周天舒，孫亞飛，彭月月

(1.江蘇大學 土木工程與力學學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2.鹽城工學院 土木工程學院，江蘇 鹽城 224051； 3.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232000)

1 前 言

隨著水泥基材料自診斷、自愈合、自適應等新概念的提出，機敏混凝土(Smart concrete)因具有以電阻率變化反應外部環(huán)境變化的能力而倍受關注。眾多學者除了嘗試使用多種導電功能填料制備擁有良好感知性能的機敏混凝土外，還專注于探討導電機理，調控其導電行為，并研究電阻對應力的響應敏感性[1]。但目前機敏混凝土離實際應用仍有一定距離，主要是因為混凝土是一種非均質材料，制備過程容易受外界因素影響，電阻率和靈敏度分布離散性大，難以利用現(xiàn)有方法對其導電行為和力-電響應規(guī)律進行定量描述。

石墨烯晶格為苯六環(huán)狀，是碳原子基于sp2雜化軌道組成而得[2]。獨特的二維納米晶體結構賦予了石墨烯穩(wěn)定的結構狀態(tài)和優(yōu)異的的導電和熱學性能。此外，其納米材料屬性還體現(xiàn)在量子霍爾效應、表面尺寸效應等多個方面[3]，將其復摻于機敏混凝土中以達到降低電阻率，提高壓阻響應靈敏度目的。國外文獻關于多層石墨烯納米片(NGPs)的報道主要集中在對水泥漿體的水化過程、晶體結構及力學性能影響，對其在機敏混凝土中應用報道較少。SUN等[4]研究了摻NGPs水泥基復合材料，對不同的加載速率和加載振幅下分析了其點響應情況，探討了摻NGPs水泥基復合材料在動態(tài)加載速率測量中的應用，結果表明，該材料在不同加載條件下對壓阻效應具有敏感性與穩(wěn)定的可重復性，當NGPs體積摻量為4%～10%時，壓阻響應明顯。JIN等[5]將摻NGPs水泥基復合材料浸泡入NaCl溶液，測試不同Cl-含量的復合材料電阻率。結果表明，電阻率隨著Cl-含量升高而升高?？梢?，將摻NGPs水泥基復合材料應用于非破壞性檢測技術具有廣闊的前景。

本研究采用碳纖維(CF)、鍍銅鋼纖維(SF)、多壁碳納米管(MWCNTs)與NGPs等功能填料復摻制備出一種低電阻率、高靈敏度的機敏混凝土。通過配合比設計，研究功能填料摻量對機敏混凝土力學強度、電阻率和靈敏度的影響。

2 實 驗

2.1 原材料

水泥采用P.C 42.5復合硅酸鹽水泥；砂采用天然河砂；減水劑減水率約為40%的液體聚羧酸型減水劑。SF長度為±35 mm；CF長度約為6 mm；硅灰、MWCNTs與NGPs均由公司生產。NGPs性能指標如表1所示。

表1 NGPs的基本性能

2.2 配合比及測試方法

根據項目組前期研究成果，設計了表2所示配合比。

表2 機敏混凝土配合比

試塊成型尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，抗壓強度測試標準為《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)。采用同惠TH2810D交流電橋、二電極法對不同齡期(3、7、14、21和28 d)的樣品進行電阻值測量，以研究不同摻量的導電填料對混凝土電阻率的影響。加載選用微機控制電液伺服萬能試驗機(YAW-600C)，按照5、10、20和30 MPa/min的速率進行加載，直至100 MPa，以同樣的速率(5 MPa/min)加載到不同幅值(20、40、80和160 MPa)，同時每隔5 s記錄一次電阻以及荷載和應變(DH3818型靜態(tài)應變儀)。

3 結果與討論

3.1 NGPs表征

從圖1可見，NGPs平面尺寸為4～10 μm，厚度為0.4～20 nm，具有較高的縱橫比，外觀像層薄紗，平面折疊呈褶皺結構，邊緣平整呈少量鋸齒形狀。NGPs具有超大的比表面積，增加了與基體的接觸面積，產生了更高粘結力和抗拉力，增強了復合材料的力學性能。同時，超大比面積的特性使其能夠在基體中充分展開并與其他功能材料接觸，提供更多電子躍遷和傳遞的通道。

圖1 NGPs的TEM圖像

3.2 功能填料摻量對機敏混凝土抗壓強度的影響

圖2為不同配合比機敏混凝土28 d抗壓強度值。從圖可見，機敏混凝土28 d強度CDF2>CDF1>CDF4>CDF3。隨著MWCNTs的摻量從0.5%增加到1%時，試樣強度也有所增加。原因可能是MWCNTs的摻入發(fā)揮了填充作用，改善機敏混凝土的微觀結構，減小孔隙率從而提高抗壓強度[6-7,10]。從圖中還可看出，當CF摻量從0.6%增加到1.2%，試樣抗壓強度有所降低，降低幅度為35%。原因可能是為了使試樣保持相似的流動性采用較大的水膠比，同時也可能是摻入CF在基體中分布不均，發(fā)生團聚現(xiàn)象[9]。當摻入0.03%NGPs，試樣28 d抗壓強度提高了27%。國內外諸多研究表明，NGPs在水泥水化過程中發(fā)揮了模板作用，NGPs因其獨特的平面褶皺結構與超大的比表面積，能夠大量吸附基體中自由水分子，與附著在NGPs上的未水化水泥顆粒發(fā)生反應，形成塊狀晶體結構，從而提高了抗壓強度[8,11]。

圖2 機敏混凝土28 d抗壓強度

3.3 功能填料摻量對機敏混凝土28 d電阻率的影響

圖3為不同填料摻量對機敏混凝土28 d電阻率值。從圖可見，機敏混凝土28 d電阻率CDF4

圖3 機敏混凝土28 d電阻率

3.4 不同加載幅值對壓阻特性的影響和機理

為研究不同加載幅值下機敏混凝土壓阻特性，同一配比試塊分別以20、40、80和160 MPa四種不同的幅值加載，每個幅值經過3次循環(huán)加載，結果如圖4所示。

機敏混凝土常以電阻率變化率為壓阻響應靈敏度評價指標。從圖可見，機敏混凝土在不同加載幅值下電阻率變化均呈現(xiàn)穩(wěn)定性和重復性，靈敏度CDF2

圖4 不同加載幅值下機敏混凝土壓阻特性

3.5 不同加載速率對壓阻特性的影響

為研究不同加載速率下機敏混凝土壓阻特性，同一配比試塊分別以5、10、20和30 kN/min速率加載到100 MPa，不同的加載速率經過3次循環(huán)，結果如圖5所示。

圖5 不同加載速率下壓阻特性

由圖5可知，多次循環(huán)作用下各組配合比試塊仍然保持穩(wěn)定的重復性，不同配合比的試塊在相同加載幅值作用下靈敏度大小與第3.4節(jié)的基本一致。同一配合比試塊在不同加載速率下電阻率變化幅度大致處于一個量級，但隨著加載速率加快，變化幅度略有下降。如CDF1在四組加載速率不同的循環(huán)周期下，電阻率變化率分別為-3.41%、-3.37%、-3.33%和-3.11%?？赡艿脑蛴袃蓚€：一是相較于低加速率，高加載速率下的試塊應變較小，導電網絡變形實際受擠壓程度也比較輕[4]；二是在經過一定程度的加載后，試塊產生了不可逆的一些缺陷，導致閉合裂縫無法張開。

4 結 論

復摻CF、SF、MWCNTs與NGPs機敏混凝土壓阻具有較高的靈敏度與穩(wěn)定的重復性。當MWCNTs摻量由0.5%增到1%時，試樣抗壓強度略有上升，28 d電阻率下降了26%，靈敏度也下降了0.92%。相對于0.6%CF和2%SF的摻入，1.2%CF和4%SF的摻入使靈敏度提升了64%。這表明纖維是構建導電網絡的主體，是影響機敏混凝土靈敏度的關鍵因素。當CF、SF、MWCNTs摻量分別為1.2%，4%，1%時，加載到160 MPa電阻變化率達到69.3%。

低摻量的NGPs可顯著提高試樣的力學強度，降低電阻率，提高受壓靈敏度。28 d抗壓強度達到28.5 MPa，電阻率為4184 Ω·cm，在160 MPa加載條件下電阻變化率達到74.92%。