碳基-水泥基復(fù)合材料的壓敏性研究

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(jī)敏材料,通過(guò)檢測(cè)材料電阻率的變化可對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、損傷和溫度的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1-2]。在分析應(yīng)用時(shí),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(shí)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(cè)車輛載重,監(jiān)測(cè)車輛是否超載或超速等;在路基材料中應(yīng)用,可對(duì)路基內(nèi)部的損傷情況進(jìn)行檢測(cè);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(shí)現(xiàn)較好的相容性。由于電阻率變化率-應(yīng)力/應(yīng)變檢測(cè)具有無(wú)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(cè)等方面發(fā)揮重要作用,在重大工程的長(zhǎng)期安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前常用于制作機(jī)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(duì)應(yīng)力、應(yīng)變有很高的電阻敏感性。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)水泥基材料的機(jī)敏性進(jìn)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(duì)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(shí)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(shí),試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致電阻同時(shí)改變,使水泥基復(fù)合材料具有壓敏性。劉漢[4]等對(duì)復(fù)合材料力電性能的進(jìn)展進(jìn)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(qiáng)度;當(dāng)碳纖維的分散性更加均勻時(shí),可以更好地提高材料的強(qiáng)度、韌性及其壓敏性。在制備碳纖維水泥基復(fù)合材料時(shí),碳纖維的體積摻量應(yīng)達(dá)到其滲流閾值,但不宜超過(guò)太多,此時(shí)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(duì)碳纖維水泥基復(fù)合材料單向受壓時(shí)的壓敏性進(jìn)行了深入研究,而對(duì)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(jìn)行單向受壓及三向受壓的循環(huán)加載試驗(yàn),對(duì)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(qiáng)[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(guò)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(guò)對(duì)烘干與未烘干兩種試樣的壓敏性對(duì)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(duì)試樣的壓敏性變化進(jìn)行試驗(yàn),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(huì)呈現(xiàn)出負(fù)壓敏特性,但其靈敏度均隨應(yīng)力的增大而減小。同時(shí),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(jī)理。

2 石墨水泥基復(fù)合材料的壓敏性

2.1 石墨摻量對(duì)復(fù)合材料的影響

碳纖維水泥基材料雖然有很多優(yōu)點(diǎn),但是其成本相對(duì)較高,粉狀石墨具有成本較低的優(yōu)勢(shì),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(shí),由于絕對(duì)電阻率較高,可采用交流分壓電路對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試;當(dāng)石墨摻量增大時(shí),試樣的強(qiáng)度降低,壓敏性提高,同時(shí)在加載過(guò)程中電阻率波動(dòng)性變小[8];當(dāng)石墨摻量從5%增加到10%時(shí),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(shí),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(duì)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(hù)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?jǐn)?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(guò)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(shuō)明此類試樣的滲流閾值在20%左右。在壓縮過(guò)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?yàn)檩^大的石墨摻量會(huì)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(duì)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(diǎn),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?jǐn)?shù))為0—3%的試樣壓敏性,發(fā)現(xiàn)當(dāng)炭黑摻量為0.3%時(shí)電阻較大,沒(méi)有壓敏現(xiàn)象的產(chǎn)生;炭黑摻量為0.8%時(shí),壓敏性較好;炭黑摻量為2.5%時(shí),壓敏性較0.8%時(shí)有所降低,在循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)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(shí),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(duì)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(shí),其水泥基復(fù)合材料即可體現(xiàn)出一定的壓敏性;對(duì)于較大的炭黑摻量,其壓敏性同樣值得考慮。韓寶國(guó)[12]等采用埋入式環(huán)狀電極的四電極法測(cè)試試樣電阻,表明壓敏性受到測(cè)試電流和試樣偏壓的影響較小。對(duì)乙炔炭黑(體積摻量)達(dá)到15%的水泥基材料進(jìn)行壓敏性測(cè)試,并在測(cè)試時(shí)使用一次加載至破壞的測(cè)試手段。結(jié)果顯示,試樣在彈性階段電阻率變化率達(dá)到35%,而加載直至破壞這一過(guò)程中變化率最高達(dá)55%。

4 結(jié)語(yǔ)

由于壓敏性檢測(cè)具有無(wú)損和連續(xù)性的特性,通過(guò)檢測(cè)材料的壓敏性,可實(shí)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(cè)等方面發(fā)揮重要作用,同時(shí)在重大工程的長(zhǎng)期安全監(jiān)測(cè)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(duì)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(shí)際工程中的應(yīng)用提供依據(jù)。