李淑青

(山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 太原 030006)

壓敏水泥基材料是指電阻率變化率隨應(yīng)力、應(yīng)變變化呈規(guī)律性變化的機敏材料,通過檢測材料電阻率的變化可對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、損傷和溫度的變化進行監(jiān)測[1-2]。在分析應(yīng)用時,可根據(jù)電阻率變化率-應(yīng)力、電阻率變化率-應(yīng)變的變化,實現(xiàn)多層次的工程應(yīng)用研究:在路面材料中應(yīng)用,可檢測車輛載重,監(jiān)測車輛是否超載或超速等;在路基材料中應(yīng)用,可對路基內(nèi)部的損傷情況進行檢測;在傳感器中應(yīng)用,作為嵌入式壓敏水泥基應(yīng)力/應(yīng)變傳感元件,可實現(xiàn)較好的相容性。由于電阻率變化率-應(yīng)力/應(yīng)變檢測具有無損和連續(xù)性的特性,使其可在重大土木基礎(chǔ)設(shè)施的內(nèi)部應(yīng)力和健康狀況自診斷和監(jiān)測等方面發(fā)揮重要作用,在重大工程的長期安全監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前常用于制作機敏混凝土的導(dǎo)電材料分為碳類和金屬類,按形態(tài)分為粉狀和纖維狀,碳類主要是碳纖維、石墨、炭黑等,金屬類主要是鎳粉、銀粉、鋼屑、鋼纖維等。在普通水泥基材料中摻入導(dǎo)電材料,制作的復(fù)合材料可顯著改善水泥基材料的導(dǎo)電性能,使其對應(yīng)力、應(yīng)變有很高的電阻敏感性。

目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對水泥基材料的機敏性進行了大量的研究[3],本文在此基礎(chǔ)上研究了碳基-水泥基復(fù)合材料的壓敏性,分析了碳纖維、石墨以及納米炭黑這三類碳基材料對水泥基材料壓敏性的影響,為探索碳基-水泥基復(fù)合材料在實際工程中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 碳纖維水泥基復(fù)合材料的壓敏性

1.1 復(fù)合材料的力學(xué)及電學(xué)性能

在普通水泥基材料中加入碳纖維,可使材料的電阻值大大降低,當(dāng)材料受壓時,試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致電阻同時改變,使水泥基復(fù)合材料具有壓敏性。劉漢[4]等對復(fù)合材料力電性能的進展進行了分析,表明碳纖維的存在有助于提升復(fù)合材料的層間剪切強度;當(dāng)碳纖維的分散性更加均勻時,可以更好地提高材料的強度、韌性及其壓敏性。在制備碳纖維水泥基復(fù)合材料時,碳纖維的體積摻量應(yīng)達到其滲流閾值,但不宜超過太多,此時制備的材料具有良好的力電特性。

1.2 三向受壓循環(huán)加載壓敏性研究

大多學(xué)者已經(jīng)對碳纖維水泥基復(fù)合材料單向受壓時的壓敏性進行了深入研究,而對三向受壓試樣壓敏性的變化規(guī)律研究較少。研究碳纖維水泥基材料在同一試樣上進行單向受壓及三向受壓的循環(huán)加載試驗,對比電阻變化規(guī)律發(fā)現(xiàn),試件電阻及壓敏性在三向受壓與單向受壓的規(guī)律基本相同,而由于三向受壓產(chǎn)生的套箍作用,使得試樣作用力更大,因此電阻率變化率的變化更加明顯,穩(wěn)定性更強[5]。

1.3 復(fù)合材料壓敏性的靈敏度與含水量的相關(guān)性

試樣在壓縮過程中的電阻率變化規(guī)律,與試樣的含水率有很大關(guān)系,王玉林[6-7]等通過對烘干與未烘干兩種試樣的壓敏性對比,提出了靈敏度的概念。當(dāng)采用階梯循環(huán)加卸載方式在不同應(yīng)力下對試樣的壓敏性變化進行試驗,發(fā)現(xiàn)原始復(fù)合材料呈現(xiàn)正壓敏特性,而試樣經(jīng)烘干會呈現(xiàn)出負壓敏特性,但其靈敏度均隨應(yīng)力的增大而減小。同時,研究材料壓敏性的靈敏度隨壓應(yīng)力增加的衰減速度,發(fā)現(xiàn)材料烘干后的衰減速度慢于未經(jīng)烘干的材料,可以使用隧穿效應(yīng)和電容效應(yīng)很好地揭示此現(xiàn)象產(chǎn)生的機理。

2 石墨水泥基復(fù)合材料的壓敏性

2.1 石墨摻量對復(fù)合材料的影響

碳纖維水泥基材料雖然有很多優(yōu)點,但是其成本相對較高,粉狀石墨具有成本較低的優(yōu)勢,且分散性較好,能有效解決碳纖維材料分散工藝復(fù)雜的難題。當(dāng)石墨摻量很低,即石墨占水泥質(zhì)量比的1%—3%時,由于絕對電阻率較高,可采用交流分壓電路對試樣進行測試;當(dāng)石墨摻量增大時,試樣的強度降低,壓敏性提高,同時在加載過程中電阻率波動性變小[8];當(dāng)石墨摻量從5%增加到10%時,電阻率下降最為明顯;而摻量從10%升至15%的階段,電阻率下降趨于緩和;從15%升到20%時,其變化極小。研究發(fā)現(xiàn),石墨導(dǎo)電混凝土電阻率的滲流閾值區(qū)間為10%—15%[9]。

2.2 防水材料對石墨水泥基復(fù)合材料的影響

多位學(xué)者研究了石墨水泥基復(fù)合材料的壓敏性,并從養(yǎng)護齡期和應(yīng)力方面考慮了壓敏性的變化規(guī)律,但在復(fù)合材料中添加防水材料的研究較少。范曉明[10]等研究了在石墨水泥基復(fù)合材料中添加滲透結(jié)晶防水材料,其中石墨摻量(占水泥質(zhì)量分數(shù))從0增加到50%,每種配比增加10%。研究表明,在石墨摻量從0加大至20%的過程中,試樣電阻率持續(xù)快速降低;此后電阻率降低幅度減小,說明此類試樣的滲流閾值在20%左右。在壓縮過程中,較低石墨摻量的試樣壓應(yīng)變低于石墨摻量較高的情況,這是因為較大的石墨摻量會導(dǎo)致試樣的力學(xué)性能降低。

3 納米炭黑水泥基復(fù)合材料的壓敏性

3.1 低炭黑摻量對復(fù)合材料的影響

納米炭黑具有良好的導(dǎo)電性,具有尺寸小比表面積大、親水性好等眾多優(yōu)點,而適當(dāng)摻量的納米炭黑可顯著提高水泥基材料的力學(xué)性能。龍曦[11]等研究了炭黑摻量(占水泥質(zhì)量分數(shù))為0—3%的試樣壓敏性,發(fā)現(xiàn)當(dāng)炭黑摻量為0.3%時電阻較大,沒有壓敏現(xiàn)象的產(chǎn)生;炭黑摻量為0.8%時,壓敏性較好;炭黑摻量為2.5%時,壓敏性較0.8%時有所降低,在循環(huán)加載實驗中,試樣卸載后的電阻高于壓縮前的電阻值;當(dāng)炭黑摻量在0.6%—1.5%時,電阻率減小較快,表現(xiàn)出明顯的滲流特性,故此區(qū)間為炭黑復(fù)合材料的滲流區(qū)間。

3.2 高炭黑摻量對復(fù)合材料的影響

由于炭黑屬于導(dǎo)電介質(zhì),在較低摻量時,其水泥基復(fù)合材料即可體現(xiàn)出一定的壓敏性;對于較大的炭黑摻量,其壓敏性同樣值得考慮。韓寶國[12]等采用埋入式環(huán)狀電極的四電極法測試試樣電阻,表明壓敏性受到測試電流和試樣偏壓的影響較小。對乙炔炭黑(體積摻量)達到15%的水泥基材料進行壓敏性測試,并在測試時使用一次加載至破壞的測試手段。結(jié)果顯示,試樣在彈性階段電阻率變化率達到35%,而加載直至破壞這一過程中變化率最高達55%。

4 結(jié)語

由于壓敏性檢測具有無損和連續(xù)性的特性,通過檢測材料的壓敏性,可實現(xiàn)多層次的工程應(yīng)用研究,使其在重大土木基礎(chǔ)設(shè)施的內(nèi)部應(yīng)力和健康狀況自診斷和監(jiān)測等方面發(fā)揮重要作用,同時在重大工程的長期安全監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文研究了碳基-水泥基復(fù)合材料的壓敏性,分析了碳纖維、石墨以及納米炭黑這三類碳基材料對水泥基材料壓敏性的影響,為探索碳基-水泥基復(fù)合材料在實際工程中的應(yīng)用提供依據(jù)。