碳纖維水泥砂漿柱體軸壓下力電性能尺寸效應(yīng)研究

童谷生，吳秋蘭

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330013）

Tong Gusheng，Wu Qiulan

（School of Civil Engineering andArchitecture，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

在普通水泥基材料中摻入少量的帶電短切碳纖維，形成碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（carbon fiber reinforced cement based composites，CFRC），改善了復(fù)合材料的導(dǎo)電性能，并使其具有電阻敏感性，形成智能材料。利用CFRC壓敏性制作用于土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的傳感器，不僅可克服傳統(tǒng)傳感器耐久性低和穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，而且價(jià)格低廉、工藝簡(jiǎn)單，因此有望成為土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的理想傳感器之一[1-2]。目前已有不少CFRC制備工藝，碳纖維的分散性、長(zhǎng)度及含量等因素對(duì)CFRC力學(xué)和導(dǎo)電性能影響方面的研究[3-7]，并由定性轉(zhuǎn)向定量研究[8-9]。但對(duì)這類(lèi)材料力電性能尺寸效應(yīng)的研究卻很少，對(duì)尺寸效應(yīng)規(guī)律的研究是建立CFRC力學(xué)與電學(xué)性能本構(gòu)模型的基礎(chǔ)，因此具有理論和實(shí)際意義。

擬在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究碳纖維增強(qiáng)水泥砂漿（CFRM）柱體在軸壓下的強(qiáng)度以及電阻率的變化，研究幾何相似的柱體在相同應(yīng)力下的靈敏度系數(shù)以及極限荷載下尺寸效應(yīng)率等問(wèn)題，并初步分析其有關(guān)機(jī)理。

1 試樣制備

試驗(yàn)研究表明[5-7]:碳纖維的類(lèi)型、表面處理工藝、長(zhǎng)度、含量及分散性等因素都影響碳纖維復(fù)合材料的力電性能。在研究碳纖維水泥砂漿力電性能前，制備分散均勻、粘結(jié)性能好且靈敏度試樣是減小和獲得穩(wěn)定電阻率的基礎(chǔ)。參考已有資料，在多次初步試驗(yàn)后，選擇了如下材料與配合比。采用的水泥是普通硅酸鹽水泥（P·O42.5），由南昌萬(wàn)年青水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)，細(xì)骨料采用本地標(biāo)準(zhǔn)砂（篩選細(xì)度模數(shù)為2.43的中砂），減水劑是由江西省創(chuàng)新外加劑有限公司生產(chǎn)，采用的短切碳纖維是由上海新卡碳素科技有限公司提供的硼基碳纖維，其性能指標(biāo)如表1所示。所采用的配合比:m（水泥）∶m（砂）∶m（硅灰）∶m（水）=1∶1∶0.15∶0.45。按占水泥質(zhì)量百分比計(jì)算，碳纖維水泥砂漿的配合比為碳纖維0.6%，聚羧酸高效減水劑2%，消泡劑（磷酸三丁酯）0.13%，CMC（羧甲基纖維素鈉）摻量為0.8%。

表1 碳纖維的主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical indexes of carbon fiber

為了研究碳纖維水泥沙漿力電性能的尺寸效應(yīng)，試驗(yàn)研究設(shè)計(jì)制作了64個(gè)幾何相似的短切碳纖維水泥砂漿棱柱體，其尺寸為b×h（b為正方形截面邊長(zhǎng)，h為柱高）。為使試件中部擺脫端部摩擦阻力的影響，處于單軸均勻受壓狀態(tài)，在本試驗(yàn)中，試件的高徑比取2。試件尺寸見(jiàn)表2所示。

表2 CFRM試件尺寸及編號(hào)Tab.2 Size and serial number of CFRM specimens

對(duì)碳纖維水泥基復(fù)合材料的力電性能進(jìn)行研究，通常利用二電極法或四電極法電極來(lái)測(cè)量其體積電阻率。試驗(yàn)和分析表明:四電極法測(cè)量得到的壓敏性能較好反映碳纖維復(fù)合材料的真實(shí)壓敏性，本實(shí)驗(yàn)采用四電極法測(cè)量試樣的電阻率。把攪拌好的碳纖維水泥砂漿倒入準(zhǔn)備好的油模具中，振實(shí)成型后插入不銹鋼絲網(wǎng)（孔徑6 mm）電極。測(cè)試混凝土及砂漿類(lèi)電阻率的電極制作目前沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)，本文電極的制作參考文獻(xiàn)[10]的制作方法，電極與鄰近受壓面的距離均為10 mm，可保證受壓時(shí)電極與試驗(yàn)壓頭絕緣。試塊成型后24 h拆模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至28 d。

試樣養(yǎng)護(hù)完成后，在碳纖維水泥砂漿棱柱體表面正中位置（除插有電極的表面）粘貼豎向應(yīng)變片（試驗(yàn)所用的是浙江黃巖測(cè)試儀器廠生產(chǎn)的電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片型號(hào)為BX120-50AA，電阻為119.8 Ω，靈敏系數(shù)為2.06%）?？v向應(yīng)變片粘貼位置及制作好的試樣分別見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 棱柱體表面應(yīng)變片布置Fig.1 Layout of the prism surface strain

圖2 幾何相似試件Fig.2 Test specimens of geometrical similarity

2 試件力電性能測(cè)試結(jié)果及討論

2.1 電阻率測(cè)試

CFRM壓敏特性基于碳纖維水泥砂漿的電學(xué)性能，需對(duì)碳纖維水泥砂漿的導(dǎo)電性能進(jìn)行測(cè)試，即測(cè)量碳纖維水泥砂漿的電阻率。而能反映碳纖維水泥砂漿內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變和裂紋變化情況的電阻率是體積電阻率。本試驗(yàn)采用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量試件的電阻率，電源為直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源LW10J2，測(cè)試電壓為5 V。由于試驗(yàn)?zāi)＞叩年P(guān)系，試件分3批澆注，每一批次制作18個(gè)試樣。試件養(yǎng)護(hù)28 d后的測(cè)試電阻率，每批次測(cè)試所得到的電阻率值的算術(shù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)如表3～5。

表3 第1批碳纖維水泥砂漿28 d后電阻率測(cè)試值Tab.3 Test value of CFRM resistivity for specimen after 28 d in the first batch

表4 第2批碳纖維水泥砂漿28 d后電阻率測(cè)試值Tab.4 Test value of CFRM resistivity for specimen after 28 d in the second batch

表5 第3批碳纖維水泥砂漿28 d后電阻率測(cè)試值Tab.5 Test value of CFRM resistivity for specimen after 28 d in the third batch

從表3～5可見(jiàn)，3批次的試件所測(cè)得的體積電阻率有相同的特性，隨著試件尺寸的增大，所測(cè)得的試件電阻率在減小，可以認(rèn)為碳纖維水泥砂漿的電阻率存在尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，主要原因由于試樣尺寸的增大使試樣有更多的導(dǎo)電通路。

2.2 軸向荷載作用下的載荷－應(yīng)變曲線(xiàn)與載荷－電阻率曲線(xiàn)

2.2.1 力電性能曲線(xiàn)

試驗(yàn)主要研究是3種幾何相似碳纖維水泥砂漿的單向加載的壓敏性和試件幾何尺寸的變化對(duì)碳纖維水泥砂漿棱柱體單軸抗壓強(qiáng)度的影響。測(cè)試試件共18個(gè)，其中尺寸大小為66.7 mm×66.7 mm×133.3 mm的試件6個(gè)，100 mm×100 mm×200 mm的試件6個(gè)，150 mm×150 mm×300 mm的試件6個(gè)。對(duì)柱體進(jìn)行軸心抗壓試驗(yàn)的同時(shí)測(cè)量它的電阻率的變化。對(duì)柱體進(jìn)行軸心抗壓試驗(yàn)，必須保證壓板的中心與試樣的軸心對(duì)準(zhǔn)，并在試樣的上下放置絕緣薄膜防止試件和其他的金屬器材接通。測(cè)試加載裝置如圖3所示。

體積電阻率采用公式（1）計(jì)算:

圖3 試驗(yàn)儀器與測(cè)試設(shè)備Fig.3 Testing and measuring equipment

式中:L和S分別為兩電極間的距離和試件的橫截面面積。由（1）式可知，只要試件電阻測(cè)量準(zhǔn)確，那么體積電阻率的相對(duì)變化值就等于電阻的相對(duì)變化值，即假設(shè)ρ0，ρ分別代表初始電阻率和瞬時(shí)電阻率，則與相應(yīng)的電阻R0，R之間有如下關(guān)系:

試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理后，繪制出各組試件電阻率變化與壓應(yīng)力之間的關(guān)系曲線(xiàn)及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)，如圖4～圖9所示。

圖4 碳纖維水泥砂漿柱體壓應(yīng)力-電阻率變化曲線(xiàn)Fig.4 Curves of CFRM cylinder pressure stress and resistivity

圖5 碳纖維水泥砂漿柱體壓應(yīng)力-電阻率變化曲線(xiàn)Fig.5 Curves of CFRM cylinder pressure stress and resistivity

圖6 碳纖維水泥砂漿柱體壓應(yīng)力－電阻率變化曲線(xiàn)Fig.6 Curves of CFRM cylinder pressure stress and resistivity

圖8 碳纖維水泥砂漿柱體壓應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.8 Curves of CFRM cylinder pressure stress and resistivity

圖9 碳纖維水泥砂漿柱體壓應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.9 Curves of CFRM cylinder pressure stress and resistivity

由圖4～9可見(jiàn)，試件的電阻率都有明顯的變化，其電阻率與應(yīng)變的變化趨勢(shì)是一致的，表明可以利用電阻率變化來(lái)反映試件的受壓以及整體損傷情況，進(jìn)一步的工作是建立碳纖維水泥砂漿在受壓下應(yīng)力與電阻率之間的定量變化關(guān)系，從而以砂漿的電阻率的變化來(lái)直接監(jiān)控試件的損傷變化。

2.2.2 靈敏度系數(shù)

碳纖維水泥砂漿的壓敏特性是指試件的電阻率隨著應(yīng)變的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。碳纖維復(fù)合材料的靈敏度系數(shù)K是指單位應(yīng)變的電阻率相對(duì)變化量。靈敏度系數(shù)K可通過(guò)公式（3）計(jì)算:

式中:Δε為應(yīng)變的改變量。對(duì)3類(lèi)不同尺寸的同一應(yīng)力值進(jìn)行平均計(jì)算，如表6給出。

表6 同一應(yīng)力下的試件靈敏度系數(shù)K計(jì)算值Tab.6 Calculated value of sensitivity coefficient K of specimens under the same stress

試件的靈敏度系數(shù)反映了電阻率變化對(duì)應(yīng)變和應(yīng)力的敏感程度，從表6可見(jiàn)，隨著試件尺寸的增大，試件的電阻率變化也逐漸增加，即尺寸較大的試件表現(xiàn)出更好的壓敏特性，這與文獻(xiàn)[11]的試驗(yàn)結(jié)果一致，不同的是文獻(xiàn)[11]中采用的是橫截面尺寸相同而高度不同的試樣（一維相似），而本文采用的是三維幾何相似試樣。尺寸效應(yīng)的原因同樣可以認(rèn)為高試樣在相同的應(yīng)力下有更大的變形，使得更多的碳纖維相互靠近、接觸，從而導(dǎo)致電阻率降低較快。

2.2.3 軸心抗壓強(qiáng)度

為了研究碳纖維水泥砂漿的極限承載力與試件尺寸的關(guān)系，對(duì)同一批試件在軸壓下加載至破壞，通過(guò)極限荷載除以試件橫截面面積，可以得到試件的軸心抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 CFRM試樣軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值Tab.7 Axial compressive strength of CFRM specimens

由表7可見(jiàn)，3種幾何相似碳纖維水泥砂漿試件的強(qiáng)度與普通混凝土強(qiáng)度一樣，具有尺寸效應(yīng)，碳纖維水泥砂漿棱柱體試件的軸心抗壓強(qiáng)度隨著試件幾何尺寸的增加而降低。其原因在于，從碳纖維水泥砂漿的細(xì)觀結(jié)構(gòu)來(lái)看，碳纖維水泥砂漿是由水泥漿、骨料與碳纖維之間的粘結(jié)帶所形成的復(fù)合材料，試件的宏觀破壞實(shí)質(zhì)上是細(xì)觀結(jié)構(gòu)損失斷裂行為的積累和發(fā)展，試件尺寸越大，各材料之間的粘結(jié)帶也就越多，越容易受載開(kāi)裂，因此大試件的宏觀強(qiáng)度要低于小試件的宏觀強(qiáng)度，即表現(xiàn)為宏觀強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)。對(duì)準(zhǔn)脆性材料強(qiáng)度尺寸效應(yīng)，一般認(rèn)為應(yīng)滿(mǎn)足Bazant的尺寸效應(yīng)律[11-12]。

由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，盡管在水泥砂漿中加入碳纖維可以起到增韌作用，但總體上仍呈現(xiàn)準(zhǔn)脆性的性質(zhì)，其尺寸效應(yīng)可以用Bazant的尺寸效應(yīng)律來(lái)擬合，這與普通混凝土強(qiáng)度特性類(lèi)似。

3 結(jié)論

通過(guò)幾何相似水泥砂漿試樣電阻率及荷載作用下電阻率的變化和極限荷載的測(cè)試與分析，可以得到如下的結(jié)論:

1）碳纖維水泥砂漿棱柱體的電阻率隨著試件尺寸的增大而減小，即碳纖維水泥砂漿棱柱體的電阻率存在尺寸效應(yīng)現(xiàn)象；

2）碳纖維水泥砂漿棱柱體具有壓敏特性，可以利用電阻變化率來(lái)監(jiān)控構(gòu)件的自損傷；

3）尺寸幾何相似的碳纖維水泥砂漿棱柱體試件在單向加載作用下表現(xiàn)出的壓敏特性有所不同，碳纖維水泥砂漿棱柱體的壓敏特性隨尺寸增大，即電學(xué)性能具有尺寸效應(yīng)；

4）碳纖維水泥砂漿棱柱體試件的軸心抗壓強(qiáng)度隨著試件幾何尺寸的增加而降低，具有尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。

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