石墨烯混凝土正交于受力方向的力—電效應(yīng)

陳錦毅 劉雪揚(yáng) 田雨婷

(江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212001)

0 引言

在21世紀(jì)初，Chung在混凝土中加入碳纖維，發(fā)現(xiàn)能使混凝土擁有一定的壓敏性，成為一個(gè)可以探測(cè)變形的智能混凝土[1]?；谥悄芑炷恋膲好粜?，工程師們可以通過(guò)測(cè)試混凝土所處的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)[2]。

石墨烯是一種碳原子單層排列的蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)[3,4]。石墨烯可作為一種介質(zhì)加入到混凝土中使其成為智能混凝土。Saafi等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)向石墨烯混凝土施加壓力荷載時(shí)，其沿壓力作用方向的電阻率會(huì)隨壓力的增加而逐漸降低，但是當(dāng)向試件施加拉力時(shí)，其沿拉力方向的電阻率就會(huì)隨拉力的增加而逐漸增加[6]。

目前，關(guān)于石墨烯混凝土的研究一般都聚焦于探究沿受力方向的力—電效應(yīng)。但在實(shí)際工程中，混凝土試件的裂縫是從某個(gè)破壞點(diǎn)開(kāi)始，在發(fā)展中不一定沿受力方向，或者會(huì)產(chǎn)生分岔，形成側(cè)向的破裂體，影響建筑整體的使用。而且，直流四電極法能將電流控制在較小范圍內(nèi)，可有效地消除極化以及接觸電阻、引線電阻等對(duì)電壓測(cè)定的影響，提高測(cè)試精度。因此，我們將使用直流源四電極法對(duì)石墨烯混凝土正交于受力方向上的力—電效應(yīng)進(jìn)行探究，為日后石墨烯混凝土的應(yīng)用和探究提供一些參考。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 實(shí)驗(yàn)材料水泥

P.O42.5普通硅酸鹽水泥(江蘇鶴林水泥有限公司生產(chǎn)，性能符合GB 175—2007通用硅酸鹽水泥的技術(shù)要求)。細(xì)骨料：標(biāo)準(zhǔn)砂(廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司)、粗骨料(粒徑6 mm)。表面活性材料：高效聚羧酸液態(tài)減水劑(聚羧酸母液，河南海洋進(jìn)出口貿(mào)易有限公司)。并采用網(wǎng)眼為10目的銅網(wǎng)作為電極。

石墨烯：使用南京吉倉(cāng)納米科技有限公司生產(chǎn)的石墨烯，規(guī)格為jcpg-99-1-105。參數(shù)如表1所示。使用超聲波將石墨烯打散，并添加表面活性劑來(lái)穩(wěn)定石墨烯納米顆粒，以防止它們?cè)俅螆F(tuán)聚。

表1 試驗(yàn)采用石墨烯的參數(shù)

在熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(日本電子株式會(huì)社JSM-7001F)下對(duì)石墨烯的形貌進(jìn)行觀察。在錫箔紙上滴取石墨烯懸濁液，待水分蒸干后，錫箔的表面就將會(huì)保留有一層石墨烯薄膜。將此錫箔置于掃描電鏡腔室中進(jìn)行觀察，得到如圖1所示的形貌圖。

表2 配合比g

混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30。配合比見(jiàn)表2。改變石墨烯的摻量以探究不同配合比下的石墨烯混凝土的力—電效應(yīng)。

1.2 試件制作

石墨烯懸濁液的制備可以參見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。在試驗(yàn)中，先把水以及聚羧酸減水劑混合，待其充分混合后，再將石墨烯加入到燒杯中，然后將燒杯置入超聲波儀器中進(jìn)行分散，同時(shí)用玻璃棒來(lái)攪拌，以加速石墨烯在減水劑溶液中的分散。超聲處理的時(shí)間約為30 min。之后按照配合比秤取粗骨料、細(xì)骨料以及水泥并置于行星式攪拌機(jī)中，同時(shí)加入石墨烯懸濁液，攪拌的時(shí)間約為15 min；將混凝土倒入模具中，并固定好電極網(wǎng)片的位置坐標(biāo)，然后置于振動(dòng)臺(tái)上對(duì)混凝土進(jìn)行振搗。將振搗后的試件置于混凝土養(yǎng)護(hù)箱(溫度為20 ℃±0.5 ℃，濕度為95%)養(yǎng)護(hù)48 h后脫模，脫模后繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。由于智能混凝土的壓敏性能的測(cè)試需要采用絕干狀態(tài)的試件，因而在進(jìn)行智能性試驗(yàn)之前，需對(duì)混凝土進(jìn)行烘干處理，置于烘箱中在105 ℃±2 ℃中烘干48 h，取出后置于干燥皿中冷卻至室溫，為防止在試驗(yàn)過(guò)程中試件長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中吸收水分影響試驗(yàn)精度，故在試件表面均勻地涂抹上一層環(huán)氧樹(shù)脂薄膜來(lái)隔絕空氣中水分的進(jìn)入。

1.3 試驗(yàn)方法

測(cè)試試驗(yàn)在10T電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(濟(jì)南恒瑞金微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)WDW-100M)上進(jìn)行。測(cè)試裝置如圖2所示。

在智能性能測(cè)試試驗(yàn)正式開(kāi)始前，需要對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載，施加的荷載為35 kN(為極限載荷的60%)，以此來(lái)壓實(shí)試件中的初始孔洞。然后，在單軸方向上施加鋸齒狀循環(huán)荷載3次，加載荷載大小為20 kN(極限荷載的40%)。試驗(yàn)機(jī)提供2 kN～20 kN的循環(huán)荷載，在2 kN和20 kN位置各保持荷載5 s，加載速率為0.1 kN/s。在上一步試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)試件再進(jìn)行壓力損傷試驗(yàn)，即應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€的測(cè)試，同時(shí)測(cè)試其壓敏性能響應(yīng)。

根據(jù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度，預(yù)估荷載最大值為50 kN。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》[8]，確定加載的制度如下：試驗(yàn)采用分級(jí)加載的方法，第一級(jí)的加載速度為0.1 kN/s，加載范圍為0 kN～30 kN；當(dāng)荷載值大于30 kN時(shí)，就采用第二級(jí)加載，采用位移控制，加載的速度為0.000 3 mm/s，直至試件最終破壞。試驗(yàn)中試件兩端墊置塑料薄膜，隔開(kāi)試驗(yàn)機(jī)與試件，防止對(duì)測(cè)量電阻產(chǎn)生影響。

加載的過(guò)程中采用FLUKE F15B+數(shù)字萬(wàn)能表采集智能混凝土試件的電壓，采集的方式為直流四電極法，即將電阻儀兩個(gè)采集端與智能混凝土中部?jī)蓚€(gè)電極分別相連，再利用直流穩(wěn)壓電源(國(guó)睿安泰信APS3005D)分別與外部?jī)蓚€(gè)電極片相連。裝置如圖3所示。同時(shí)調(diào)節(jié)直流源，使通過(guò)試件的電流保持在0.01 A。然后，通過(guò)對(duì)比分析石墨烯智能混凝土的電阻變化規(guī)律以及該方向上應(yīng)變的變化規(guī)律，歸納它的壓敏性能特征。加載開(kāi)始前30 s開(kāi)始采集電阻值和應(yīng)變值，加載結(jié)束后再持續(xù)采集30 s，以考察其穩(wěn)定性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1)試件的初始電阻率為1 346 Ω·cm，在施加軸向載荷之后，電阻率呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，減小至1 325 Ω·cm，但此時(shí)的應(yīng)力已經(jīng)過(guò)了峰值點(diǎn)6 MPa；一個(gè)循環(huán)之后，當(dāng)混凝土電阻再一次達(dá)到極小值時(shí)，電阻率為1 325 Ω·cm；在后續(xù)的循環(huán)中，極小值都進(jìn)一步增大。

在循環(huán)荷載的作用下，混凝土的電阻也呈現(xiàn)循環(huán)變化，在應(yīng)力達(dá)到最大即6 MPa的時(shí)候，混凝土的電阻并未達(dá)到最小，這中間表現(xiàn)出的滯后現(xiàn)象與文獻(xiàn)[9]報(bào)道的一樣。此外，隨著循環(huán)荷載的不停增加，混凝土的電阻表現(xiàn)出零漂現(xiàn)象，這與文獻(xiàn)[10]報(bào)道的一樣。圖4為應(yīng)力—電阻曲線。

2)正交于受力方向的電阻和應(yīng)變?nèi)鐖D5所示，首先可以看出，正交于受壓方向的應(yīng)變與電阻率的變化趨勢(shì)基本一致，根據(jù)Sedaghat等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)論[7]，可以判定正交于受壓方向的應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變。圖5中最大的應(yīng)變值為12 με。當(dāng)壓應(yīng)力從0 MPa增加到6 MPa時(shí)，正交于受力方向的拉應(yīng)變從0 με增加到12 με，電阻值從13.46 kΩ下降到13.25 kΩ，變化率1.56%。

3 結(jié)語(yǔ)

1)在混凝土中添加石墨烯等材料，形成智能混凝土，在彈性階段時(shí)具有良好的壓敏性能。以相應(yīng)的力—電變化為基礎(chǔ)，在智能混凝土中加入導(dǎo)電材料，可以在大型建筑中進(jìn)行損傷監(jiān)測(cè)。

2)正交于受壓方向上的應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變，而且電阻隨外加壓力的增加而減小，與試件應(yīng)變趨勢(shì)基本一致。