基于石墨烯智能再生混凝土的損傷識(shí)別研究

李梅萍 伍明霞

【摘 要】為了研究石墨烯智能再生混凝土的損傷識(shí)別問題，本研究擬采用石墨烯智能混凝土作為再生混凝土損傷演化識(shí)別的基本元件。用智能混凝土導(dǎo)電性，結(jié)合CT掃描技術(shù)，形成的導(dǎo)電層析成像（Electrical Resistance Tomography，簡稱ERT）技術(shù)則能實(shí)現(xiàn)定量和定位的損傷識(shí)別[1，2]，運(yùn)用CT圖像處理方法，提取試樣變形破壞的基于CT圖像有關(guān)的定量信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)石墨烯混凝土ERT成像研究發(fā)現(xiàn)，伴隨石墨的摻量越高，試件的損傷速度越慢。

【關(guān)鍵詞】石墨烯智能再生混凝土；CT掃描技術(shù)；CT圖像損傷識(shí)別；損傷演化規(guī)律

石墨烯智能混凝土其在耐久性、經(jīng)濟(jì)型、強(qiáng)度、受力性能等方面相對(duì)于普通的混凝土有著很大的改善，并且外加劑以及微集料的加入，使得混凝土的力學(xué)性能、耐久性等性質(zhì)得到很好的提升，可以更好的運(yùn)用到實(shí)際的工程之中去.目前，石墨烯智能混凝土在全球已經(jīng)得到了的應(yīng)用。因此，對(duì)于石墨烯智能混凝土研究也應(yīng)該跟上應(yīng)用的步伐。石墨烯的引入在復(fù)合材料的機(jī)械性能、電學(xué)性能、熱學(xué)性能等方面的改善顯示出巨大的潛力與應(yīng)用前景，在混凝土中摻加導(dǎo)電填料可以構(gòu)成智能混凝土，能表征混凝土的應(yīng)變變化和損傷變化[3]，結(jié)合混凝土CT試驗(yàn)得到的CT圖像可以清晰地看到混凝土內(nèi)部構(gòu)造，比如骨料、砂漿、孔洞[4]等，利用混凝土CT圖像提取出裂紋的演化過程對(duì)研究混凝土內(nèi)部裂紋的發(fā)展過程有著重要的作用。因此，把混凝土CT試驗(yàn)和損傷力學(xué)理論相結(jié)合來研究混凝土細(xì)觀尺度下的破壞機(jī)理，對(duì)于工程設(shè)計(jì)和整治都有一定的好處，同時(shí)可以對(duì)損傷及時(shí)采取措施，避免意外事故的發(fā)生。

一、實(shí)驗(yàn)概況

（一）實(shí)驗(yàn)材料

水泥：采用南京水泥：采用南京某水泥廠生產(chǎn)的 52.5 硅酸鹽水泥，其成分如表1所示，性能符合 GB 175—20《通用硅酸鹽水泥》的技術(shù)要求；砂子：普通烘干河砂，取粒徑小于 0.3mm 的特細(xì)砂， 以提高所制備的智能混凝土的均勻性；表面活性材料：聚羧酸減水劑。石墨烯采用常州某廠生產(chǎn)的石墨烯 （編號(hào)為SE1231），根據(jù)出廠報(bào)告 ，一些基本性能參數(shù)如表 2所示。 為了將石墨烯納米顆粒分散到水中，需用超聲波打散， 并添加表面活性劑穩(wěn)定石墨烯納米顆粒，防止它們?cè)俅螆F(tuán)聚。

（二）配合比設(shè)計(jì)

摻加石墨烯的水泥砂漿配合比為： 水泥∶砂子∶水∶石 墨 烯∶減 水 劑=205.4∶616.3∶148.3∶13.1∶7.0， 其中，石墨烯相對(duì)于水泥的重量百分比為 6.4%。 本文智能混凝土中未摻加粗骨料是為了減少粗骨料對(duì)均勻性和靈敏度的影響。 另外，為了表征該石墨烯水泥砂漿的工作性能， 由于試驗(yàn)材料量非常少，利用小型坍落度對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，坍落度桶尺寸：上口徑 30mm，下口徑 50mm，高度 65mm，測(cè)試得該砂漿坍落度為 13mm， 說明該智能混凝土具有足夠的流動(dòng)性，方便澆筑成需要的形狀[5]。

（三）試件制備

采用尺寸為20cm高，半徑為50mm的圓柱形試件，預(yù)先置入銅絲制成的電極，然后澆筑上述智能砂漿。電極為直徑1mm的銅絲，在試件外圍均勻布置16銅電極。放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28天。

（四）測(cè)試方法

電阻率成像（Electrical Resistance Tomography，ERT）技術(shù)作為一種無損檢測(cè)成像技術(shù)，是依據(jù)待測(cè)體內(nèi)部不同物質(zhì)有不同電阻率的特點(diǎn)，通過向基體內(nèi)部輸入電流，提取邊界電壓，再經(jīng)逆解反問題，獲取基體內(nèi)部體電阻率分布，然后以圖像的形式顯示出來。在工業(yè)無損探傷方面，假如混凝土中有裂縫、鋼筋等電阻率不同的物質(zhì)，根據(jù)電阻率分布從幾十到幾千歐姆，得到混凝土結(jié)構(gòu)中的各部分電阻率，就可以得到鋼筋、混凝土、裂縫的分布圖。

電阻率成像系統(tǒng)平臺(tái)由 NI PXIe-8133 控制器、PXIe-1062Q 機(jī)箱、模擬開關(guān)、電壓源、壓控電流源和電壓采集模塊組成，集成度高、靈活性好和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)確保在高速采樣時(shí)也能保持高精度。

1.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)可知，電阻率不同，在CT的成像中形成不同顏色的區(qū)域，試件在養(yǎng)護(hù)過程中呈現(xiàn)的輕微裂紋在圖中以不同的顏色呈現(xiàn)出來，圖中灰度值較高，也即顏色較亮的區(qū)域?yàn)楣橇希锥醇傲严兜幕叶戎递^小，介于骨料與孔隙之間的為水泥漿，不同斷面孔隙缺陷各異。

接下來研究不同導(dǎo)電填料摻量，采用電阻層析成像方法識(shí)別其損傷演化規(guī)律。

試件的配合比如表3：

2.實(shí)驗(yàn)圖像

二、石墨烯智能再生混凝土損傷分析

1）.在前期研究中當(dāng)石墨摻加量到達(dá)0.15%之后，試件基體內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)搭建完成，基體體電阻率維持穩(wěn)定。

2）隨石墨烯摻加量提升，基體的體電阻率降低，電導(dǎo)率變大，石墨導(dǎo)電性能越好，在ERT圖像重建中，雜質(zhì)高阻目標(biāo)的相對(duì)位置越明顯，清晰度越高；但石墨烯摻量并非越高越好，石墨烯摻加量越大，強(qiáng)度下降越明顯，電極對(duì)的測(cè)量值出現(xiàn)飽和失真，成像清晰度不會(huì)進(jìn)一步提升，有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生成像虛化現(xiàn)象，降低成像質(zhì)量。

3）試驗(yàn)中，超過一定范圍后，石墨烯混凝土伴隨石墨烯摻加量的提升強(qiáng)度逐步下降，脆性也更加明顯，致使試件強(qiáng)度下降和裂紋出現(xiàn)。

4）損傷增長速度與石墨烯摻入量成反比，石墨烯是堅(jiān)硬的納米材料，其六角形峰巢結(jié)構(gòu)，使其具有較穩(wěn)定的性能。

5）隨導(dǎo)電填料摻入量的增加，智能混凝土的電阻率逐漸下降；隨壓力作用的增加，沿壓力作用方向的電阻率逐漸減小，在受拉作用下，沿拉力作用方向的電阻率逐漸增加，當(dāng)出現(xiàn)裂縫時(shí)，電阻率出現(xiàn)突然增加的趨勢(shì)

三、結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過ERT技術(shù)對(duì)石墨烯智能再生混凝土進(jìn)行了微觀的損傷識(shí)別，通過對(duì)不同石墨摻量的混凝土的CT圖像得出石墨烯混凝土的損傷規(guī)律。材料的電阻隨壓力變化的規(guī)律性，表現(xiàn)出較好的壓敏性能，有著很好的“智能”潛力，石墨烯智能再生混凝土隨著應(yīng)變的增長，石墨烯摻量越多，混凝土的受損程度增加的越慢。其主要原因可能是由于石墨烯的加入增強(qiáng)了再生混凝土的韌性，增強(qiáng)了其塑性變形能力，也意味著承受損傷的能力增強(qiáng)了。但由于材料比較昂貴，儀器沒有那么精確，實(shí)驗(yàn)還需完善。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 李杰. 隨機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)—分析與建模[M]. 科學(xué)出版社， 1996.

[2] 譚文勇. 受載損傷對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)性能的影響研究[D]. 研究生論文， 中南大學(xué)， 2014.

[3] B. Han， X. Yu， J. Ou. Effect of water content on the piezoresistivity of MWNT/cement composites [J]. Journal of materials science， 2010， 45： 3714-3719.

[4] 吳中偉， 廉慧珍. 高性能混凝土[M]. 中國鐵道出版社， 1999.

[5]吳文鑫. 石墨烯智能混凝土在正交和斜交于受力方向的壓敏響應(yīng)[A]. 本科生論文，江蘇大學(xué)，2018