沖擊作用下碳纖維混凝土的力敏性試驗(yàn)研究

李尚青， 蘇健軍， 孔　霖

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

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研究與探討

沖擊作用下碳纖維混凝土的力敏性試驗(yàn)研究

李尚青， 蘇健軍， 孔霖

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

摘要:碳纖維混凝土(CFC)具有良好的力敏特性，能制成傳感器用于混凝土結(jié)構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。利用鋼球自由落體撞擊圓柱形試樣，進(jìn)行了老化前后和不同撞擊高度的試驗(yàn)，并分析了各因素對(duì)試樣力敏性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:試樣的電阻變化對(duì)沖擊作用響應(yīng)快；老化前的試樣在承載較小時(shí)，試樣處于彈性區(qū)，電阻隨壓力增大而減小，承載較大時(shí)，試樣進(jìn)入彈塑性區(qū)，電阻隨壓力增大而增大；老化后的試樣，承載即進(jìn)入彈塑性區(qū)。

關(guān)鍵詞：碳纖維混凝土； 沖擊作用； 力敏性

0引言

混凝土經(jīng)過(guò)兩百多年的發(fā)展，已成為現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的建筑材料。在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，混凝土?xí)捎谄谛?yīng)、材料老化等原因發(fā)生損傷，最終可能失效導(dǎo)致突發(fā)事故，還可能承受沖擊荷載，特別是國(guó)防工程中的混凝土結(jié)構(gòu)面對(duì)彈藥的侵徹、爆炸等的作用，更容易發(fā)生斷裂等損傷，從而危及建筑和人員的安全，所以，對(duì)混凝土建筑結(jié)構(gòu)的狀況進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)十分重要。

美國(guó)的Chung D D L教授發(fā)現(xiàn)，在混凝土中添加一定量的碳纖維能使得混凝土具有良好的壓力電阻效應(yīng)[1]。在國(guó)內(nèi)，武漢理工大學(xué)的李卓球課題組最早開(kāi)展了碳纖維混凝土(carbon fiber concrete,CFC)的力敏性研究[2,3]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的歐進(jìn)萍等人定型了一種CFC傳感器，能實(shí)現(xiàn)對(duì)0～10 MPa輸入范圍的壓力測(cè)量，汕頭大學(xué)的謝慧才等人研究了CFC梁構(gòu)件彈性應(yīng)力自監(jiān)測(cè)的規(guī)律[4]，沈陽(yáng)建筑大學(xué)的吳獻(xiàn)等人研究CFC三向受壓狀態(tài)下力學(xué)與電學(xué)性能，認(rèn)為能應(yīng)用于道路測(cè)重系統(tǒng)[5]?；贑FC的力敏性研發(fā)的CFC傳感器，不僅能很好地實(shí)現(xiàn)和被測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的兼容，還有著價(jià)格低廉、操作性好、使用壽命周期長(zhǎng)等傳統(tǒng)傳感器不具備的優(yōu)勢(shì)，適合內(nèi)嵌于大體積混凝土中進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

目前有關(guān)CFC力敏性的研究主要是在準(zhǔn)靜態(tài)加載情況下進(jìn)行，陸見(jiàn)廣進(jìn)行了碳纖維智能混凝土梁在石球撞擊產(chǎn)生沖擊荷載作用下的力電效應(yīng)研究[6]，其他有關(guān)沖擊作用下的研究很少。本文進(jìn)行了圓柱形CFC試樣在沖擊載荷作用下的力敏性試驗(yàn)研究，為將其作為傳感器應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

1試驗(yàn)

1.1試樣的制作

CFC試樣制作采用的原材料包括：復(fù)合硅酸鹽水泥P·C32.5R，本地細(xì)砂，自來(lái)水，硅灰，短切PAN基碳纖維，甲基纖維素(分散劑)，磷酸三丁酯(消泡劑)，聚羧酸減水劑。碳纖維的性能參數(shù)如表1。

表1　PAN基碳纖維性能

CFRC試樣的用料配合比如表2。

表2　CFC試樣的用料配合比

CFC試樣的制作工藝主要有濕拌法、半干拌法、干拌法等三種，研究表明濕拌法制作的試樣電阻率最小[7]。本文采用濕拌法，先配制分散劑溶液，再和水泥進(jìn)行攪拌，制作直徑為38 mm，長(zhǎng)度為60 mm的圓柱形試樣。

1.2試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中，利用鋼球從一定高度自由落體撞擊試樣，試樣實(shí)物圖和試驗(yàn)方案示意圖如圖1。鋼球撞擊試樣，加載類似半正弦沖擊作用，造成試樣的結(jié)構(gòu)變化。試驗(yàn)通過(guò)試樣電阻的變化信號(hào)，分析試樣的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并和準(zhǔn)靜態(tài)加載情況對(duì)比，探討沖擊加載情況下CFC的力敏性。

在試樣側(cè)面兩端用銅粉導(dǎo)電膠和銅芯制作兩個(gè)電極，使用兩電極法，將試樣和一個(gè)可調(diào)電阻器串聯(lián)，組成半橋電路接入動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀來(lái)測(cè)量其電阻變化情況。半橋電路中的電阻變化正比于輸出電壓的變化，即輸出電壓的增大或減小直接反映了試樣電阻的增大或減小趨勢(shì)。

圖1　試樣實(shí)物與撞擊方案示意圖Fig 1　Diagram of specimen and impact scheme

進(jìn)行了老化前后和5，10，15，20 cm四種撞擊高度的試驗(yàn)。試驗(yàn)的鋼球直徑60 mm，重1 kg，采用DC—97A超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和Genesis數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，確保參數(shù)設(shè)置在每一組試驗(yàn)內(nèi)的一致，方便該組內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1老化前試驗(yàn)結(jié)果

在試樣被壓力機(jī)反復(fù)壓縮加載卸載進(jìn)行老化前的原始狀態(tài)下，進(jìn)行鋼球撞擊試驗(yàn)。圖2是試樣的典型試驗(yàn)結(jié)果。試樣承受了鋼球的兩次撞擊，在兩個(gè)躍升區(qū)域的放大圖中，均出現(xiàn)了先下降，再躍升的現(xiàn)象，說(shuō)明在承受沖擊荷載時(shí)，試樣的電阻先減小再快速增大。電阻變化的峰值上升前沿時(shí)間短，頻響快。

圖2　老化前試樣的電阻響應(yīng)信號(hào)Fig 2　Resistance response signal of specimen before aging

2.2老化后試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)前利用壓力機(jī)對(duì)試樣反復(fù)加載卸載進(jìn)行老化，減少試樣的原始缺陷。將鋼球從5，10，15，20 cm的四種撞擊高度落下撞擊試樣，圖3為四種高度下相應(yīng)的電壓響應(yīng)信號(hào)。觀察并對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)鋼球撞擊到試樣后，電橋輸出電壓先躍升到峰值再快速回落到一個(gè)中間值，最后緩慢衰減到起始狀態(tài)。隨著高度的增加，撞擊荷載增大，電阻的變化峰值也相應(yīng)增大。撞擊高度為5，10，15，20 cm的試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)電壓躍升的峰值分別為0.70，0.88，1.89，6.00 V。隨著撞擊高度的增大峰值回落的幅度逐漸變小，到20 cm時(shí)已經(jīng)不明顯。這表明撞擊高度越高，電阻衰減得越慢，恢復(fù)到起始狀態(tài)越慢，同時(shí)，將第二次撞擊的曲線躍升后回落的情況與第一次的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)第二次撞擊基本能很快回落恢復(fù)到撞擊前初始狀態(tài)。四種高度對(duì)應(yīng)的響應(yīng)信號(hào)中，在承受撞擊荷載時(shí)，均未出現(xiàn)先減小再躍升的現(xiàn)象，均為觸發(fā)后直接躍升增大。

圖3　撞擊高度分別為5,10,15,20 cm時(shí)的電阻響應(yīng)信號(hào)Fig 3　Resistance response signals of specimen withimpact length of 5,10,15,20cm

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1老化對(duì)力敏性的影響

在沖擊荷載作用下，老化前試樣的電阻在觸發(fā)后會(huì)出現(xiàn)先減小下降再增大的過(guò)程。老化后的試樣在鋼球落下的第一次撞擊作用下的反應(yīng)均是直接增大躍升，未出現(xiàn)電阻先減小的現(xiàn)象。

混凝土試樣自身材料結(jié)構(gòu)屬于非均質(zhì)多孔多相性，在制備的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)收縮、泌水，使得試樣在試驗(yàn)前其內(nèi)部就存在大量微空隙裂紋等原始缺陷[8]。老化前，使用鋼球自由落體撞擊試樣，對(duì)試樣作用一個(gè)類似半正弦沖擊荷載。開(kāi)始階段作用荷載較小，試樣的原始空隙被壓密，碳纖維之間的距離減小，使得碳纖維互相搭接的機(jī)會(huì)增多，減小了試樣內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的絕緣勢(shì)壘，從而增大了π電子躍遷形成的隧道電流[9]，造成試樣的電阻減小。此時(shí)試樣處于彈性階段，但這僅發(fā)生在開(kāi)始階段作用荷載較小的情況下。隨著沖擊荷載迅速增大，試樣的裂縫等損傷擴(kuò)展，進(jìn)入彈塑性階段，試樣的電阻也急劇增大。這是因?yàn)殡S著壓應(yīng)力的增大，試樣內(nèi)部逐漸被破壞產(chǎn)生裂縫變形，裂縫的增長(zhǎng)造成絕緣勢(shì)壘不斷增大，并且絕緣勢(shì)壘增大的幅度逐漸大于試樣壓實(shí)導(dǎo)致的勢(shì)壘減小的幅度，π電子躍遷的概率減小，隧道電流隨之減小，導(dǎo)致了試樣電阻的快速增大。

試樣經(jīng)過(guò)老化后，大量的原始微缺陷被消除。在撞擊荷載較小的起始階段，試樣被壓密實(shí)時(shí)內(nèi)部的缺陷縫隙變小造成電阻減小的效應(yīng)不明顯，對(duì)應(yīng)于老化后的所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的第一次撞擊響應(yīng)信號(hào)均未出現(xiàn)電阻先減小的現(xiàn)象，試樣電阻直接增大，進(jìn)入彈塑性階段。結(jié)果說(shuō)明CFC電阻隨著壓應(yīng)力的增大而減小的現(xiàn)象，這是因?yàn)樵嚇又苽溥^(guò)程中產(chǎn)生的大量原始缺陷。

3.2撞擊能量對(duì)力敏性影響

在撞擊高度為5，10，15，20 cm的對(duì)應(yīng)電壓躍升的最大值分別為0.70，0.88，1.89，6.00 V。根據(jù)鋼球下落的高度，給出鋼球撞擊能量和試樣電阻變化情況的關(guān)系圖，如圖4。隨著撞擊能量的增大，試樣的電阻變化也增大，類似指數(shù)增長(zhǎng)的關(guān)系。撞擊能量E低于1.4 J前，試樣的電阻變化隨著撞擊能量的變化較緩，當(dāng)超過(guò)1.4 J后，電阻變化急劇增大，說(shuō)明撞擊荷載超過(guò)一定程度后，試樣的內(nèi)部損傷急劇擴(kuò)展，試樣結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段。

圖4　鋼球撞擊能量和試樣電阻變化的關(guān)系圖Fig 4　Diagram of relationship between impact energy ofsteel ball and resistance change of specimen

3.3其他現(xiàn)象的分析思考

在承受鋼球的第一次撞擊時(shí)，撞擊荷載較大，電阻到達(dá)峰值后，由于處在試樣彈塑性階段，裂縫等缺陷閉合緩慢，造成電阻的衰減緩慢。這個(gè)特征隨著撞擊高度的增高，愈加明顯。而在鋼球彈起后造成二次撞擊的響應(yīng)信號(hào)中，電阻變化后能較快的衰減恢復(fù)到二次撞擊的起始狀態(tài)，這是因?yàn)橄啾鹊谝淮巫矒?，二次撞擊的荷載強(qiáng)度已很小，正如上述試樣恢復(fù)衰減過(guò)程的分析，撞擊高度越低，荷載越小，下降恢復(fù)得越快的特征是相吻合的。

4結(jié)論

1)老化前的試樣在沖擊荷載較小時(shí)處于彈性區(qū)，壓力增大，試樣電阻減小，隨著壓力繼續(xù)增大，試樣進(jìn)入彈塑性區(qū)，壓力增大，電阻也增大。反復(fù)加載老化后，大部分的原始缺陷被消除，試樣承載后電阻直接增大，進(jìn)入彈塑性區(qū)。

2)隨著鋼球撞擊能量的增大，試樣的電阻變化也增大，試樣在撞擊能量較小時(shí)，電阻變化較緩，當(dāng)撞擊能量較大時(shí)，試樣的電阻變化急劇增大。CFC電阻變化對(duì)沖擊作用的響應(yīng)快，上升前沿時(shí)間短，能定性反映沖擊荷載的變化情況，具有較好的力敏性。

3)試樣在卸載后的電阻衰減緩慢，結(jié)構(gòu)變形恢復(fù)慢，特別是在承受荷載較大的情況。

參考文獻(xiàn):

[1]Chen P W,Chung D D L.Carbon fiber reinforced concrete as an intrinsically smart concrete for damage assessment during dyna-mic loading[J].Journal of American Ceramic Society,1995,78(3):816-818.

[2]Zhao Binyuan,Li Zhuoqiu,Wu Daihua.Electric resistance mea-surement of carbon fiber smart concrete[J].Wuhan University of Technology,1995(4):52-56.

[3]鄭立霞,李卓球,宋顯輝,等.力敏混凝土三向受壓時(shí)的應(yīng)變電阻效應(yīng)研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào):工程科學(xué)版,2013,45(2):33-37.

[4]張巍,謝慧才,劉金偉,等.碳纖維力敏混凝土梁彈性應(yīng)力自監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004,34(5):647-650.

[5]吳獻(xiàn),回喬,王麗娜,等.CFRC三向受壓狀態(tài)下力學(xué)及電學(xué)性能試驗(yàn)[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,29(5):809-815.

[6]陸見(jiàn)廣.碳纖維智能混凝土梁的力電效應(yīng)研究[D].南京：南京理工大學(xué),2007.

[7]劉子田.碳纖維智能混凝土的制備及其性能研究[D].南京：南京理工大學(xué),2006.

[8]常留紅,陳建康.單軸壓縮下水泥砂漿本構(gòu)關(guān)系的試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào),2007,38(2):217-220.

[9]張躍,職任濤,朱逢吾,等.碳纖維(LCF)—無(wú)宏觀缺陷(MOF)水泥基復(fù)合材料電學(xué)性能的研究[J].材料科學(xué)進(jìn)展,1992,6(4):357-362.

李尚青(1990-)，男，廣西玉林人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘祭w維混凝土動(dòng)態(tài)特性。

蘇健軍，通訊作者，E—mail:sjj3582@sina.com。

Experimental study of force sensitive properties of carbon fiber concrete under impact action

LI Shang-qing， SU Jian-jun， KONG Lin

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute，Xi’an 710065，China)

Abstract:Carbon fiber concrete(CFC)has good force sensitive properties and can be made into sensor and used in condition monitoring of concrete structure.The tests before and after aging and different impact height is carried out using impact action of free-falling steel ball striking cylindrical specimens.Test results show that resistance change of specimens can make a quick response to impact action;specimens before aging are at elastic stage when loading is small,resistance decreases as load gets higher.Specimens will be at elasto-plastic stage after aging,resistance increases as load gets higher.

Key words:carbon fiber concrete(CFC); impact action; force sensitive property

作者簡(jiǎn)介:

中圖分類號(hào)：TU 528.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)01—0004—03

收稿日期：2015—11—11

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0004—03