《Journal of Building Engineering》：Unified AC-Based Framework for Self-Sensing UHPFRC: Effects of Fiber Length and Electrode Geometry under Tension and Compression
编辑推荐：
本研究系统评估了三种纤维长度（6、13、19.5mm）和三种电极几何形状（I、U、W型）对自感知高性能纤维混凝土（S-UHPFRC）电机械响应的影响，发现纤维长度在压缩和拉伸中呈现相反效应，其中U型电极在两种加载条件下均表现出最佳稳定性和可靠性，为结构健康监测系统设计提供理论依据。
Thanh Tu Lai|Jun Sik Cho|Min Kyoung Kim|Dong Joo Kim
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 智能超高性能纤维增强混凝土（S-UHPFRC）在自感知和结构健康监测（SHM）方面具有巨大潜力；然而，其电机械性能受到纤维特性和电极配置的显著影响。特别是在压缩和拉伸条件下，纤维长度与电极几何形状的耦合效应尚未得到充分理解，这限制了实验室研究成果在实际SHM应用中的转化。为解决这一问题，本研究系统评估了三种纤维长度（6毫米、13毫米和19.5毫米）以及三种嵌入式电极几何形状（I型、U型和W型，分别包含一个、两个和三个嵌入腿）对S-UHPFRC在单轴压缩和拉伸条件下的电机械响应的影响，使用了交流电测量方法。纤维长度显著影响了感知响应的方向和稳定性，在压缩和拉伸条件下表现出相反的趋势。在压缩条件下，较短纤维的混合物产生了最大的电阻变化率（FCR ），CU-06在139.9 MPa时达到-7.67%，变异性仅为0.99%。相比之下，较长纤维提高了拉伸应力敏感性，TU-19的FCR 为29.78%。总体而言，研究结果强调了协调优化纤维长度和电极几何形状对于实现S-UHPFRC的可靠、高性能自感知的重要性，并为其在大规模SHM系统中的应用提供了实用指导。在三种电极配置中，U型电极在两种加载条件下始终表现出最可靠和稳定的感知性能。
引言 建筑物和基础设施的倒塌导致了多起人员伤亡和巨大的经济损失[1]、[2]。近几十年来，建筑物和基础设施的灾难性倒塌事件持续增加。例如，2024年苏丹的Arbaat大坝倒塌导致至少148人死亡，多人失踪；2024年中国上罗路桥倒塌造成38人死亡，24人失踪；2018年墨西哥城地铁高架桥倒塌导致26人死亡，70多人受伤；2018年美国佛罗里达国际大学人行桥倒塌导致6人死亡，10人受伤。这些灾难性事件突显了结构健康监测（SHM）系统的重要性，该系统通过监测结构属性和变形的变化来提供早期预警。
SHM系统通常利用视觉检查[3]和商业传感技术，包括冲击回波传感器、应变计传感器、压电传感器和光纤传感器来监测结构中的应力、应变和损伤[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。然而，视觉检查员存在局限性，如检查不连续和检测能力不一致，导致结果不稳定。此外，目前用于SHM的商业传感器往往耐久性低、结构强度降低、需要频繁维护，并且在某些领域的适用性有限[13]。
为了克服当前SHM技术中商业传感器的局限性，许多研究小组通过仅测量结构材料的电阻[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]，研究了基于水泥的复合材料的自应力、自应变和自损伤感知能力以及电机械性能。Wittman在1973年首次报道了水泥材料在机械加载下的电机械响应[14]，他观察到在没有导电功能填料的普通水泥浆体中存在电响应。自这项开创性工作以来，研究人员加入了导电功能填料（如钢纤维、碳纤维和纳米纤维）以提高水泥基复合材料的电敏感性和自感知能力[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。研究表明，加入导电功能填料可以通过形成更多的导电网络来降低电阻[26]。特别是对于钢纤维增强水泥基复合材料，已经研究了纤维体积含量[27]、[28]、混合纤维[29]、[30]、[31]和电极材料[32]、[33]对智能水泥基复合材料自感知能力的影响。利用智能超高性能纤维增强混凝土（S-UHPFRC）的智能混凝土锚固和块体，通过直流电（DC）测量准确测量了预应力筋的预应力（或应力）[34]、[35]。然而，基于DC测量获得的电阻来确定S-UHPFRC的应力状态具有挑战性，因为电阻的变化率在压缩和拉伸应力下通常都会降低。
S-UHPFRC在拉伸应力下的电阻随着拉伸应力的增加而降低[36]。此外，当压缩应力增加时，S-UHPFRC的电阻也会降低[17]、[37]、[38]。在DC测量中，需要较长的电极化时间以确保智能水泥基复合材料在测试前的电阻稳定[39]。DC测量固有的电极化效应显著延迟了数据采集，从而限制了其用于即时结构健康检查的适用性。Nguyen等人[36]报告称，DC测量所需的电极化时间至少为20分钟。Kim等人[40]报告称，使用嵌入式电极可以成功缩短极化时间。极化时间受到试样与电极之间电子积累的影响[32]。电子积累程度越高，极化时间越长[32]。因此，需要一种替代的测量方法来克服DC测量的缺点。
一些研究小组使用交流电（AC）测量方法代替了DC测量方法[37]、[41]。Hu等人[42]报告称，他们的AC测量方法中没有极化效应。另一方面，Kim等人[43]报告称，使用AC万用表测量的S-UHPFRC的电阻率随拉伸应力的增加而线性增加，但随着压缩应力的增加而降低。然而，Kim的研究使用了非均匀的自感知混合物，在压缩条件下使用6毫米的钢纤维，在拉伸条件下使用30毫米的纤维，这阻碍了清晰评估纤维长度对基于AC的电机械响应的单独影响。此外，S-UHPFRC的电阻响应是使用不均匀的电极类型测量的，压缩条件下使用铜线网，拉伸条件下使用铜带与银浆的组合。Cho等人[33]报告称，在单轴加载下，嵌入式铜U形电极在捕捉S-UHPFRC的电阻响应方面表现出更好的性能。Le等人[44]报告称，通过加入不同体积含量的短钢纤维和FSSAs，可以增强S-UHPFRC在压缩加载下的AC基自感知性能。Hou等人[45]报告称，添加13毫米长的钢纤维显著提高了S-UHPFRC在压缩条件下的自应变感知敏感性。此外，Kim等人[46]证明了含有19.5毫米纤维长度的S-UHPFRC在高循环压缩载荷（高达40 MPa）下的自应力感知能力。在这些研究中，使用铜线网电极监测S-UHPFRC在压缩条件下的电阻变化；然而，它们的安装可能会破坏导电填料的分布，从而影响感知性能和结构完整性。尽管许多研究使用AC和DC测量方法研究了混凝土的感知行为[6]、[47]、[48]、[49]，考虑了电极类型[33]、[43]、导电填料[41]、[47]、[48]和加载条件[6]、[50]、[51]等因素，但电极几何形状和纤维长度对AC测量下混凝土电机械响应的影响尚未得到系统研究。本研究提供了一个统一的基于AC的框架，这些框架分离了这些影响，并量化了响应的幅度和一致性，为实际SHM系统提供了更清晰的设计指南。
本研究克服了基于DC的测量框架的局限性，这些框架需要在测试前进行极化以稳定受离子迁移影响的电阻（R ）[37]、[52]、[53]。相比之下，基于AC的测量框架使用具有对称正负峰的AC测量，从而消除了极化效应的需求[37]。此外，基于AC的S-UHPFRC电阻响应能够准确识别结构应力状态，因为在拉伸下R 增加，在压缩下R 减少[54]。相比之下，基于DC的测量无法区分这些应力状态，因为R在压缩和拉伸下都会降低[33]、[35]。尽管有许多关于基于AC的测量技术的研究，但各种纤维长度和电极几何形状对S-UHPFRC电阻响应的影响尚未得到系统研究。因此，本研究的目的是基于测量的FCR 预测S-UHPFRC在单轴加载下的应力和应变状态。具体目标如下：（1）研究不同纤维长度对S-UHPFRC在单轴加载下的电机械响应的影响；（2）比较不同电极几何形状对S-UHPFRC电机械响应的影响。
实验 图2显示了一个实验程序，用于基于AC万用表测量的电阻来研究S-UHPFRC在单轴载荷下的应力或应变状态。本研究使用AC万用表研究了S-UHPFRC在单轴拉伸（T）和压缩（C）应力下的自应力感知能力。为了清晰研究纤维长度对加载条件下电机械响应的影响，使用了三种不同的纤维长度：19.5毫米（-19）、13毫米（-13）和6毫米
结果 图7显示了S-UHPFRC在压缩（图7a）和拉伸（图7b）载荷下的典型电机械响应。如图7a所示，当S-UHPFRC的压缩应力（FCR （即电阻）降低。当S-UHPFRC的FCR 突然波动并伴有高噪声。三个电参数包括初始电阻（Ri ）、电
S-UHPFRC在外部载荷下的FCR 来源 图12显示了S-UHPFRC在压缩条件下的导电路径变化。在加载之前，由于导电填料之间的接触，导电填料已经在S-UHPFRC中形成了多个短导电路径[13]。当S-UHPFRC的压缩应力从零增加到f c,max 时，压缩应变从零增加到? c,max ，导电填料之间的距离缩短[33]、[44]、[52]。当短导电路径
结论 本研究研究了S-UHPFRC在单轴加载条件下的电机械响应，重点关注了纤维长度（6毫米、13毫米和19.5毫米）和电极配置（I型、U型和W型）的影响。使用基于AC的四探针测量方法，系统评估了电阻和
FCR 响应，为含有嵌入式铜电极的S-UHPFRC的感知行为提供了基本见解。可以得出以下结论：
? 本研究建立了
CRediT作者贡献声明 Jun Sik CHO： 撰写——审稿与编辑、可视化、方法论、研究。Thanh Tu LAI： 撰写——初稿、研究、数据管理。Dong Joo KIM： 撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目协调、方法论、资金获取、概念化。Min Kyoung KIM： 撰写——审稿与编辑、监督、方法论
利益冲突声明 作者声明他们没有可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
数据可用性 数据将在合理请求时提供。
资金来源的作用 本研究得到了韩国基础设施技术促进机构（KAIA ）的资助，该机构由土地 、基础设施 和交通部资助[资助编号：RS-2022-00142566]。本文表达的观点仅代表作者本人，并不一定反映资助方的观点。
利益冲突声明 ? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
