水泥基智能材料構(gòu)筑及機(jī)敏性能研究

周界龍 王林彬 易碧良 高 寒 王海洋

（1 廣州北環(huán)智能交通科技有限公司；2 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院）

0 引言

水泥基智能材料，相較于傳統(tǒng)的水泥材料，能更好地應(yīng)對(duì)建筑物受損的問題。在水泥基材料中加入本身具有傳感、反饋、自我診斷、調(diào)節(jié)功能和信息積累等功能的智能材料，不僅可以大大提高建筑物的安全性和穩(wěn)定性，還能很大程度上減少了人工診斷、修復(fù)的過程，節(jié)省人力物力。通過試驗(yàn)研究可以找到更方便、更智能的水泥材料配比方案，配制出更先進(jìn)的水泥基智能材料。在水泥基中混入少量納米級(jí)材料如納米炭黑、鋼纖維等，有可能找到智能性更強(qiáng)的水泥基材料。這類材料對(duì)電信號(hào)的機(jī)敏性可以運(yùn)用于檢測構(gòu)筑物的裂縫，而這類材料對(duì)壓力信號(hào)的機(jī)敏性則可以用于反映構(gòu)筑物所出現(xiàn)的形變。目前關(guān)于以水泥為基體的智能復(fù)合建筑材料的研究還很少。

本實(shí)驗(yàn)旨在利用鋼纖維與基體間的橋接作用來增強(qiáng)水泥基材料的機(jī)械性能，以納米炭黑的高強(qiáng)、高導(dǎo)電性特性來輔助完善復(fù)合材料機(jī)械性能和構(gòu)筑機(jī)敏性能，測量其在不同養(yǎng)護(hù)條件下的抗壓、抗折、抗拉性能，以及使用四電極法測試不同納米炭黑摻量的復(fù)合材料的機(jī)敏性能。

1 試驗(yàn)研究

1.1 原材料

水、52.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、石英砂、鋼纖維、超導(dǎo)納米炭黑、減水劑。

1.2 實(shí)驗(yàn)測試方法

1.2.1 抗壓強(qiáng)度測試

本實(shí)驗(yàn)采用100mm×100mm×100mm 混凝土立方體試塊進(jìn)行試驗(yàn)，按照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢測方法》進(jìn)行測試。將混凝土試塊置于微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)下，可以達(dá)到的最高荷載為1000kN。采用連續(xù)、均勻加載方式，以0.4MPa/s 的速率進(jìn)行加載。在試件破壞后記錄試件破壞時(shí)的強(qiáng)度值，每組包含3 個(gè)試件，取3 個(gè)試件抗壓強(qiáng)度平均值為最終結(jié)果。

1.2.2 抗折強(qiáng)度測試

實(shí)驗(yàn)材料：根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，實(shí)驗(yàn)采用100mm×100mm×100mm 混凝土試塊（非標(biāo)準(zhǔn)試件），在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下（溫度20±2℃，相對(duì)濕度95%以上）養(yǎng)護(hù)。每組包含3 個(gè)試件。

實(shí)驗(yàn)方法：用MTS 萬能試驗(yàn)機(jī)測定其抗折強(qiáng)度，加載均勻、連續(xù)，加載速度取0.05～0.08MPa/s，并使兩個(gè)相等荷載同時(shí)作用在試件兩端距離試件邊緣75mm 處，如圖1 所示。

圖1 MTS 壓力機(jī)測定抗折強(qiáng)度示意圖

數(shù)據(jù)處理：參照《GB/T 50081－2019 混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，彎曲抗折強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式中：

fft，m——混凝土的抗折強(qiáng)度，MPa；

Pmax——最大荷載，mm；

l——支座間距，mm；

b——試件截面寬度，mm；

h——試件截面高度，mm。

在使用非標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，要乘以尺寸換算系數(shù)0.85。每組試件中若有一個(gè)折斷面位于兩個(gè)集中荷載之外，則抗折強(qiáng)度按另外兩個(gè)試件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算。若這兩個(gè)測量值之間的差值不大于較小值的，則抗折強(qiáng)度按兩個(gè)數(shù)值的平均值計(jì)算，否則實(shí)驗(yàn)無效。

1.2.3 劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)

試塊的劈拉性能測試按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150—2001)中規(guī)定進(jìn)行。本實(shí)驗(yàn)采用100mm 邊長立方體作為標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊進(jìn)行試驗(yàn)，墊條規(guī)格：截面為5mm×5mm，長度約為200mm，使用壓力機(jī)以0.04～0.06MPa/s 的加載速率進(jìn)行加荷，劈拉試驗(yàn)試塊受力示意圖如圖2 所示。

圖2 劈拉試驗(yàn)受力示意圖

試件劈裂抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式中：

fts——劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；

P——破壞荷載，N；

A——試件劈裂面面積，mm2。

本試驗(yàn)劈裂抗拉強(qiáng)度取值方式：每種配合比在不同養(yǎng)護(hù)條件下分別取3 塊進(jìn)行試驗(yàn)，取3 個(gè)試塊的平均劈裂抗拉強(qiáng)度值作為試塊試驗(yàn)值。

1.2.4 機(jī)敏性能測試

機(jī)敏性測試采用四電極法，在砂漿試件的制備過程中(振搗完成后)埋入電極。4 片電極沿試件中線對(duì)稱布置，內(nèi)側(cè)電極之間設(shè)置距離為60mm，外側(cè)電極之間的設(shè)置距離為100mm，電極高度為40mm，寬度為10mm，厚度為1mm，電極植入砂漿內(nèi)部的高度為30mm。電極片尺寸及其布置示意圖見圖3。

圖3 電極片尺寸及其布置示意圖

外側(cè)兩電極作為測量電流用，內(nèi)側(cè)兩電極作為測量電壓用。電源采用交流穩(wěn)壓電源，電壓和電流的測量采用數(shù)字萬用表進(jìn)行。電阻計(jì)算公式為：

式中：

R——電阻，Ω；

U——電壓，V；

I——電流，A。

考慮試樣尺寸后計(jì)算出電阻率，其計(jì)算公式為：

式中：

ρ——電阻率，Ω·mm2/mm；

S——試件橫截面面積，mm2；

L——試件長度，mm。

2 配合比研究

2.1 水膠比

分別設(shè)定水膠比w/b=0.16、0.17、0.18、0.19、0.20，膠凝材料為水泥、粉煤灰，集料為石英砂，減水劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的3.5%。

表1 水泥凈漿配比設(shè)計(jì)

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)組分別進(jìn)行3d、7d、28d 抗壓、抗折、劈拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。

在試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)A3 組的流動(dòng)性和工作性能更加優(yōu)異，沒有泌水現(xiàn)象，接下來的研究在A3 組基礎(chǔ)上進(jìn)行。

2.2 鋼纖維摻量研究

在A3 實(shí)驗(yàn)組的配比基礎(chǔ)上摻入鋼纖維，摻量分別設(shè)定為1.8vol%、1.9vol%、2.0vol%、2.1vol%，因鋼纖維具有良好的導(dǎo)電性，故對(duì)鋼纖維水泥基復(fù)合材料進(jìn)行機(jī)敏性能測試。

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)組采取自然養(yǎng)護(hù)和澆水養(yǎng)護(hù)，并進(jìn)行3d、7d、28d 抗壓、抗折、劈拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，對(duì)養(yǎng)護(hù)28d 的復(fù)合材料進(jìn)行機(jī)敏性能測試。

從工作性能和經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，挑選B3 實(shí)驗(yàn)組的配合比進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)研究。

表2 鋼纖維水泥基復(fù)合材料配比設(shè)計(jì)

2.3 納米炭黑摻量研究

在B3 實(shí)驗(yàn)組的配比基礎(chǔ)上摻入納米炭黑，摻量分別設(shè)定為水泥質(zhì)量的0.3%、0.5%、1.0%、2.0%，但因?yàn)榧{米炭黑具有的長徑比大，范德華引力高，因此納米炭黑在混合物中很容易呈現(xiàn)出團(tuán)狀，影響材料的均勻分布，采用超聲分散法對(duì)納米炭黑進(jìn)行分散處理。

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)組采取自然養(yǎng)護(hù)和澆水養(yǎng)護(hù)，并進(jìn)行3d、7d、28d 抗壓、抗折、劈拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，并對(duì)養(yǎng)護(hù)28d 的復(fù)合材料進(jìn)行機(jī)敏性能測試。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混凝土水膠比為0.18、鋼纖維摻量2%、納米炭黑摻量0.5%時(shí)，制備的水泥基材料能達(dá)到預(yù)定試驗(yàn)要求。

表3 鋼纖維-納米炭黑水泥基復(fù)合材料配比設(shè)計(jì)

3 結(jié)論與展望

通過上述試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，在水泥基材料中摻入合適摻量的鋼纖維和超導(dǎo)納米炭黑，通過規(guī)范的制備工藝和流程，可以得到力學(xué)性能、機(jī)械性能、機(jī)敏性能優(yōu)異的高性能混凝土拌合物。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混凝土水膠比為0.18、鋼纖維摻量2%、納米炭黑摻量0.5%時(shí)，制備的水泥基材料具備高強(qiáng)、自診斷、易檢測等特性，通過對(duì)該混凝土機(jī)敏性能的開發(fā)利用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)筑物受力情況的監(jiān)測，同時(shí)反映構(gòu)筑物裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展情況，可以運(yùn)用在新型智能建筑材料領(lǐng)域。