魏興瑞，李錦鈺，劉 峰，梁春雨

(1.吉林大學(xué) 交通學(xué)院 長春市 130025； 2.中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司 北京市 100191)

0 引言

碳纖維是一種纖維狀碳材料，具有許多優(yōu)良的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能。按照滲流理論，當(dāng)水泥基體中碳纖維摻量達(dá)到一定數(shù)值后將形成滲流通道，試件電導(dǎo)率迅速增加[1]。

對碳纖維水泥基復(fù)合材料的研究可以追溯到上個世紀(jì)七十年代，研究發(fā)現(xiàn)其較普通水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能有顯著提升[2]。此后，國內(nèi)外許多相關(guān)研究成果[3-5]表明，碳纖維的摻入可以提升材料的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度等力學(xué)性能，且與碳纖維的摻量有關(guān)；碳纖維水泥基復(fù)合材料具有普通水泥基材料所沒有的導(dǎo)電性及壓阻效應(yīng)，提出其作為自感知智能材料的可能性。田亞峰[6]提出了雙滲流理論，一定程度上解釋了碳纖維水泥基復(fù)合材料的壓敏性與溫敏性的原理。

將一定比例的碳纖維摻入到路面基層材料水泥穩(wěn)定碎石中，有望在提高其彎拉強(qiáng)度等力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，利用碳纖維的導(dǎo)電性和壓阻效應(yīng)來監(jiān)測水泥穩(wěn)定碎石裂縫的發(fā)生及發(fā)展過程，實(shí)現(xiàn)水泥穩(wěn)定碎石材料的抗裂自感知，使路面病害自監(jiān)測成為可能。目前道路基礎(chǔ)設(shè)施的服役性能智能檢測是研究熱點(diǎn)，路面病害監(jiān)測技術(shù)仍有很大的發(fā)展空間，方便快捷無損地感知路面病害的產(chǎn)生與發(fā)展是當(dāng)前路面工作中的難題之一。通過在水泥穩(wěn)定碎石中摻入不同長度不同體積摻量的短切碳纖維，研究碳纖維增強(qiáng)水泥穩(wěn)定碎石材料在荷載作用下發(fā)生裂縫破壞時電阻率的突變現(xiàn)象，分析其壓阻效應(yīng)，探討實(shí)現(xiàn)水泥穩(wěn)定碎石開裂破壞自感知的可行性，為路面材料無損智能監(jiān)測提供新的思路和方法。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料及試驗(yàn)級配

本次實(shí)驗(yàn)所采用的碳纖維為吉林市晟鑫公司生產(chǎn)的短切碳纖維(圖1)，細(xì)度7μm，強(qiáng)度1000MPa，模量100GPa。水泥為吉林省亞太水泥有限公司生產(chǎn)的鼎鹿牌普通硅酸鹽水泥P·O 42.5。集料為玄武巖碎石，最大粒徑30mm。

圖1 試驗(yàn)中所用的碳纖維

按照《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50—2017)關(guān)于骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層的級配范圍，本次實(shí)驗(yàn)的集料級配如表1所示。

表1 水泥穩(wěn)定碎石試驗(yàn)級配

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中水泥穩(wěn)定碎石材料的水泥劑量為5%，由于小摻量纖維不會影響混合料的最佳含水率和最大干密度[7]，首先根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)，確定了水泥穩(wěn)定碎石試件的最佳含水率為4.8%，最大干密度為2.577g/cm3。通過彎拉試驗(yàn)來研究各實(shí)驗(yàn)變量(碳纖維長度和摻量)對水泥穩(wěn)定碎石材料的彎拉強(qiáng)度的影響，并同時利用電學(xué)測試儀器對試件進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的采集，來探究短切碳纖維水泥穩(wěn)定碎石復(fù)合材料的壓阻效應(yīng)。

研究表明[8]，試件電阻率的下降速度隨著碳纖維體積摻量(碳纖維占試件總體積的百分率)的增加逐漸趨于平緩，在碳纖維摻量超過試件體積的0.75%后增長緩慢，故本研究在試驗(yàn)中選取1mm、3mm、6mm的短切碳纖維長度與0.25%、0.5%、0.75%、1%的體積摻量作為試驗(yàn)變量。

2 彎拉試驗(yàn)

彎拉試驗(yàn)按照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)進(jìn)行，每組成型三個平行試件，水泥穩(wěn)定碎石梁式試件尺寸為100mm×100mm×450mm，試件的養(yǎng)生齡期為90d，養(yǎng)生溫度20℃±2℃，相對濕度在95%以上。彎拉試驗(yàn)采用三分點(diǎn)加載，加載速率為50mm/min。

彎拉強(qiáng)度的計算公式如下：

式中：Rs為彎拉強(qiáng)度；P為破壞極限荷載；L為兩支點(diǎn)間的距離(mm)；b為試件寬度(mm)；h為試件高度(mm)。

3 壓阻效應(yīng)試驗(yàn)

試驗(yàn)采用三分點(diǎn)彎拉試驗(yàn)配合電學(xué)測試裝置進(jìn)行，為了更好地記錄試件在加載過程中導(dǎo)電性能的變化，試驗(yàn)加載速率為0.02mm/s。本次導(dǎo)電性能試驗(yàn)采用的是外貼電極法，電極材料選用30mm×100mm的紫銅片，布置于試件下表面的A、B位置處，如圖2所示。

圖2 電極布置示意圖

由于表面平整度和雜質(zhì)對材料表面電阻影響顯著，在進(jìn)行碳纖維水泥穩(wěn)定碎石導(dǎo)電性能試驗(yàn)時，需要對試件表面打磨處理以保證其平整性并清除表面的碎石、粉塵等雜質(zhì)，以減小因試件表面不平整產(chǎn)生的接觸電阻，電極本身通過導(dǎo)電膠水及導(dǎo)電膠帶粘結(jié)的方法固定在試件上，與外置的1.6V直流電源、電壓表及電流表組成閉合回路。實(shí)驗(yàn)采用電阻率(FCR)作為電阻變化的指標(biāo)，其計算公式為：

(2)

式中：R0為試件初始電阻；R1為試件測量電阻。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 彎拉試驗(yàn)結(jié)果分析

通過彎拉試驗(yàn)，研究碳纖維的長度和摻量對水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)強(qiáng)度影響。39組90d齡期的試件彎拉試驗(yàn)結(jié)果見表2。表2中試件編號RSM代表碳纖維水泥穩(wěn)定碎石，CSM代表未摻加碳纖維的水泥穩(wěn)定碎石對照組；數(shù)字1、3、6表示碳纖維的長度為1mm、3mm和6mm；字母a、b、c、d分別表示碳纖維的摻量為0.25%、0.5%、0.75%和1%。下文圖表的試件編號均與此相同。

表2 彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從表2可以看出，水泥穩(wěn)定碎石在摻加碳纖維后，其彎拉強(qiáng)度都有不同程度的提高，相對于對照組普遍提高了20%～40%，其中3mm 短切碳纖維與體積比為0.5%摻量的水泥穩(wěn)定碎石試件力學(xué)性能表現(xiàn)最好，對應(yīng)彎拉強(qiáng)度增大51.7 %。這是因?yàn)槎糖刑祭w維具有良好的抗拉強(qiáng)度，分布于水泥漿體中起到了纏繞搭接作用，增強(qiáng)了水泥穩(wěn)定碎石的界面效應(yīng)。但當(dāng)碳纖維長度與摻量增加到一定程度時，在水泥穩(wěn)定碎石中分布的均勻性會降低，同時較長的和過多聚集的碳纖維會割裂水泥穩(wěn)定碎石的整體性，出現(xiàn)微裂紋而導(dǎo)致彎拉強(qiáng)度的下降。

4.2 碳纖維水泥穩(wěn)定碎石的初始電阻

利用四電極法分別對梁式試件兩端施加1.6V電壓，測量各試件電阻值的大小如表3所示。

表3 碳纖維水泥穩(wěn)定碎石的電阻值

表3的試驗(yàn)結(jié)果表明：碳纖維水泥穩(wěn)定碎石具有一定的導(dǎo)電性。對1mm和3mm長度的碳纖維，當(dāng)摻量達(dá)到0.75%時電阻率大幅下降，而6mm長度的碳纖維，電阻率在摻量0.5%時明顯降低。說明對于碳纖維增強(qiáng)水泥穩(wěn)定碎石的導(dǎo)電性，碳纖維的摻量存在一個臨界值。有學(xué)者認(rèn)為這個纖維摻量為滲流閾值對應(yīng)的臨界摻量。當(dāng)碳纖維摻量小于臨界值時，由于水泥漿體中的導(dǎo)電相(碳纖維)體積含量過低，起不到聯(lián)通作用，導(dǎo)電載體主要由孔隙和漿料中毛細(xì)管溶液中的微量正負(fù)離子組成，而且水泥穩(wěn)定碎石的粗集料占比較多，內(nèi)部空隙較大，所以材料的電阻率很高。當(dāng)短切碳纖維的含量達(dá)到或超過臨界值，碳纖維就會隨機(jī)分布，相互重疊以及緊密間隔的碳纖維之間能夠發(fā)生電子隧道躍遷，在水泥漿內(nèi)部形成良好的碳纖維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。此時電路中的載體主要由碳纖維內(nèi)部的電子和空穴組成，載流電子濃度大幅增加，電阻率大幅降低。

4.3 碳纖維水泥穩(wěn)定碎石材料的壓阻效應(yīng)

通過對水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行彎拉試驗(yàn)，同時連接電學(xué)裝置測定短切碳纖維水泥穩(wěn)定碎石在加載過程中電阻率(FCR)的變化，得到試件的荷載-時間-電阻率變化曲線。分別選取不同長度碳纖維試件的試驗(yàn)結(jié)果，碳纖維摻量在0.25%以上試件的典型試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 水泥穩(wěn)定碎石的電阻率變化曲線(碳纖維摻量大于0.25%)

分析圖3的試驗(yàn)曲線發(fā)現(xiàn)：試件在開始施加荷載時，電阻率有上下突變的情況。這是因?yàn)椴牧蟽?nèi)部粒徑較小的集料在彎曲過程中位置會出現(xiàn)移動甚至脫落的情況，同時直流電的極化作用等對電阻率產(chǎn)生影響。

不同長度的短切碳纖維在荷載的作用下表現(xiàn)出來的電阻率變化趨勢都是相似的。一些試件在斷裂前表現(xiàn)出電阻率緩慢變小的趨勢，主要是由于試件上方施加壓力，內(nèi)部空隙變小，一些原本未搭接在一起的短切碳纖維間距變小，試件內(nèi)部的導(dǎo)電通道進(jìn)行重組，增加了電子導(dǎo)電和隧穿導(dǎo)電的可能性，從宏觀上表現(xiàn)出電阻率緩慢變小。

在荷載達(dá)到最大值、試件趨于破壞時，電阻率的變化對裂縫的感知較為靈敏，其表現(xiàn)為電阻率出現(xiàn)突變，呈現(xiàn)斷崖式增大的情況。由于材料出現(xiàn)了彎拉破壞，裂縫迅速發(fā)展導(dǎo)致原本搭接一起的短切碳纖維迅速斷開，裂縫部分碳纖維有的被拔出，原本的電路被阻斷，電阻率突然變大。

此外，本試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)0.25%體積摻量的試件對裂縫的感知不佳，如圖4試件在加載過程中，電阻值保持不動或者不斷上下波動，即使在破壞時也沒有響應(yīng)或響應(yīng)不靈敏，主要是因?yàn)?.25%摻量未達(dá)到滲流閾值，導(dǎo)電通路較少，在裂縫附近的電阻值較為微弱而導(dǎo)致在裂縫開展時，即使出現(xiàn)電流通路被阻斷，但對整體電阻影響不大，反而在加載過程中一些碎石的移動以及內(nèi)部空隙變化對其電導(dǎo)性影響較大。在所研究的范圍內(nèi)，碳纖維摻量越大表現(xiàn)出對裂縫的感知能力越好，因?yàn)檩^高摻量的碳纖維達(dá)到滲流閾值后有多種導(dǎo)電通路，且直流電對其極化作用減少[9]，從而顯示出更優(yōu)良穩(wěn)定的裂縫感知能力。

圖4 水泥穩(wěn)定碎石的電阻率變化曲線(碳纖維摻量0.25%)

5 結(jié)論

在水泥穩(wěn)定碎石中摻入不同長度和摻量的短切碳纖維，通過彎拉實(shí)驗(yàn)研究碳纖維對水泥穩(wěn)定碎石材料彎拉強(qiáng)度的影響，并分析其導(dǎo)電性和壓阻效應(yīng)，得到了如下結(jié)論：

(1)碳纖維可以增強(qiáng)水泥穩(wěn)定碎石的彎拉強(qiáng)度，提高其抗裂性。其中3mm碳纖維與體積摻量為0.5%時水泥穩(wěn)定碎石試件力學(xué)性能表現(xiàn)最好，對應(yīng)彎拉強(qiáng)度增大51.7 %。

(2)對于研究中不同長度的碳纖維，摻量高于0.25%的水泥穩(wěn)定碎石在出現(xiàn)彎拉破壞時，材料對裂縫的感知較為靈敏，電阻率表現(xiàn)出明顯的突變。而0.25%摻量的碳纖維水泥穩(wěn)定碎石由于沒有形成有效的導(dǎo)電通路，電阻率在加載過程中沒有規(guī)律性的變化。

(3)本研究中3種不同長度的短切碳纖維對壓阻效應(yīng)沒有顯著的影響，因此考慮到材料經(jīng)濟(jì)效益，對彎拉強(qiáng)度的提高和壓阻效應(yīng)的敏感性，建議采用長度為3mm、體積摻量為0.5%的碳纖維水泥穩(wěn)定碎石作為智能道路監(jiān)測的自感知材料。