田曉鶴

(河北省高速公路京衡管理處,河北 衡水 053020)

混雜纖維增強(qiáng)混凝土壓敏性試驗(yàn)研究

田曉鶴

(河北省高速公路京衡管理處,河北 衡水 053020)

采用四電極法對(duì)碳-鋼混雜纖維混凝土的壓敏特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探討了不同碳纖維、鋼纖維摻量條件下混雜纖維混凝土電學(xué)性能隨荷載的變化規(guī)律。研究表明：將鋼纖維摻加到碳纖維混凝土中，可以提高其力學(xué)性能，改善其壓敏性。在碳纖維體積摻量為0.6%、鋼纖維體積摻量為0.2%時(shí)，混凝土的壓敏性最好，且經(jīng)歷20次加載卸載循環(huán)過(guò)后試件壓敏性穩(wěn)定。

導(dǎo)電混凝土；電阻率變化率；循環(huán)荷載；壓敏性

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注路面結(jié)構(gòu)的智能化，混凝土作為公路工程中使用最為廣泛的材料，其功能化迫在眉睫。導(dǎo)電混凝土是在普通混凝土中摻入適量的導(dǎo)電相材料而形成的一種具有自適應(yīng)、自感應(yīng)、自修復(fù)功能且導(dǎo)電良好的多相復(fù)合智能材料[1]。目前在導(dǎo)電混凝土的諸多導(dǎo)電相材料中，碳纖維具有強(qiáng)度高、彈性高且導(dǎo)電性能良好等優(yōu)勢(shì)，將適量短切碳纖維摻到水泥混凝土中，可以顯著提高混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度，且由于纖維的插拔效應(yīng)[2]、電通道效應(yīng)[3]和隧道效應(yīng)[4]等，這種碳纖維混凝土具有良好的壓敏性能。

近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)纖維混凝土的性能做出了大量的研究，韓知伯等人[5]在21世紀(jì)初研究了單摻碳纖維、復(fù)摻納米炭黑、碳纖維和三摻納米炭黑、碳纖維和鋼纖維對(duì)混凝土工作性、抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的影響，通過(guò)對(duì)導(dǎo)電混凝土梁受彎過(guò)程中機(jī)敏性能研究，論證導(dǎo)電混凝土用于裂縫監(jiān)測(cè)工程中的自感應(yīng)能力。2015年，Gopalakrishnan K[6]通過(guò)優(yōu)化碳纖維與石墨粉的配比設(shè)計(jì)出了一種導(dǎo)電砂漿，其熱敏性良好可以用于機(jī)場(chǎng)道路的除冰。Androvitsaneas V P[7]在2016年研究了纖維導(dǎo)電混凝土作為接地系統(tǒng)用在雷電保護(hù)系統(tǒng)(LPS)領(lǐng)域，并通過(guò)脈沖電流測(cè)試垂直的接地棒，為其用于接地系統(tǒng)中對(duì)雷擊設(shè)施的保護(hù)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。曹勤等人[8]一直從事纖維導(dǎo)電混凝土的性能研究，基于纖維混凝土的壓敏性能將其應(yīng)用于智能交通測(cè)速系統(tǒng)，取得了一定的成果。

綜上所述，目前開(kāi)展的碳纖維應(yīng)用研究主要集中在電力設(shè)備接地工程、結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)、智能交通系統(tǒng)和電熱除冰化雪等方面。

為滿(mǎn)足路面結(jié)構(gòu)的工作要求，提出將鋼纖維摻加到碳纖維混凝土中，提高復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度，分析不同導(dǎo)電相摻量下混凝土的壓敏性能，找出合理?yè)搅?，為將這種智能材料用于路面結(jié)構(gòu)智能化交通測(cè)速、車(chē)輛稱(chēng)重或結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)奠定基礎(chǔ)，使混凝土集功能和結(jié)構(gòu)于一身。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

長(zhǎng)度為6 mm的短切聚丙烯腈基碳纖維，南京緯達(dá)復(fù)合材料有限公司產(chǎn)，性能參數(shù)見(jiàn)表1。

P·O 42.5級(jí)水泥，粒徑為5～10 mm的河卵石，細(xì)骨料為河砂，硅灰中SiO2含量不小于85%，密度2 300 kg/m3。鍍銅微絲型鋼纖維，長(zhǎng)度6～14 mm，直徑0.16～0.35 mm，抗拉強(qiáng)度1 200～3 000 MPa，散絲狀，密度為7 600 kg/m3。

表1 碳纖維性能參數(shù)

1.2 試件制作與試驗(yàn)方法

研究表明，碳纖維的體積摻量小于1%時(shí)，混凝土的電阻率變化最明顯[10]。因此，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)2組碳纖維摻量分別為0.4%和0.6%的混凝土試件。

制作試件時(shí)，碳纖維的分散性直接關(guān)系到纖維導(dǎo)電混凝土的力學(xué)和電學(xué)性能。試驗(yàn)表明，聚羧酸減水劑具有良好的分散碳纖維的效果[11]，將碳纖維加入一定濃度的減水劑溶液中攪拌溶解并烘干；然后將鋼纖維和碳纖維按照一定體積比混合，加入砂子攪拌均勻；再依次加入膠凝材料和水并拌和均勻，制成100 mm×100 mm×100 mm的試件，24 h后脫模標(biāo)準(zhǔn)方法養(yǎng)護(hù)28 d。

電阻的測(cè)量采用直流電路，電極采用預(yù)埋置入鐵絲網(wǎng)，理論分析來(lái)看，四電極法的測(cè)量結(jié)果更加接近試件的真實(shí)電阻，測(cè)試裝置如圖1所示。

圖1 四電極法測(cè)量電阻

由R=U/I和ρ=RS/L計(jì)算材料的電阻率，其中R為試件電阻,Ω；U為外加電壓；I為通過(guò)試件的電流,A；ρ為材料的電阻率,Ω·m；S為材料的面積,m2；L為材料的長(zhǎng)度,m。使用NYL-500 型液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行加載，測(cè)試試件荷載作用下電阻變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 纖維混凝土壓敏性

通過(guò)對(duì)纖維混凝土壓敏性能試驗(yàn)得到荷載-電阻率變化率之間的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 不同鋼纖維摻量下試件的壓敏性

圖2中CS0.6-0、CS0.6-0.1、CS0.6-0.2、CS0.6-0.3、CS0.6-0.4表示碳纖維摻量為0.6%(體積比)，鋼纖維摻量(體積比)分別為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的混雜纖維導(dǎo)電混凝土試件。由圖2中可以看出，各個(gè)試件從加載至破壞，電阻率變化率大致經(jīng)歷3個(gè)階段：200 kN之前電阻率變化率增大階段，電阻率變化率和荷載之間接近線(xiàn)性關(guān)系；200～500 kN之間，電阻率變化率趨于平緩階段；500 kN至破壞前，試件電阻率變化率開(kāi)始急劇減小階段。

混凝土中加入導(dǎo)電相材料后，鋼纖維和碳纖維分散在基體中形成了一個(gè)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在受壓初期，混凝土中的纖維插入基體，纖維之間的搭接數(shù)目發(fā)生變化，局部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始變密集，部分沒(méi)有搭接的纖維之間也開(kāi)始接觸；而且在壓力作用下，混凝土本身的孔隙減小，基體中的水化膠體顆粒也變小，電子之間躍遷勢(shì)壘減小，基體的導(dǎo)電性增強(qiáng)較快，電阻率變化率開(kāi)始增大。隨壓應(yīng)力的增大，混凝土內(nèi)部裂縫或缺陷的發(fā)展或閉合由于鋼纖維的阻礙作用變得緩慢，試件內(nèi)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)也趨于完善，混凝土的導(dǎo)電性能變化穩(wěn)定，表現(xiàn)為電阻率變化率緩慢增加或趨于穩(wěn)定。在電阻率變化率平緩階段，可以通過(guò)電阻率的增加估測(cè)出結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂縫情況；亦可根據(jù)電阻率的變化情況感知行駛車(chē)輛載重變化。當(dāng)荷載逐漸增加到達(dá)破壞階段，試件內(nèi)不斷有新的裂縫產(chǎn)生，受拉區(qū)的纖維也開(kāi)始逐漸從混凝土基體中撥出，新裂縫的產(chǎn)生速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于舊裂縫的閉合速度，受壓區(qū)的混凝土被壓碎，試件整體性變差，基體混凝土中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生破壞。

此外，由圖2中可以看出，碳纖維含量一定時(shí)，鋼纖維摻量增高，試件的抗壓強(qiáng)度增大，在鋼纖維摻量為0.2%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度最大，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，增大鋼纖維摻量可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。試件CS0.6-0和CS0.6-0.4的電阻率變化率較低，且曲線(xiàn)沒(méi)有平滑段，這說(shuō)明其電阻隨應(yīng)力的變化不穩(wěn)定；另外，幾種曲線(xiàn)電阻率變化率最低點(diǎn)時(shí)，鋼纖維體積摻量為0.2%，碳纖維體積摻量為0.6%為混雜混凝土中導(dǎo)電相的最佳摻量。

圖3為試件CS0.4-0、CS0.6-0.2和CS0.4-0.2的荷載-電阻率變化率曲線(xiàn)圖，對(duì)比CS0.6-0.2和CS0.4-0.2可以看出，其電阻率變化率曲線(xiàn)平滑，同一鋼纖維摻量下，碳纖維摻量為0.6%比0.4%的壓敏性要好。圖3顯示，CS0.4-0.2的電阻率變化率曲線(xiàn)在CS0.4-0的下方，說(shuō)明碳纖維摻量不變時(shí)，加入鋼纖維可以很好地改善混凝土的壓敏性。

圖3 試件CS0.4-0、CS0.6-0.2、CS0.4-0.2的壓敏性

2.2 循環(huán)荷載作用下纖維混凝土的壓敏性

圖4為循環(huán)荷載下試件CS0.6-0、CS0.6-0.1、CS0.6-0.2、CS0.6-0.3的電阻率變化曲線(xiàn)。在試件彈性范圍內(nèi)，選擇最大加載荷載為200 kN，加載速度2 kN/s，循環(huán)加載20次。

圖4 循環(huán)荷載下試件CS0.6-0、CS0.6-0.1、CS0.6-0.2、CS0.6-0.3的壓敏性

圖4顯示，在加載階段，隨壓應(yīng)力的增大，試件的電阻率變化率增大；卸載階段，隨壓應(yīng)力減小，試件的電阻率變化率逐漸減??；卸載后試件的電阻率變化率基本可以恢復(fù)到原始水平，即混凝土的電阻率變化率與荷載之間有良好的對(duì)應(yīng)性。分析認(rèn)為，在加載階段，混凝土中的纖維插入基體，纖維之間的搭接數(shù)目以及纖維和導(dǎo)電石墨之間的接觸數(shù)目發(fā)生變化，局部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始變密集；而且在壓力作用下，混凝土本身的孔隙減小，電子之間躍遷勢(shì)壘減小，基體的導(dǎo)電性逐漸變強(qiáng)，電阻率變化率開(kāi)始增大。隨后卸載時(shí)，纖維發(fā)生拔出現(xiàn)象，纖維之間搭接數(shù)目減小，已經(jīng)形成的局部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始變得疏松，此時(shí)混凝土中電子之間勢(shì)壘增大躍遷阻力增大，基體的電阻逐漸增大，電阻率變化率也開(kāi)始減小。由于荷載較小，混凝土內(nèi)部并沒(méi)有新的裂縫形成或擴(kuò)張，故卸載后，電阻基本能恢復(fù)原來(lái)的水平，電阻率變化率也基本不變。

對(duì)試件CS0.6-0.1，增大試件的壓應(yīng)力，卸載后部分試件的電阻率不能恢復(fù)到原位，每經(jīng)歷一次循環(huán)卸載后，電阻增大，電阻率變化率出現(xiàn)了正值，分析認(rèn)為：試件在受壓過(guò)程中，基體內(nèi)部的某些空隙和缺陷被壓實(shí)，出現(xiàn)了類(lèi)似于徐變的永久變形，使試件的電阻增大。且經(jīng)過(guò)多次循環(huán)后，試件的電阻率變化率是逐漸減小的，發(fā)生不可逆變化，即壓敏性穩(wěn)定性較差?？梢?jiàn)，加入鋼纖維后，循環(huán)荷載作用下，混凝土的壓敏性變好，在碳纖維體積摻量為0.6%，鋼纖維體積摻量為0.2%時(shí)，經(jīng)歷20次循環(huán)過(guò)后試件壓敏性穩(wěn)定。

3 結(jié)論

1)在試驗(yàn)所選摻量范圍內(nèi)，碳纖維體積摻量為0.6%，鋼纖維體積摻量為0.2%時(shí)，混凝土的壓敏性最好。

2)碳纖維摻量降低，加入鋼纖維可以很好地改善混凝土的壓敏性，但在鋼纖維體積摻量超過(guò)0.4%后，改善作用不明顯。

3)對(duì)碳纖維體積摻量為0.6%的纖維混凝土，當(dāng)鋼纖維體積摻量為0.2%時(shí)，經(jīng)歷20次加載卸載循環(huán)過(guò)后試件壓敏性穩(wěn)定。

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1008-844X(2017)02-0116-04

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