復(fù)摻功能填料機(jī)敏混凝土的壓阻響應(yīng)

周天舒，孫亞飛，彭月月

(1.江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2.鹽城工學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051； 3.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232000)

1 前 言

隨著水泥基材料自診斷、自愈合、自適應(yīng)等新概念的提出，機(jī)敏混凝土(Smart concrete)因具有以電阻率變化反應(yīng)外部環(huán)境變化的能力而倍受關(guān)注。眾多學(xué)者除了嘗試使用多種導(dǎo)電功能填料制備擁有良好感知性能的機(jī)敏混凝土外，還專注于探討導(dǎo)電機(jī)理，調(diào)控其導(dǎo)電行為，并研究電阻對(duì)應(yīng)力的響應(yīng)敏感性[1]。但目前機(jī)敏混凝土離實(shí)際應(yīng)用仍有一定距離，主要是因?yàn)榛炷潦且环N非均質(zhì)材料，制備過程容易受外界因素影響，電阻率和靈敏度分布離散性大，難以利用現(xiàn)有方法對(duì)其導(dǎo)電行為和力-電響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行定量描述。

石墨烯晶格為苯六環(huán)狀，是碳原子基于sp2雜化軌道組成而得[2]。獨(dú)特的二維納米晶體結(jié)構(gòu)賦予了石墨烯穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和優(yōu)異的的導(dǎo)電和熱學(xué)性能。此外，其納米材料屬性還體現(xiàn)在量子霍爾效應(yīng)、表面尺寸效應(yīng)等多個(gè)方面[3]，將其復(fù)摻于機(jī)敏混凝土中以達(dá)到降低電阻率，提高壓阻響應(yīng)靈敏度目的。國外文獻(xiàn)關(guān)于多層石墨烯納米片(NGPs)的報(bào)道主要集中在對(duì)水泥漿體的水化過程、晶體結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能影響，對(duì)其在機(jī)敏混凝土中應(yīng)用報(bào)道較少。SUN等[4]研究了摻NGPs水泥基復(fù)合材料，對(duì)不同的加載速率和加載振幅下分析了其點(diǎn)響應(yīng)情況，探討了摻NGPs水泥基復(fù)合材料在動(dòng)態(tài)加載速率測量中的應(yīng)用，結(jié)果表明，該材料在不同加載條件下對(duì)壓阻效應(yīng)具有敏感性與穩(wěn)定的可重復(fù)性，當(dāng)NGPs體積摻量為4%～10%時(shí)，壓阻響應(yīng)明顯。JIN等[5]將摻NGPs水泥基復(fù)合材料浸泡入NaCl溶液，測試不同Cl-含量的復(fù)合材料電阻率。結(jié)果表明，電阻率隨著Cl-含量升高而升高?？梢姡瑢絅GPs水泥基復(fù)合材料應(yīng)用于非破壞性檢測技術(shù)具有廣闊的前景。

本研究采用碳纖維(CF)、鍍銅鋼纖維(SF)、多壁碳納米管(MWCNTs)與NGPs等功能填料復(fù)摻制備出一種低電阻率、高靈敏度的機(jī)敏混凝土。通過配合比設(shè)計(jì)，研究功能填料摻量對(duì)機(jī)敏混凝土力學(xué)強(qiáng)度、電阻率和靈敏度的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 原材料

水泥采用P.C 42.5復(fù)合硅酸鹽水泥；砂采用天然河砂；減水劑減水率約為40%的液體聚羧酸型減水劑。SF長度為±35 mm；CF長度約為6 mm；硅灰、MWCNTs與NGPs均由公司生產(chǎn)。NGPs性能指標(biāo)如表1所示。

表1 NGPs的基本性能

2.2 配合比及測試方法

根據(jù)項(xiàng)目組前期研究成果，設(shè)計(jì)了表2所示配合比。

表2 機(jī)敏混凝土配合比

試塊成型尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，抗壓強(qiáng)度測試標(biāo)準(zhǔn)為《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)。采用同惠TH2810D交流電橋、二電極法對(duì)不同齡期(3、7、14、21和28 d)的樣品進(jìn)行電阻值測量，以研究不同摻量的導(dǎo)電填料對(duì)混凝土電阻率的影響。加載選用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)(YAW-600C)，按照5、10、20和30 MPa/min的速率進(jìn)行加載，直至100 MPa，以同樣的速率(5 MPa/min)加載到不同幅值(20、40、80和160 MPa)，同時(shí)每隔5 s記錄一次電阻以及荷載和應(yīng)變(DH3818型靜態(tài)應(yīng)變儀)。

3 結(jié)果與討論

3.1 NGPs表征

從圖1可見，NGPs平面尺寸為4～10 μm，厚度為0.4～20 nm，具有較高的縱橫比，外觀像層薄紗，平面折疊呈褶皺結(jié)構(gòu)，邊緣平整呈少量鋸齒形狀。NGPs具有超大的比表面積，增加了與基體的接觸面積，產(chǎn)生了更高粘結(jié)力和抗拉力，增強(qiáng)了復(fù)合材料的力學(xué)性能。同時(shí)，超大比面積的特性使其能夠在基體中充分展開并與其他功能材料接觸，提供更多電子躍遷和傳遞的通道。

圖1 NGPs的TEM圖像

3.2 功能填料摻量對(duì)機(jī)敏混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖2為不同配合比機(jī)敏混凝土28 d抗壓強(qiáng)度值。從圖可見，機(jī)敏混凝土28 d強(qiáng)度CDF2>CDF1>CDF4>CDF3。隨著MWCNTs的摻量從0.5%增加到1%時(shí)，試樣強(qiáng)度也有所增加。原因可能是MWCNTs的摻入發(fā)揮了填充作用，改善機(jī)敏混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，減小孔隙率從而提高抗壓強(qiáng)度[6-7,10]。從圖中還可看出，當(dāng)CF摻量從0.6%增加到1.2%，試樣抗壓強(qiáng)度有所降低，降低幅度為35%。原因可能是為了使試樣保持相似的流動(dòng)性采用較大的水膠比，同時(shí)也可能是摻入CF在基體中分布不均，發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象[9]。當(dāng)摻入0.03%NGPs，試樣28 d抗壓強(qiáng)度提高了27%。國內(nèi)外諸多研究表明，NGPs在水泥水化過程中發(fā)揮了模板作用，NGPs因其獨(dú)特的平面褶皺結(jié)構(gòu)與超大的比表面積，能夠大量吸附基體中自由水分子，與附著在NGPs上的未水化水泥顆粒發(fā)生反應(yīng)，形成塊狀晶體結(jié)構(gòu)，從而提高了抗壓強(qiáng)度[8,11]。

圖2 機(jī)敏混凝土28 d抗壓強(qiáng)度

3.3 功能填料摻量對(duì)機(jī)敏混凝土28 d電阻率的影響

圖3為不同填料摻量對(duì)機(jī)敏混凝土28 d電阻率值。從圖可見，機(jī)敏混凝土28 d電阻率CDF4

圖3 機(jī)敏混凝土28 d電阻率

3.4 不同加載幅值對(duì)壓阻特性的影響和機(jī)理

為研究不同加載幅值下機(jī)敏混凝土壓阻特性，同一配比試塊分別以20、40、80和160 MPa四種不同的幅值加載，每個(gè)幅值經(jīng)過3次循環(huán)加載，結(jié)果如圖4所示。

機(jī)敏混凝土常以電阻率變化率為壓阻響應(yīng)靈敏度評(píng)價(jià)指標(biāo)。從圖可見，機(jī)敏混凝土在不同加載幅值下電阻率變化均呈現(xiàn)穩(wěn)定性和重復(fù)性，靈敏度CDF2

圖4 不同加載幅值下機(jī)敏混凝土壓阻特性

3.5 不同加載速率對(duì)壓阻特性的影響

為研究不同加載速率下機(jī)敏混凝土壓阻特性，同一配比試塊分別以5、10、20和30 kN/min速率加載到100 MPa，不同的加載速率經(jīng)過3次循環(huán)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同加載速率下壓阻特性

由圖5可知，多次循環(huán)作用下各組配合比試塊仍然保持穩(wěn)定的重復(fù)性，不同配合比的試塊在相同加載幅值作用下靈敏度大小與第3.4節(jié)的基本一致。同一配合比試塊在不同加載速率下電阻率變化幅度大致處于一個(gè)量級(jí)，但隨著加載速率加快，變化幅度略有下降。如CDF1在四組加載速率不同的循環(huán)周期下，電阻率變化率分別為-3.41%、-3.37%、-3.33%和-3.11%?？赡艿脑蛴袃蓚€(gè)：一是相較于低加速率，高加載速率下的試塊應(yīng)變較小，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)變形實(shí)際受擠壓程度也比較輕[4]；二是在經(jīng)過一定程度的加載后，試塊產(chǎn)生了不可逆的一些缺陷，導(dǎo)致閉合裂縫無法張開。

4 結(jié) 論

復(fù)摻CF、SF、MWCNTs與NGPs機(jī)敏混凝土壓阻具有較高的靈敏度與穩(wěn)定的重復(fù)性。當(dāng)MWCNTs摻量由0.5%增到1%時(shí)，試樣抗壓強(qiáng)度略有上升，28 d電阻率下降了26%，靈敏度也下降了0.92%。相對(duì)于0.6%CF和2%SF的摻入，1.2%CF和4%SF的摻入使靈敏度提升了64%。這表明纖維是構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的主體，是影響機(jī)敏混凝土靈敏度的關(guān)鍵因素。當(dāng)CF、SF、MWCNTs摻量分別為1.2%，4%，1%時(shí)，加載到160 MPa電阻變化率達(dá)到69.3%。

低摻量的NGPs可顯著提高試樣的力學(xué)強(qiáng)度，降低電阻率，提高受壓靈敏度。28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到28.5 MPa，電阻率為4184 Ω·cm，在160 MPa加載條件下電阻變化率達(dá)到74.92%。