不同破壞荷載下鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的壓敏性

張立卿, 邊明強(qiáng), 郭綿珍, 潘延念, 許開成, 王云洋

( 1.華東交通大學(xué) 軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施性能監(jiān)測與保障國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013；2.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，南昌 330013；3.中恒建設(shè)集團(tuán)有限公司，南昌 330200；4.湖南文理學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，常德 415000 )

隨著混凝土結(jié)構(gòu)大型化、服役環(huán)境復(fù)雜化，普通混凝土作為結(jié)構(gòu)材料已無法完全滿足工程需要。在此背景下，(超)高性能化、多功能/智能化成為了混凝土發(fā)展的趨勢之一。多功能/智能超高性能混凝土不僅能夠滿足強(qiáng)度、耐久性方面的要求，還具有良好導(dǎo)電及壓敏感知性能等功能/智能特性。目前，多采用在制備過程中添加導(dǎo)電填料的方法獲取多功能/智能超高性能混凝土。常用的導(dǎo)電填料有鋼纖維[1-3]、不銹鋼微絲[4-6]、鋼渣[7-8]、刺球形鎳粉[9-10]、碳纖維[11]、碳納米管/纖維[12-13]、碳納米管自組裝填料[14-15]、石墨烯[11,16]、炭黑[14]等。鍍銅鋼纖維表面覆有一層黃銅鍍層，該鍍層不僅能夠增加鍍銅鋼纖維表面的粗糙度從而產(chǎn)生較高的粘結(jié)強(qiáng)度，且該黃銅涂層能夠提高鋼纖維的導(dǎo)電性和耐銹蝕性[17-18]。由于其優(yōu)異的性能，鍍銅鋼纖維不僅可以提高超高性能混凝土的強(qiáng)度和韌性[19-21]、約束超高性能混凝土受壓時的橫向變形、阻礙超高性能混凝土內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展及宏觀裂縫的形成，還能夠賦予超高性能混凝土良好且穩(wěn)定的電學(xué)性能和壓敏性能[1-2,22]。廢棄陶瓷粉具有顆粒小、火山灰活性、吸水和電阻率較水泥粉低的特點(diǎn)。廢棄陶瓷粉的火山灰活性及內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用能夠增加鍍銅鋼纖維與混凝土基體的粘結(jié)性，從而協(xié)調(diào)鍍銅鋼纖維有效改善超高性能混凝土的強(qiáng)度和韌性[23-24]；同時，廢棄陶瓷粉較低的電阻率可協(xié)同鍍銅鋼纖維提高基體的電學(xué)性能與壓敏性能。因此，利用鍍銅鋼纖維與廢棄陶瓷粉的協(xié)同作用可發(fā)展低碳多功能/智能混凝土，可監(jiān)測和保障混凝土結(jié)構(gòu)的安全性。

已有研究表明，鍍銅鋼纖維可提高超高性能混凝土的靜態(tài)電學(xué)性能。如Fan 等[1]發(fā)現(xiàn)超高性能混凝土的電阻隨著鍍銅鋼纖維摻量的增加而逐漸降低，鍍銅鋼纖維摻量為2.00vol%時，其降低率在40%以上。Abushanab 等[25]試驗(yàn)獲得1.00vol%鍍銅鋼纖維可使超高性能混凝土的電阻率從464.0 kΩ·cm 降低到345.0 kΩ·cm，與空白組相比電阻率減小25.7%。同時，鍍銅鋼纖維增強(qiáng)混凝土在動態(tài)下的壓敏性能也開展了一些研究。如田曉鶴[26]研究了不同摻量鍍銅鋼纖維與碳鋼纖維混雜的混凝土在抗壓循環(huán)荷載下壓敏性能。研究表明，0.20vol%鍍銅鋼纖維與0.60vol% 碳鋼纖維的混雜鋼纖維增強(qiáng)混凝土表現(xiàn)出最好的壓敏性，在循環(huán)荷載幅值為200 kN 下的電阻率變化率穩(wěn)定在67%左右。周天舒等[22]將鍍銅鋼纖維與碳鋼纖維、多壁碳納米管及石墨烯復(fù)摻制備智能混凝土，結(jié)果表明復(fù)摻鍍銅鋼纖維、碳鋼纖維、多壁碳納米管與石墨烯能夠提高混凝土在抗壓荷載循環(huán)作用下的壓敏性，該混凝土表現(xiàn)出較高的靈敏度與穩(wěn)定的重復(fù)性。復(fù)摻1.20vol% 碳纖維、4.00vol% 鍍銅鋼纖維和1.00vol%多壁碳納米管的混凝土在循環(huán)荷載幅值為16 MPa 時的電阻率變化率達(dá)到69.3%。王林飛等[27]研究了不同摻量鍍銅鋼纖維與碳鋼纖維混雜鋼纖維對活性粉末混凝土在抗壓破壞荷載下壓敏性的影響，結(jié)果表明1.00vol%鍍銅鋼纖維與0.50vol%碳鋼纖維的混雜鋼纖維混凝土隨著壓力增加，相對電阻率上升，最大為0.5%。此外，他們還建立了混凝土的力-電本構(gòu)模型，表明可通過監(jiān)測混凝土的電學(xué)性能參數(shù)，獲得混凝土的應(yīng)力和應(yīng)變等力學(xué)參數(shù)。Lee 等[28]研究了鋼纖維和碳納米管自感知高性能混凝土的可行性，通過力-電擬合方程可知，所有試樣的擬合度R2值均大于0.90，表明通過電阻率變化率可以精確地預(yù)測拉伸應(yīng)力和拉伸應(yīng)變的響應(yīng)。Wang 等[29]對彈性范圍內(nèi)纖維混凝土的應(yīng)力和電阻率變化率進(jìn)行了力-電擬合，結(jié)果表明單摻鋼纖維混凝土的電阻率變化率與壓應(yīng)力滿足線性關(guān)系，當(dāng)鋼纖維摻量為1.5vol%時，其擬合度R2可達(dá)0.99，表明纖維混凝土在彈性范圍內(nèi)可以通過電阻率變化率預(yù)測應(yīng)力。Demircilioglu 等[2]對不同摻量鍍銅鋼纖維增強(qiáng)混凝土在抗壓破壞荷載下的壓敏性建立了力-電本構(gòu)模型，結(jié)果表明摻入0.80vol%鍍銅鋼纖維混凝土的應(yīng)變與電阻率變化率符合一次函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)最高可達(dá)0.96，最大電阻率變化率為19%，表明可以通過電阻率的變化實(shí)現(xiàn)對混凝土應(yīng)力和應(yīng)變的監(jiān)測。Liu 等[14]制備了含納米炭黑/鍍鎳碳纖維和納米炭黑的水泥基復(fù)合材料，研究了其壓敏性能，提出了應(yīng)力與電阻率變化率之間的本構(gòu)關(guān)系，在單調(diào)載荷作用下，二次函數(shù)較好地描述了電阻率變化率隨失效應(yīng)力的變化。因此，所建立的應(yīng)力與電阻率變化率之間的本構(gòu)關(guān)系可以作為水泥基傳感器的標(biāo)定曲線，為實(shí)際工程中構(gòu)件的應(yīng)力監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)。

由以上可知，目前的研究主要集中在復(fù)摻鍍銅鋼纖維增強(qiáng)混凝土在抗壓循環(huán)/破壞荷載下的壓敏性，且基體類型主要為普通混凝土，并沒有復(fù)摻廢棄陶瓷粉。對鍍銅鋼纖維協(xié)同廢棄陶瓷粉增強(qiáng)綠色超高性能混凝土在不同破壞荷載下的壓敏性能研究還沒有開展。因而，本文首先利用廢棄陶瓷粉和鍍銅鋼纖維制備了綠色智能超高性能混凝土，并研究了鍍銅鋼纖維摻量對廢棄陶瓷超高性能混凝土直流和交流電阻率的影響規(guī)律；其次，研究了鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土在不同類型破壞荷載下的壓敏性能；最后，建立了鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的力-電本構(gòu)模型。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

本試驗(yàn)主要的原材料包括水泥、廢棄陶瓷粉、石英砂、聚羧酸高效減水劑、鍍銅鋼纖維和水。水泥為P·O 52.5R 普通硅酸鹽水泥，粉體電阻率為120.0 Ω·cm，其主要化學(xué)成分如表1 所示。廢棄陶瓷粉由廢棄陶瓷顆粒磨細(xì)得到，如圖1 所示。其平均粒徑為10.16 μm，比表面積為1 064 m2/kg，粉體電阻率為62.6 Ω·cm。圖2 和表1 分別為廢棄陶瓷粉的XRD 圖譜和化學(xué)組成成分，可知，其主要成分為SiO2，且根據(jù)文獻(xiàn)[30]可知，本文所采用的廢棄陶瓷粉具有火山灰活性。石英砂使用的是質(zhì)量比粗∶細(xì)=1∶1 的石英砂，粗石英砂粒徑為0.6～2.6 mm，細(xì)石英砂平均粒徑為50 μm，SiO2含量>99%，密度為2.65 g/cm3，莫氏硬度為7。聚羧酸高效減水劑的減水率≥60%，固含量為45%。鍍銅鋼纖維的直徑為0.2 mm，長度為13 mm，抗拉強(qiáng)度≥2 700 MPa，如圖3 所示。水為自來水。

圖1 廢棄陶瓷粉Fig.1 Ceramic waste powder

圖2 廢棄陶瓷粉的XRD 圖譜Fig.2 XRD pattern of ceramic waste powder

圖3 鍍銅鋼纖維Fig.3 Copper-plated steel fiber

表1 水泥和廢棄陶瓷粉化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of cement and ceramic waste powder

1.2 配合比

鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的水膠比為0.18，其中的膠凝材料為水泥和廢棄陶瓷粉。據(jù)參考文獻(xiàn)[23]可知，廢棄陶瓷粉對超高性能混凝土力學(xué)性能提高的最佳摻量為25.00wt%，而確定本文廢棄陶瓷粉摻量。膠砂比為1.0，減水劑為膠凝材料質(zhì)量的1.50%。根據(jù)國內(nèi)外研究可知，鍍銅鋼纖維摻量在2.5vol% 以內(nèi)時，其對混凝土的力學(xué)性能影響較大，考慮大摻量的鍍銅鋼纖維的分散問題，本文采用最大摻量為2.50vol%且以0.50vol% 為梯度，研究了0.00vol%～2.50vol%這6 個摻量，配合比具體如表2 所示。

表2 鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的配合比Table 2 Mix proportions copper-plated steel fiber reinforced ultra high performance concrete with ceramic waste powder

1.3 制備工藝

試驗(yàn)所采用的攪拌機(jī)為非變速攪拌機(jī)(HJW-60 型，河北新創(chuàng)儀器有限公司)，其轉(zhuǎn)速為80 r/min，具體攪拌流程如圖4 所示。將模具放在自然環(huán)境下養(yǎng)護(hù)24 h 后脫模。脫模后的試件放到(20±1)℃的水中養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期進(jìn)行電學(xué)和壓敏性能測試。

圖4 鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的制備流程Fig.4 Fabrication process of ultra high performance concrete with ceramic waste powder containing copper-plated steel fiber

1.4 測試方法

1.4.1 流動性能

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50080-2016[31]測量新拌鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的流動性。

1.4.2 電學(xué)性能

試件養(yǎng)護(hù)至28 天時，測量試件在靜態(tài)下的直流、交流電阻，如圖5 所示。采用數(shù)字萬用電表(DMM6500，Keithley Instruments 公司) 進(jìn)行兩電極直流電阻測試；采用交流表(Agilent U1733C，安捷倫公司) 進(jìn)行交流電阻測試，采用頻率為100 Hz、1 kHz、10 kHz 和100 kHz。根據(jù)下式將測得的電阻換算為電阻率：

圖5 鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土電學(xué)性能測試試件及電極布置Fig.5 Specimens shape and electrode layout for electrical properties test of copper-plated steel fiber reinforced ultra high performance concrete with ceramic waste powder

式中：ρ為復(fù)合材料的體積電阻率(Ω·cm)；R為復(fù)合材料的電阻(Ω)；S為復(fù)合材料試件的橫截面積，本文為16 cm2；L為復(fù)合材料試件電阻測試部分的長度，本文為14 cm。

1.4.3 壓敏性能

試驗(yàn)采用40 mm×40 mm×160 mm 的試件，電子萬能試驗(yàn)機(jī)(WDW-100C 和WDW-300C，上海華龍測試儀器股份有限公司) 施加和采集應(yīng)力；應(yīng)變通過應(yīng)變片和靜態(tài)應(yīng)變測試儀(DH3818Y，江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司)測試；電阻率通過直流電表采集。進(jìn)行抗折破壞試驗(yàn)時，加載速率為0.1 mm/min，加載方式、試件尺寸、應(yīng)變片布置及電極布置如圖6(a)所示。進(jìn)行壓縮破壞試驗(yàn)時，加載速率為1.2 mm/min，加載方式、試件尺寸、應(yīng)變片及電極布置如圖6(b)所示。廢棄陶瓷超高性能混凝土的電阻率變化率根據(jù)下式計(jì)算：

圖6 鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土壓敏性能測試加載示意圖Fig.6 Loading diagram of piezoresistivity test of copper-plated steel fiber reinforced ultra high performance concrete with ceramic waste powder

式中：Δρ為復(fù)合材料的電阻率變化率(%)；ρt為t時刻的電阻率(Ω·cm)；ρ0為初始電阻率(Ω·cm)。

鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的應(yīng)力靈敏度根據(jù)下式計(jì)算：

式中：SE為應(yīng)力靈敏度(%/MPa)；ρmax為最大的電阻率變化率(%)；σ為測試過程中電阻率變化率最大時對應(yīng)的應(yīng)力值(MPa)。

鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的應(yīng)變靈敏度根據(jù)下式計(jì)算：

式中：SA為應(yīng)變靈敏度；ε為測試過程中電阻率變化率最大時對應(yīng)的應(yīng)變值。

1.4.4 機(jī)制分析

(1) 鍍銅鋼纖維間距

鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷高性能混凝土的電學(xué)性能與鍍銅鋼纖維的體積分?jǐn)?shù)及鍍銅鋼纖維間的平均間距密切相關(guān)。本文采用光學(xué)顯微鏡(CK-300，上海蔡康光學(xué)儀器有限公司)觀察了不同摻量鍍銅鋼纖維在廢棄陶瓷超高性能混凝土內(nèi)的分布情況并通過理論公式近似計(jì)算鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷高性能混凝土電學(xué)性能的改善機(jī)制?；诶w維間距理論[32]，假設(shè)鍍銅鋼纖維單根分散并且隨機(jī)亂象分布，鍍銅鋼纖維間的平均間距根據(jù)下式計(jì)算：

(2) 孔溶液電阻率和離子濃度

將純水泥凈漿和25wt%廢棄陶瓷粉替代率的凈漿研磨成粉末，過150 μm 篩子；將篩后粉末浸入去離子水中，水和固體質(zhì)量比為100，采用磁力攪拌；當(dāng)pH 值穩(wěn)定后，將溶液過濾[33]。分別用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(Agilent ICP-OES 725ES，安捷倫科技(中國)有限公司)和電導(dǎo)率儀(FE38，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司)對濾液主要離子濃度和電導(dǎo)率進(jìn)行測試，并將電導(dǎo)率換算成孔溶液電阻率，溶液溫度為(20±1)℃。通過材料的懸浮溶液的離子濃度和電阻率表征孔溶液的離子濃度[34]和電阻率。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的流動性能

鍍銅鋼纖維摻量對擴(kuò)展度的影響如圖7 所示?？芍S著鍍銅鋼纖維摻量的不斷增加，廢棄陶瓷超高性能混凝土的擴(kuò)展度逐漸減小。當(dāng)鍍銅鋼纖維摻量為0.0vol% 時，擴(kuò)展度可達(dá)到600 mm。而當(dāng)鍍銅鋼纖維摻量為2.5vol% 時，其擴(kuò)展度降低了24.2%，但仍具有自流平特性，擴(kuò)展度可達(dá)到455 mm。鍍銅鋼纖維的摻入降低新拌超高性能混凝土的流動性主要原因如下：(1) 鍍銅鋼纖維可以吸附一部分自由水，新拌廢棄陶瓷超高性能混凝土中的自由水減少，流動性降低；(2) 鍍銅鋼纖維為鋼纖維材料，長徑比為65，即球形度很小，從形態(tài)上說，對廢棄陶瓷超高性能混凝土的流動性也有不利影響。除此之外，通過對數(shù)據(jù)線性擬合得到鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的回歸曲線，R2值為0.948，擴(kuò)展度與鍍銅鋼纖維摻量之間服從線性關(guān)系，即隨著鍍銅鋼纖維摻量增加擴(kuò)展度線性降低。表明通過均勻篩入，鍍銅鋼纖維可均勻分散于混凝土中。

圖7 鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的擴(kuò)展度(a)及其降低率(b)Fig.7 Spread (a) and decrease ratio (b) of copper-plated steel fiber reinforced ultra high performance concrete with ceramic waste powder

2.2 鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的直流電阻率和交流電阻率

鍍銅鋼纖維摻量對廢棄陶瓷超高性能混凝土28 天的直流電阻率和交流電阻率如圖8 所示?？芍?，在28 天養(yǎng)護(hù)齡期下，摻入鍍銅鋼纖維的廢棄陶瓷超高性能混凝土的直流電阻率均低于未摻入鍍銅鋼纖維的普通廢棄陶瓷超高性能混凝土的直流電阻率，且隨著鍍銅鋼纖維摻量的增加逐漸降低，在摻量為0vol%～0.5vol%時直流電阻率降低幅度最大。因此，鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的滲流區(qū)間為0vol%～0.5vol%。盡管0.5vol%、1.0vol%和1.5vol%鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的直流電阻率低于對照組，但其降低效果有限，降低率在20.0%以內(nèi)。而2.0vol%和2.5vol% 鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的直流電阻率為88.39 Ω·cm 和94.08 Ω·cm，較對照組分別降低了43.4%和39.8%。由此說明鍍銅鋼纖維在2.0vol% 時更容易在廢棄陶瓷超高性能混凝土內(nèi)部相互搭接形成有效的導(dǎo)電通路。由圖8 還可知，在28 天養(yǎng)護(hù)齡期，摻入鍍銅鋼纖維的廢棄陶瓷超高性能混凝土的交流電阻率均低于未摻入鍍銅鋼纖維的普通廢棄陶瓷超高性能混凝土的直流電阻率，且隨著鍍銅鋼纖維摻量的增加而降低。這是由于極化效應(yīng)的影響。鍍銅鋼纖維摻量為2.0vol%和2.5vol%時，廢棄陶瓷超高性能混凝土的交流電阻率可分別降至1 297.31 Ω·cm 和1 146.98 Ω·cm，較對照組分別降低了96.7%和96.8%。除此之外，還可以看出，廢棄陶瓷超高性能混凝土的交流電阻率隨著頻率增加而逐漸降低。隨著交流測試頻率增加，不同摻量的鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土交流電阻率的變化規(guī)律及降低程度均相似。由此說明，交流電阻測試頻率變化不會影響廢棄陶瓷超高性能混凝土交流電阻率隨鍍銅鋼纖維摻量變化的規(guī)律。

圖8 鍍銅鋼纖維摻量對廢棄陶瓷超高性能混凝土28 天的DC電阻率和交流(AC)電阻率的影響Fig.8 Effect of DC and alternating current (AC) electrical resistivity of copper-plated steel fiber reinforced ultra high performance concrete with ceramic waste powder at 28 days

2.3 鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土在抗折/抗壓破壞荷載下的壓敏性能

圖9 為0.0vol%～2.5vol% 鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土在抗折極限荷載下的電阻率變化率與應(yīng)力/應(yīng)變的關(guān)系?？芍?，隨著鍍銅鋼纖維摻量增加，鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的電阻率變化率和峰值應(yīng)力/應(yīng)變均呈現(xiàn)波浪式變化，且電阻率變化率均隨著應(yīng)力/應(yīng)變的增大而逐漸增大。摻入鍍銅鋼纖維的廢棄陶瓷超高性能混凝土的電阻率變化率和峰值應(yīng)力/應(yīng)變明顯大于未摻入鍍銅鋼纖維的普通廢棄陶瓷超高性能混凝土。鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的電阻率變化率與應(yīng)力/應(yīng)變之間清晰而完整的對應(yīng)關(guān)系可以表明此復(fù)合材料可以監(jiān)測混凝土的應(yīng)力/應(yīng)變。圖10(a)～10(c)分別為0.0vol%～2.5vol%鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土在抗折極限荷載下的電阻率變化率、應(yīng)力靈敏度和應(yīng)變靈敏度。由圖10(a) 可知，隨著鍍銅鋼纖維摻量增加，鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的電阻率變化率呈現(xiàn)波浪式增長。未摻入鍍銅鋼纖維的普通廢棄陶瓷超高性能混凝土的電阻率變化率較小，峰值應(yīng)力所對應(yīng)的電阻率變化率僅有-6.58%。摻入鍍銅鋼纖維的廢棄陶瓷超高性能混凝土在達(dá)到峰值應(yīng)力后并未完全斷裂，混凝土通過鍍銅鋼纖維跨越裂縫連接成為一個整體，峰值應(yīng)力時所對應(yīng)的電阻率變化率上升。2.0vol%和2.5vol%鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的電阻率變化率較高，可分別達(dá)到-10.55%和-14.66%，較對照組分別提高了60.3% 和122.8%。由圖10(b) 可知，隨著鍍銅鋼纖維摻量增加，鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的應(yīng)力靈敏度呈現(xiàn)波浪式增長。未摻入鍍銅鋼纖維的普通廢棄陶瓷超高性能混凝土在極限抗折荷載下的應(yīng)力靈敏度僅為0.372%/MPa，這是由于對照組在達(dá)到極限抗折荷載時，試件瞬間斷裂，導(dǎo)電通路斷開，導(dǎo)致其應(yīng)力靈敏度較小。2.5vol%鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的應(yīng)力靈敏度較高，為0.744%/MPa，提高了100.0%。由圖10(c) 可以看出，0.0vol%～2.5vol%鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土在極限抗折荷載下的應(yīng)變靈敏度隨著鍍銅鋼纖維摻量增大而呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。未摻入鍍銅鋼纖維的普通廢棄陶瓷超高性能混凝土在峰值應(yīng)力下的應(yīng)變靈敏度為250.03，摻入2.5vol% 鍍銅鋼纖維時，廢棄陶瓷超高性能混凝土的應(yīng)變靈敏度高達(dá)740.40，較對照組提高了196.1%。

圖9 0.0vol%～2.5vol%鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土在極限抗折荷載時應(yīng)力/應(yīng)變與電阻率變化率Δρ 之間的關(guān)系Fig.9 Relationship between the stress/strain and the fractional change in resistivity Δρ of 0.0vol%-2.5vol% copper-plated steel fiber reinforced ultra high performance concrete with ceramic waste powder under flexural load

圖10 0.0vol%～2.5vol%鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土在抗折極限荷載時的Δρ、應(yīng)力靈敏度SE 和應(yīng)變靈敏度SAFig.10 Δρ, stress sensitivity SE and strain sensitivity SA of 0.0vol%-2.5vol% copper-plated steel fiber reinforced ultra high performance concrete with ceramic waste powder under flexural load

0.0vol%～2.5vol%鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土在抗壓極限荷載下的電阻率變化率與應(yīng)力/應(yīng)變的關(guān)系如圖11 所示?？梢钥闯觯S著鍍銅鋼纖維摻量的增加，鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的電阻率變化率和峰值應(yīng)力/應(yīng)變均呈現(xiàn)波動式增長。摻入鍍銅鋼纖維的廢棄陶瓷超高性能混凝土的電阻率變化率和峰值應(yīng)力/應(yīng)變明顯高于未摻入鍍銅鋼纖維的普通廢棄陶瓷超高性能混凝土。在整個加載過程中，電阻率變化率首先隨著荷載增大而緩慢降低，而當(dāng)混凝土進(jìn)入抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的非線性階段后，電阻率變化率迅速降低。這是由于當(dāng)混凝土進(jìn)入非線性階段后，混凝土?xí)霈F(xiàn)微裂縫并迅速延伸。而當(dāng)混凝土達(dá)到峰值應(yīng)力時，混凝土內(nèi)會產(chǎn)生宏觀裂縫，導(dǎo)致導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)破壞[35]，因而電阻率變化率會出現(xiàn)明顯變化。圖12(a)～12(c) 分別表示0.0vol%～2.5vol%鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土在抗壓極限荷載下的電阻率變化率、應(yīng)力靈敏度和應(yīng)變靈敏度。由圖12(a) 可知，隨著鍍銅鋼纖維摻量的增加，鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的電阻率變化率大體呈現(xiàn)增長趨勢。未摻入鍍銅鋼纖維的普通廢棄陶瓷超高性能混凝土的電阻率變化率最小，峰值應(yīng)力所對應(yīng)的電阻率變化率僅有-8.72%。摻入鍍銅鋼纖維的廢棄陶瓷超高性能混凝土在達(dá)到峰值應(yīng)力后并未完全斷裂，混凝土通過鍍銅鋼纖維跨越裂縫連接成為一個整體，峰值應(yīng)力時所對應(yīng)的電阻率變化率上升。2.0vol%和2.5vol%鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的電阻率變化率較高，達(dá)到了-34.36%和-29.71%，較對照組分別提高了294.0%和240.7%。由圖12(b) 可知，隨著鍍銅鋼纖維摻量增加，鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的應(yīng)力靈敏度大體呈現(xiàn)增長趨勢。未摻入鍍銅鋼纖維的普通廢棄陶瓷超高性能混凝土在極限抗壓荷載下的應(yīng)力靈敏度僅0.112%/MPa，而2.0vol%和2.5vol%鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的應(yīng)力靈敏度較高，分別為0.360%/MPa 和0.322%/MPa，較對照組分別提高了221.4%和187.5%。由圖12(c)可知，鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土在極限抗壓荷載下的應(yīng)變靈敏度變化規(guī)律與應(yīng)力靈敏度的變化規(guī)律相似，均隨著鍍銅鋼纖維摻量的增大而呈現(xiàn)波動式增長。未摻入鍍銅鋼纖維的普通廢棄陶瓷超高性能混凝土在峰值應(yīng)力下的應(yīng)變靈敏度為64.09，而摻入2.0vol%和2.5vol%鍍銅鋼纖維時的廢棄陶瓷超高性能混凝土的應(yīng)變靈敏度較高，分別達(dá)到了137.04 和116.09，較對照組分別增長了113.8%和84.3%。

圖11 0.0vol%～2.5vol%鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土在抗壓極限荷載時應(yīng)力/應(yīng)變和Δρ 之間的關(guān)系Fig.11 Relationship between the stress/strain and Δρ of 0.0vol%-2.5vol% copper-plated steel fiber reinforced ultra high performance concrete with ceramic waste powder under compressive load

圖12 0.0vol%～2.5vol%鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土在抗壓極限荷載時的Δρ、SE 和SAFig.12 Δρ, SE and SA of 0.0vol%-2.5vol% copper-plated steel fiber reinforced ultra high performance concrete with ceramic waste powder under compressive load

上述試驗(yàn)結(jié)果表明鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的壓敏性能與不同荷載工況相關(guān)。因此，本文將不同鍍銅鋼纖維摻量(0.0vol%、0.5vol%、1.0vol%、1.5vol%、2.0vol% 和2.5vol%)在抗折破壞和抗壓破壞兩種工況下的壓敏性能進(jìn)行對比。以電阻率變化率、應(yīng)力和應(yīng)變靈敏度3個指標(biāo)，通過雷達(dá)圖綜合分析了不同工況對鍍銅鋼纖維摻量增強(qiáng)廢棄陶瓷粉超高性能混凝土自感知性能的影響，結(jié)果如圖13 所示。圖13(a)中封閉區(qū)域面積越大，表明該因素對壓敏性的影響程度越大。由圖13(b)可知，與抗壓破壞工況相比，抗折破壞工況影響廢棄陶瓷粉超高性能混凝土的壓敏性能更優(yōu)。鍍銅鋼纖維摻量為2.5vol% 時，在抗折破壞工況的條件下，廢棄陶瓷超高性能混凝土的壓敏性能最優(yōu)。

圖13 不同破壞荷載對廢棄陶瓷粉超高性能混凝土壓敏性能的影響Fig.13 Effect of different failure loads on poiezoresistivity properties of copper-plated steel fiber reinforced ultra high performance concrete with ceramic waste powder

2.4 鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的導(dǎo)電與壓敏機(jī)制

文獻(xiàn)[36]通過交流阻抗譜測試并擬合建立了特細(xì)鋼微絲超高性能混凝土的等效電路圖模型。由此等效電路圖模型可知，特細(xì)鋼微絲超高性能混凝土的電阻主要由纖維形成的網(wǎng)絡(luò)和混凝土基體的電阻決定。據(jù)此，首先，通過鍍銅鋼纖維在廢棄陶瓷超高性能混凝土內(nèi)的分布情況和鍍銅鋼纖維間的平均間距討論廢棄陶瓷超高性能混凝土在不同鍍銅鋼纖維摻量時的導(dǎo)電機(jī)制；其次，分析廢棄陶瓷粉對超高性能混凝土基體導(dǎo)電性的影響機(jī)制。

由圖14 可知，隨著鍍銅鋼纖維摻量的增加，超高混凝土基體中由鍍銅鋼纖維組成的網(wǎng)絡(luò)逐步完善。且由纖維間距理論計(jì)算[32]可知(表3)，隨著鍍銅鋼纖維摻量的增加，鍍銅鋼纖維間的平均間距逐漸減小，鍍銅鋼纖維相互搭接的幾率不斷增大，導(dǎo)電通路不斷完善，電阻率不斷減小[37]。另一方面，廢棄陶瓷粉的電阻率為62.6 Ω·cm 低于水泥粉的電阻率120.0 Ω·cm，且廢棄陶瓷粉具有火山灰活性且顆粒小，25%取代率的廢棄陶瓷粉可使水化程度提高49.45%[23]，從而提高溶液中的離子濃度，如表4所示?？芍?，25%廢棄陶瓷粉替代率凈漿的主要離子(Ca2+、K+、Na+、Al3+、Si4+等)的總濃度為278.03 μg/mL，相比于純水泥凈漿主要離子的總濃度提升了14.4%。由表5 可知，25%廢棄陶瓷粉替代率的水泥凈漿在全烘干狀態(tài)下的直流電阻率、交流電阻率和孔溶液電阻率均低于純水泥凈漿材料的電阻率，分別降低了66.3%、79.1%和9.5%。因此，采用廢棄陶瓷粉替代25% 的水泥，可提高超高性能混凝土的導(dǎo)電性能。

圖14 鍍銅鋼纖維在廢棄陶瓷超高性能混凝土內(nèi)的分布情況(線和點(diǎn)為鍍銅鋼纖維；圓圈為鍍銅鋼纖維搭接)Fig.14 Distribution of copper-coated steel fibers in ultra high performance concrete with ceramic waste powder(Dots and dashes represent copper-coated steel fiber;Circle represents the connection of copper-coated steel fibers)

表3 鍍銅鋼纖維間的平均間距Table 3 Average distances of copper-plated steel fibers

表4 純水泥和25%廢棄陶瓷粉替代率水泥凈漿的孔溶液離子濃度Table 4 Pore solution ion contents of pure cement paste and cement paste with 25% ceramic waste powder

表5 純水泥和25%廢棄陶瓷粉替代率水泥凈漿在全烘干狀態(tài)下的電阻率和孔溶液電阻率Table 5 Resistivity and pore solution resistivity of pure cement paste and cement paste with 25% ceramic waste powder in full drying condition

而鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土在不同破壞荷載下的壓敏機(jī)制如下。鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的壓敏性取決于荷載下鍍銅鋼纖維形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和基體電阻率的變化程度。在廢棄陶瓷超高性能混凝土受到持續(xù)變化的抗折/抗壓荷載作用時，由于鍍銅鋼纖維間距不斷變化，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)持續(xù)變化，則電阻率同步變化；且由于廢棄陶瓷粉的摻入，超高性能混凝土基體和孔溶液導(dǎo)電能力提升，電阻率因裂紋產(chǎn)生和體積變化而發(fā)生改變。因此，基于鍍銅鋼纖維與廢棄陶瓷粉的協(xié)同作用，超高性能混凝土展現(xiàn)出良好的壓敏性。此外，廢棄陶瓷粉有促進(jìn)水化作用、火山灰效應(yīng)和內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用[38-39]，不僅可提高超高性能混凝土基體強(qiáng)度，而且可提高鍍銅鋼纖維與基體的粘結(jié)性，從而協(xié)同鍍銅鋼纖維提高超高性能混凝土強(qiáng)度和韌性[23,30]，拓寬超高性能混凝土的應(yīng)力/應(yīng)變監(jiān)測范圍。

2.5 鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土在抗折/抗壓破壞荷載下的力-電本構(gòu)模型

不同摻量的鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土從抗折荷載加載到破壞過程中的電阻率變化率與抗折極限應(yīng)力/應(yīng)變曲線的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合曲線如圖15 所示?？芍?，鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的電阻率變化率與抗折極限應(yīng)力/應(yīng)變之間基本遵從三次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，只有當(dāng)鍍銅鋼纖維摻量為2.50vol%時電阻率變化率與抗折極限應(yīng)力/應(yīng)變之間遵從指數(shù)函數(shù)關(guān)系，其函數(shù)如圖15(k)和圖15(l)所示。電阻率變化率與抗折極限應(yīng)力/應(yīng)變的擬合度R2在0.93 以上，最高達(dá)到了0.99。表明在固定摻量下，鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的力-電本構(gòu)模型準(zhǔn)確度較高。可見，利用鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的電阻率變化率可以準(zhǔn)確地對其應(yīng)力/應(yīng)變監(jiān)測。

圖15 0.0vol%～2.5vol%鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土在抗折極限荷載下的電阻率變化率與應(yīng)力/應(yīng)變之間的函數(shù)關(guān)系Fig.15 Function relationship of Δρ and stress/strain of 0.0vol%-2.5vol% copper-plated steel fiber reinforced ultra high performance concrete with ceramic waste powder under ultimate flexural load

不同摻量的鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土從抗壓荷載壓縮到破壞過程中的電阻率變化率與抗壓應(yīng)力/應(yīng)變曲線的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合曲線如圖16 所示?？芍?，鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的電阻率變化率與抗壓應(yīng)力/應(yīng)變之間均遵從三次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系。且由圖16 還可知，擬合參數(shù)因鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的最大應(yīng)變的不同而不同。隨著鋼纖維摻量增加，鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的電阻率變化率與抗壓極限應(yīng)力之間的擬合度R2也增大，基本在0.92 以上。只有當(dāng)鋼纖維摻量為1.50vol%時，鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的電阻率變化率與抗壓應(yīng)力之間的擬合度R2較小，僅為0.82。而其他摻量的鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土的電阻率變化率與抗壓應(yīng)力/應(yīng)變之間具有較吻合的函數(shù)關(guān)系，其擬合度R2最高達(dá)到0.99。可通過對電阻率變化率的測試，監(jiān)測其應(yīng)力/應(yīng)變。

圖16 0.0vol%～2.5vol%鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土在抗壓極限荷載下的電阻率變化率與應(yīng)力/應(yīng)變之間的函數(shù)關(guān)系Fig.16 Function relationship of Δρ and stress/strain of 0.0vol%-2.5vol% copper-plated steel fiber reinforced ultra high performance concrete with ceramic waste powder under ultimate compressive load

3 結(jié) 論

基于鍍銅鋼纖維和廢棄陶瓷粉的特性與協(xié)同作用制備并研究了超高性能混凝土的流動性能和電學(xué)性能，及在不同類型荷載(抗折破壞荷載和抗壓破壞荷載) 下的壓敏性能。主要結(jié)論如下：

(1) 隨著鍍銅鋼纖維摻量增加，廢棄陶瓷超高性能混凝土的擴(kuò)展度逐漸降低。當(dāng)鍍銅鋼纖維摻量為2.50vol%時，擴(kuò)展度為455 mm，較對照組降低了24.2%。所有拌合物的擴(kuò)展度都具有自流平特性。鍍銅鋼纖維導(dǎo)致擴(kuò)展度降低主要是由于鍍銅鋼纖維可以吸附部分水且其球形度較低；

(2) 隨著鍍銅鋼纖維摻量增加，廢棄陶瓷超高性能混凝土的直流和交流電阻率均呈降低的趨勢。2.00vol%鍍銅鋼纖維摻量對直流和交流電阻率的改善效果優(yōu)于其余鋼纖維摻量，其直流、交流電阻率分別降低了43.4%和96.7%；

(3) 鍍銅鋼纖維的摻入使廢棄陶瓷超高性能混凝土在極限抗折/抗壓破壞荷載下的電阻率變化率和應(yīng)力/應(yīng)變靈敏度均增大。2.50vol%鋼纖維摻量的鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土在抗折極限荷載下具有最高的電阻率變化率和應(yīng)力/應(yīng)變靈敏度，分別達(dá)到了14.66%、0.744%/MPa 和740.40。2.00vol%鋼纖維摻量的鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土在抗壓極限荷載下的電阻率變化率和應(yīng)力/應(yīng)變靈敏度取得最大值，為34.36%、0.360%/MPa 和137.04；

(4) 通過雷達(dá)圖分析可知，在抗折破壞荷載工況下，鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷粉超高性能混凝土壓敏性能優(yōu)于其在抗壓破壞荷載工況。當(dāng)鍍銅鋼纖維摻量為2.5vol%且荷載類型為抗折破壞時，廢棄陶瓷粉超高性能混凝土的壓敏性能最優(yōu)；

(5) 靜態(tài)下，隨著摻量增加，鍍銅鋼纖維平均間距減少，相互搭接的幾率不斷增大，導(dǎo)電通路不斷完善，超高性能混凝土的電阻率不斷降低；而廢棄陶瓷粉電阻率較水泥粉低，且具有火山灰活性和小粒徑，可以促進(jìn)水泥水化和提高溶液中的離子濃度，從而提高基體的導(dǎo)電性能。荷載下，鍍銅鋼纖維間距不斷變化，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)持續(xù)變化，則電阻率同步變化；且超高性能混凝土基體和孔溶液電阻率因裂紋產(chǎn)生和體積變化而發(fā)生變化，因此，鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土表現(xiàn)出良好的壓敏性能；

(6) 通過抗折和抗壓極限荷載下的電阻率變化率和應(yīng)力/應(yīng)變進(jìn)行函數(shù)關(guān)系擬合可知，鍍銅鋼纖維的廢棄陶瓷超高性能混凝土在抗折和抗壓極限荷載下的電阻率變化率和應(yīng)力/應(yīng)變曲線基本遵從三次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，且擬合度R2基本在0.92 以上，最高可達(dá)0.99?；诮⒌牧?電本構(gòu)模型，可通過對鍍銅鋼纖維增強(qiáng)廢棄陶瓷超高性能混凝土電阻率的測試實(shí)現(xiàn)其應(yīng)力/應(yīng)變狀態(tài)的監(jiān)測。