碳纖維和鋼渣水泥基復(fù)合材料導(dǎo)電性及損傷識(shí)別研究

譚志催,馬德云，章萬軍，榮 華（.國(guó)家工業(yè)建構(gòu)筑物質(zhì)量安全監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京00088；.北京市建筑工程研究院有限責(zé)任公司，北京0009；.北京首鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司，北京0004）

0 引言

我國(guó)從建國(guó)至今已有70年，伴隨著民生、經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，土木工程學(xué)科行業(yè)也日臻完善，全國(guó)各地高樓大廈、居住建筑、公共建筑、工業(yè)廠房、橋隧等如雨后春筍般拔地而起。一般建筑的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)周期為50年，加之使用環(huán)境、改造、標(biāo)準(zhǔn)更迭、建造水平、自然災(zāi)害等因素，很多既有建筑已出現(xiàn)不同程度的老化、破損，尤其上世紀(jì)80年代以前的既有建筑在地震等自然災(zāi)害面前顯得不堪一擊。因而，對(duì)既有建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康診治，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，進(jìn)行防災(zāi)預(yù)測(cè)和評(píng)估，進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全評(píng)估已逐步成為土木工程學(xué)科發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。為探索智能混凝土結(jié)構(gòu)，近年來國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者開始注重混凝土導(dǎo)電性能和相關(guān)機(jī)敏性研究[1，2]，李亮等研究了其動(dòng)力學(xué)性能[3]，趙潔等研究了纖維表面鍍鎳對(duì)壓敏性能的影響[4]。本文擬結(jié)合試驗(yàn)研究碳纖維水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)電性，并利用導(dǎo)電性對(duì)構(gòu)件的損傷進(jìn)行識(shí)別。

1 基本思路和模型

導(dǎo)電性是材料的一個(gè)基本特性，固定的構(gòu)件相當(dāng)于一個(gè)完整的導(dǎo)體。從理論上講，在通路情況下，若試塊的應(yīng)力越大，則應(yīng)變將會(huì)增大，進(jìn)而產(chǎn)生開裂，隨著裂縫的增大，整個(gè)試塊某些截面變小，整體電阻必然增大，測(cè)試電阻值可能用于判定構(gòu)件是否損傷及識(shí)別損傷程度。普通的水泥基材和混凝土是不良導(dǎo)體，而碳纖維、鋼渣導(dǎo)電性能極好，為增強(qiáng)材料的導(dǎo)電性能，本文擬在水泥基復(fù)合材料中添加不同含量的碳纖維和鋼渣，以研究碳纖維、鋼渣水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)電性和相關(guān)性能。

試驗(yàn)分兩個(gè)階段：第一個(gè)階段在水泥凈漿中添加不同含量的碳纖維，測(cè)試構(gòu)件導(dǎo)電性、抗壓和抗折試驗(yàn)情況下的電阻-應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；第二階段在添加碳纖維的基礎(chǔ)上參入不同含量的鋼渣，以研究碳纖維-鋼渣構(gòu)件導(dǎo)電性、抗壓和抗折試驗(yàn)情況下的電阻-應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。試驗(yàn)構(gòu)件模型尺寸為400mm×400mm×1600mm，在距離兩端各30 mm處預(yù)埋銅片、引出導(dǎo)線，測(cè)量試塊的電阻值，見圖1。

圖1 試件模型及成品

2 第一階段試驗(yàn)過程及結(jié)論

第一階段為在水泥凈漿試塊中按不同的體積百分率摻入碳纖維進(jìn)行試驗(yàn)，水泥采用盾石牌325普通硅酸鹽水泥，摻入分散劑(甲基纖維素：取質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%)、消泡劑（磷酸三丁酯：取質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%），碳纖維采用短切的PAN基碳纖維，按體積摻量的不同（占總體積量：0%，0.4%，0.8%，1.2%，1.6%）5組試驗(yàn)，每組制作試件9個(gè)（留樣3個(gè)，抗壓試驗(yàn)3個(gè)，抗折試驗(yàn)3個(gè)），水灰比0.30。碳纖維性能見表1，碳纖維用量及分組見表2。

表1 碳纖維性能表

表2 PAN碳纖維用量及分組表

2.1 導(dǎo)電性試驗(yàn)結(jié)果及分析

本階段試驗(yàn)前7天每天都要測(cè)量其電阻值，以后則間隔測(cè)量試塊的電阻值。養(yǎng)護(hù)第60d各組平均電阻值與纖維含量關(guān)系如圖2，各組電阻平均值和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系圖如圖3。分析圖2、圖3，可得出如下結(jié)論：

（1）不摻碳纖維的試件60d電阻值約為10000 Ω，纖維體積率低于1.2%時(shí)，試件60d電阻值呈線性下降，摻入量為1.2%時(shí)，試件60d電阻值約600 Ω，說明碳纖維對(duì)試件導(dǎo)電性有非常顯著的影響；

（2）纖維體積率為1.2%～1.6%時(shí)，試件60 d電阻值（約為600Ω）呈水平直線狀態(tài)，說明1.2%為本次試驗(yàn)的最佳摻入量，摻入量大于1.2%不會(huì)對(duì)導(dǎo)電性產(chǎn)生顯著影響；

（3）見圖3，碳纖維顯著影響試件導(dǎo)電性，纖維體積率1.2%和1.6%的試件測(cè)試電阻值基本相同，說明1.2%為本次試驗(yàn)的最佳摻入量，摻入量大于1.2%不會(huì)對(duì)導(dǎo)電性產(chǎn)生顯著影響；

（4）見圖3，纖維體積率為0.8%～1.6%時(shí)，試件電阻值在7天后隨時(shí)間變化較為平穩(wěn)；纖維體積率為0.4%時(shí)，試件電阻值在30天后隨時(shí)間變化較為平穩(wěn)；沒有摻入碳纖維的試件電阻值整體呈上升趨勢(shì)、約50天后趨于平穩(wěn)。說明碳纖維對(duì)試件導(dǎo)電穩(wěn)定性有顯著影響。

圖2 60d電阻和纖維含量關(guān)系圖

圖3 電阻和時(shí)間關(guān)系圖

2.2 抗壓試驗(yàn)結(jié)果及分析

養(yǎng)護(hù)60d后，每組隨機(jī)選取3個(gè)試塊進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，分析碳纖維水泥基復(fù)合試件的電阻-應(yīng)力變化關(guān)系及應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系。試驗(yàn)分級(jí)加載，每次加力8 kN，加載面積為40 mm×40 mm，折合成壓應(yīng)力為每級(jí)5 MPa，逐級(jí)加載，同時(shí)測(cè)試并記錄其應(yīng)變值?？箟涸囼?yàn)示意圖見圖4，電阻-應(yīng)力變化關(guān)系見圖5，應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系見圖6。

圖4 抗壓試驗(yàn)示意圖

分析圖5和圖6，可得出如下結(jié)論：

（1）無論是電阻-應(yīng)力關(guān)系圖，還是應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖在加載后期大都會(huì)出現(xiàn)突變，其原因是試件受到較大的損傷，開裂截面不斷增加，裂縫逐漸增大，裂縫處纖維之間的連接逐漸被削弱，從而導(dǎo)致整個(gè)試塊電阻值或應(yīng)變值出現(xiàn)較大的變化。利用這個(gè)突變處的電阻值與其他應(yīng)力處的電阻值進(jìn)行比較即可判斷試件是否損傷。

（2）比較電阻-應(yīng)力關(guān)系圖和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖可以看出，后者的突變較前者更明顯。這與測(cè)量方法的準(zhǔn)確性有關(guān)系，由于本試驗(yàn)采用的是兩級(jí)法測(cè)量電阻，所以不能很有效的消除兩端銅片產(chǎn)生的接觸電阻，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了一定影響。

圖5 電阻-應(yīng)力關(guān)系圖

圖6 應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系圖

2.3 抗折試驗(yàn)結(jié)果及分析

養(yǎng)護(hù)60d后，每組取3個(gè)試塊進(jìn)行抗折試驗(yàn)，分析碳纖維水泥基復(fù)合試件的電阻-荷載變化關(guān)系及應(yīng)變-荷載關(guān)系。試驗(yàn)分級(jí)加載，每次加力0.30kN，折合成拉應(yīng)力為每級(jí)1 MPa，逐級(jí)加載，同時(shí)測(cè)試并記錄其應(yīng)變值?？箟涸囼?yàn)示意圖見圖7，電阻-荷載變化關(guān)系見圖8，應(yīng)變-荷載關(guān)系見圖9。

分析圖8和圖9，可得出如下結(jié)論：

（1）在試件破壞前電阻或應(yīng)變值都會(huì)出現(xiàn)突變，若以破壞前一級(jí)電阻為臨界電阻，其他時(shí)刻電阻與定義的臨界電阻比較即可判斷試件是否損傷，其差別程度則可以說明試件損傷的嚴(yán)重程度。也可以定義此臨界電阻值為1，其他時(shí)刻電阻值與臨界電阻的比值大于1的即可定義為已破壞試件，小于1的即為未破壞試件。其差別程度同樣可以反映試件損傷的嚴(yán)重程度。

圖7 抗折試驗(yàn)示意圖

圖8 電阻-荷載關(guān)系圖

圖9 應(yīng)變-荷載關(guān)系圖

（2）從以上抗壓試驗(yàn)和抗折試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以看出，摻有碳纖維的水泥試塊其抗壓強(qiáng)度并未得到提高，而起抗拉強(qiáng)度則較素水泥試塊得到了較大的提高。首先，這是因?yàn)樘祭w維具有較高的抗拉強(qiáng)度，本試驗(yàn)采用的碳纖維抗拉強(qiáng)度達(dá)到了3 000～3500MPa，高抗拉強(qiáng)度的碳纖維散布在水泥基體中也相應(yīng)的增強(qiáng)了水泥基體的抗拉強(qiáng)度。其次，細(xì)小的碳纖維提高了水泥試塊的密實(shí)度，從而提高了其抗拉強(qiáng)度。

3 第二階段試驗(yàn)過程及結(jié)論

普遍認(rèn)為鋼渣較水泥灰強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好，故本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了第二階段試驗(yàn)，在碳纖維水泥基體中摻入鋼渣，利用鋼渣等質(zhì)量代替部分水泥，重復(fù)進(jìn)行第一階段的試驗(yàn)過程，測(cè)試碳纖維-鋼渣水泥基復(fù)合試件的導(dǎo)電性、抗壓和抗折性能。

參考1階段試驗(yàn)結(jié)果，碳纖維摻入量恒定采用體積率1.2%，鋼渣摻量按與水泥灰質(zhì)量比0、0.3、0.6、1、1.5和 2，分 6組進(jìn)行試驗(yàn)（編號(hào) 0～5組），外加劑、水灰比等同第一階段。第二階段計(jì)劃每組制作試塊6個(gè)，共制作碳纖維-鋼渣水泥基復(fù)合試件33個(gè)（后由于鋼渣數(shù)量不夠第5組只做了3個(gè)試塊），過程略。

3.1 導(dǎo)電性試驗(yàn)結(jié)果及分析

本階段試驗(yàn)養(yǎng)護(hù)第60d各組平均電阻值與鋼渣含量關(guān)系如圖10，各組電阻平均值和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系圖如圖11。分析圖10，11，可得出如下結(jié)論：

圖10 60天電阻和鋼渣含量關(guān)系圖

圖11 電阻和時(shí)間關(guān)系圖

（1）試件60d電阻值與鋼渣含量無規(guī)律性，即鋼渣沒有顯著影響碳纖維水泥基復(fù)合試件的導(dǎo)電性；

（2）比較摻入鋼渣和沒摻鋼渣的曲線，可以看出，沒摻鋼渣的曲線較之摻入鋼渣的曲線較為平穩(wěn)，也與1階段D組日均電阻值圖較為符合；

（3）摻入鋼渣后，水泥試塊電阻值的變化在30～40d時(shí)是最不穩(wěn)定的，到了45d后則逐漸趨于平穩(wěn)，其值只有第4組試塊較之1階段有較大幅度減?。p小了1/3），而其他組電阻值則并未出現(xiàn)明顯減小。

3.2 抗壓試驗(yàn)結(jié)果及分析

進(jìn)行第二階段抗壓試驗(yàn)，過程與第一階段相同，電阻-應(yīng)力變化關(guān)系見圖12，應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系見圖13。分析圖12和圖13，可得出如下結(jié)論：

（1）該階段試驗(yàn)結(jié)果與第一階段相似，從電阻－應(yīng)力關(guān)系圖和應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系圖可以看出在加載后期豎軸數(shù)值大都會(huì)出現(xiàn)突變，同樣可以定義一個(gè)臨界電阻，利用這個(gè)突變處的臨界電阻與其他應(yīng)力處的電阻值進(jìn)行比較即可判斷試件是否損傷。

圖12 電阻-應(yīng)力關(guān)系圖

圖13 應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系圖

4.3 抗折試驗(yàn)結(jié)果及分析

進(jìn)行第二階段抗折試驗(yàn)，過程與第一階段相同，電阻-荷載變化關(guān)系見圖14，應(yīng)變-荷載關(guān)系見圖15。分析圖14和圖15，可得出如下結(jié)論：

圖14 電阻-荷載關(guān)系圖

圖15 應(yīng)變-荷載關(guān)系圖

（1）比較兩個(gè)階段試驗(yàn)情況，對(duì)于兩個(gè)階段大部分試塊而言，試塊電阻值或應(yīng)變?cè)诩虞d后期都會(huì)出現(xiàn)較大突變，定義突變處的電阻值為臨界電阻，其他時(shí)刻的電阻值與這個(gè)定義的臨界電阻比較即可判別是否損傷，根據(jù)差值的大小還可以判斷損傷的嚴(yán)重程度。

（2）比較前后兩個(gè)階段可以看出，在摻加碳纖維的基礎(chǔ)上摻入鋼渣后，水泥試塊的導(dǎo)電性能變化起伏較大、不穩(wěn)定。

4 總結(jié)

本文試驗(yàn)和研究了碳纖維水泥基復(fù)合試件和碳纖維-鋼渣水泥基復(fù)合試件的導(dǎo)電性能、抗壓抗折性能，試驗(yàn)表明：

（1）碳纖維能夠顯著改善水泥基材的導(dǎo)電性，碳纖維參量大于等于1.2%時(shí)，其導(dǎo)電性能最佳，且碳纖維對(duì)試件導(dǎo)電穩(wěn)定性有顯著影響；

（2）在碳纖維水泥基材中參入鋼渣并不會(huì)顯著影響試件導(dǎo)電性，會(huì)顯著影響導(dǎo)電穩(wěn)定性；

（3）抗壓和抗折試驗(yàn)結(jié)果表明利用導(dǎo)電性判斷構(gòu)件是否損傷（開裂）及損傷程度在試驗(yàn)上是可行的（相關(guān)作用機(jī)理還需深入研究）。