评估提供新工具。

　　

金泰旭 | 金东柱

汉阳大学土木与环境工程系，韩国首尔城东区王新路222号，邮编04763

摘要

评估裂缝修复程度（CRL）对于恢复受损混凝土的力学性能至关重要。目前的方法依赖于表面检查或复杂的程序，这使得可靠的实时评估变得困难。本研究提出了一种创新方法，利用裂缝和修复区域的电阻来估算CRL。当注入含有导电填料的修复材料时，电流流动得以恢复，电阻随之降低。然后根据电阻相对于注入体积分数的变化来推断CRL。电场分析得出了将电阻与CRL关联起来的分段线性方程。在不同温度和相对湿度（RH）条件下进行的实验验证了该方法的准确性。对于40毫米的裂缝，在25℃和60% RH的条件下，随着CRL从0%增加到100%，电阻从1.38 kΩ降低到0.59 kΩ。分析结果与实验结果仅相差1–4%，相关系数大于0.995。这种方法为裂缝修复的实时评估提供了一种快速且准确的工具，有助于结构维护。

引言

最近的统计调查显示，全球桥梁坍塌的频率出现了轻微但明显的增加[1]，[2]。仅在意大利，2000年至2023年间就记录了246起桥梁坍塌事件，年均发生次数从21世纪初的约5起增加到2020年后的10多起[2]。混凝土中的裂缝会降低其刚度和延展性，从而促进腐蚀和渗漏[3]，[4]，[5]。包括纽约停车场（2023年）和德累斯顿的卡罗拉桥（2024年）在内的近期事故都归因于此类裂缝。随着结构的老化，对裂缝修复程度（CRL）的可靠评估变得越来越重要[6]，[7]。填充不良的裂缝会加速钢筋的腐蚀；因此，评估CRL对于确保结构的耐久性和可用性至关重要。

已经使用了多种技术来修复混凝土裂缝，包括电化学沉积[8]、表面浸渍和涂层[9]以及电化学再碱化和氯离子提取[10]。这些技术可以提高耐久性和抗腐蚀性。然而，治疗后无法定量评估CRL。为了解决这一限制，开发了几种诊断方法，如（1）目视检查，（2）基于弹性波的方法[11]，[12]，（3）超声波评估[13]，以及（4）基于智能骨料（SA）的监测[14]，[15]。然而，目视检查仅限于表面状况；弹性波和超声波方法需要多个传感器并需要复杂的解释；而基于SA的监测涉及嵌入式传感器，可能会局部影响主体构件的完整性并增加安装复杂性，从而限制了其在现场的应用[14]，[15]。因此，开发一种简单、定量且侵入性最小的技术来评估CRL仍然是一个挑战。

本研究介绍了一种基于新型自感知修复材料（SSRM）的方法，该方法仅通过测量裂缝和修复区域的电阻来评估CRL。电阻通常与导体的长度成正比，与其横截面积成反比[16]。在混凝土中，裂缝会中断电流流动并增加电阻，而导电修复材料可以恢复电流路径并降低电阻。由于裂缝增加了有效导体长度，而修复减少了这一长度，因此随着CRL的增加，电阻会降低，从而可以实现CRL的定量评估。本研究中使用的SSRM是一种快速凝固的水泥砂浆，其中含有细钢渣骨料（FSSAs），这些骨料具有早期自感知能力[17]。这种能力源于细钢渣骨料在水泥基质中形成的导电网络。由于该材料使用了快速硬化的水泥粘合剂，因此在水化过程中可以迅速建立连续的导电网络，即使在早期阶段也能实现自感知功能[17]。FSSAs作为经济有效的功能性填料，可以提高工作性能[18]，[19]、抗压强度[20]、抗弯强度[22]和自感知能力[23]，[24]。其他功能性填料包括多壁碳纳米管[21]，[25]、炭黑[26]，[27]、镍粉[28]、铜粉[29]，[30]和钢纤维[31]，[32]，但它们的高成本限制了实际应用[20]。钢纤维可以增强抗压[33]，[34]、抗拉[24]，[32]和抗弯强度[35]，[36]以及抗氯离子能力[37]，而形状记忆合金纤维可以改善拔出性能[38]和抗弯强度[39]。然而，这些材料价格昂贵，不适合用于裂缝修复。与仅填充裂缝的传统修复材料不同，SSRM通过其内在的自感知能力实现了实际的、原位的、定量的修复效果评估。

本研究旨在建立一种通过分析裂缝和修复区域电阻来评估CRL的可靠方法。具体目标包括：（1）从理论上研究裂缝和修复区域的电响应，考虑混凝土的导电性和裂缝宽度；（2）通过在不同温度和相对湿度（RH）条件下进行的实验来验证CRL的估算；（3）基于电阻推导出实用的CRL评估方程。

章节摘录

目前用于研究混凝土裂缝CRL的技术

尽管在裂缝修复方法和材料方面进行了大量研究，但很少有工作专注于评估CRL[14]。本节回顾了评估CRL的现代技术，强调了它们的机制和局限性。

Aggelis等人[11]和Aggelis与Shiotani[40]使用尺寸为150×150×500毫米3的混凝土试样（裂缝宽度约为4毫米）通过将弹性波速度与裂缝条件相关联来评估CRL。他们利用瑞利波分析了振幅变化

根据CRL的裂缝和修复区域的电阻

图1展示了不同CRL下裂缝和修复区域的电阻行为。裂缝通过中断电流流动来增加电阻，而导电修复材料则恢复导电性，从而随着CRL的增加而降低电阻。因此，可以通过修复前后的电阻测量结果以及CRL–R曲线的斜率（q）来估算CRL，该斜率始终为负（q<0），反映了它们之间的反比关系。

混凝土不同导电性的影响

$R_{\mathrm{CRL}}?\mathrm{CRL}$曲线与混凝土导电性的关系如图11所示。随着裂缝深度从10毫米增加到40毫米，$R_{\mathrm{CRL}}$从156.74 kΩ降低到70.435 kΩ。当电极嵌入裂缝深度时，更大的深度为电流流动提供了更大的横截面积，从而降低了电阻。因此，电极嵌入越深，电阻越低。

此外，无论$R_{\mathrm{CRL}}?\mathrm{CRL}$曲线的斜率通常随着CRL的增加而增加

结论

本研究研究了在不同条件下的裂缝和修复区域的电响应与裂缝修复程度（CRL）之间的关系，包括混凝土导电性、裂缝深度和裂缝宽度，目的是开发一种基于电阻的修复评估方法。研究结果表明，可以通过测量电阻来可靠地评估CRL，而无需考虑温度和相对湿度（RH）。主要发现总结如下：

• ●
  CRL可以

CRediT作者贡献声明

金东柱：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目实施、方法论、资金获取。金泰旭：撰写 – 原稿撰写、验证、软件开发、方法论、研究实施。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本文基于金泰旭于2025年提交给韩国世宗大学的博士论文[53]。本工作得到了韩国基础设施技术促进机构（KAIA）的资助，该机构由国土、基础设施和交通部提供资金（项目编号RS-2022–00142566）。本文表达的观点仅代表作者本人，并不一定反映出资助方的观点。