碳纖維粉改性水泥砂漿壓阻特性分析

李十泉， 陳奕帆， 郭煜豐， 王榮

(1.南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院， 泰州 225300； 2.江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212013)

現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)正向高性能、多功能、智能化方向發(fā)展。在長(zhǎng)期荷載、偶然作用、環(huán)境侵蝕等共同作用下，混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷積累，導(dǎo)致在役混凝土構(gòu)件/結(jié)構(gòu)的可靠性降低。智能水泥基復(fù)合材料的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)、原位自監(jiān)測(cè)，對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估起到關(guān)鍵作用，已成為結(jié)構(gòu)健康領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-5]。李進(jìn)橋[6]研究了石墨混凝土電阻與應(yīng)力關(guān)系，分析了試件電阻率與內(nèi)部微裂紋之間的關(guān)系。侯作富等[7]介紹了導(dǎo)電混凝土除冰化學(xué)的原理，認(rèn)為碳纖維是制備導(dǎo)電混凝土路面材料的理想摻料。周天舒等[5]研究了碳纖維、鍍銅鋼纖維等對(duì)混凝土壓阻的影響，發(fā)現(xiàn)摻入1.2%碳纖維與4%鍍銅鋼纖維時(shí)，壓阻響應(yīng)顯著。

作為智能混凝土分支，具備自監(jiān)測(cè)功能的水泥基復(fù)合材料逐步發(fā)展。其自監(jiān)測(cè)功能對(duì)工程結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)具有重要意義[8-10]。Farhad等[11]對(duì)碳纖維水泥基復(fù)合材料開(kāi)展研究，并將其應(yīng)用于人行道的無(wú)損檢測(cè)。Yehia等[12]將碳纖維絲添加到水泥凈漿中，降低了凈漿的接觸電阻和體積電阻，在監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的同時(shí)，對(duì)鋼筋形成陰極保護(hù)。趙若紅等[13]將鋼屑、鋼渣和鐵砂混合摻入砂漿中，得到環(huán)保導(dǎo)電砂漿，分析了其電阻率與加載電壓的變化規(guī)律。Hamza等[14]在水泥砂漿中添加碳纖維(carbon fiber，CF)，以降低其電阻率，分析了CF連接性、砂粒結(jié)構(gòu)及其粒度分布的對(duì)砂漿自感知行為的影響。王燕鋒等[15]分析了碳納米管水泥砂漿的電導(dǎo)特性，提出了其壓阻效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。周瓊等[16]對(duì)廢棄鋰電池中的石墨再生處理后，用于功能水泥制備，提升了其力學(xué)性能和壓敏性能，對(duì)鋰電池的回收利用提供了思路。

以上研究表明，智能水泥基復(fù)合材料的基體有混凝土、砂漿、凈漿，其導(dǎo)電相主要有碳纖維、石墨、鋼纖維、鋼渣、石墨、納米碳管、導(dǎo)電橡膠等。從強(qiáng)度、壓阻特性、成本等方面考慮，碳纖維改性材料，如短切碳纖維、碳/鋼混雜纖維具有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)的碳纖維產(chǎn)能，仍處于不足狀態(tài)[17]，短時(shí)間內(nèi)，難有大量的碳纖維產(chǎn)品直接應(yīng)用于導(dǎo)電混凝土。但導(dǎo)電混凝土所需碳纖維可來(lái)源于：碳纖維產(chǎn)品加工的尾料二次加工；碳纖維產(chǎn)品回收[18]；中低端碳纖維原絲束直接加工。碳纖維具有耐酸、耐堿、耐侯性好的特點(diǎn)，相關(guān)產(chǎn)品的回收、處理及尾料二次利用，有利于解決碳纖維產(chǎn)品鏈的形成，降低碳纖維產(chǎn)品的環(huán)境壓力，構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系。

短切碳纖維切絲不易在基體中均勻分散，導(dǎo)致含量較高時(shí)，復(fù)合材料強(qiáng)度下降。研究表明,摻加硅粉有助于分散碳纖維，改善復(fù)合材料的導(dǎo)電性，同時(shí)在一定程度上提高強(qiáng)度[19-20]?，F(xiàn)采用CF粉作為導(dǎo)電介質(zhì)，以改善導(dǎo)電介質(zhì)的均勻性，并摻入硅粉以提高其的強(qiáng)度。開(kāi)展CF單摻，SiO2/CF復(fù)摻試件的壓阻測(cè)試，分析CF粉、硅粉摻量對(duì)復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度、應(yīng)變-電阻率影響，進(jìn)行了應(yīng)變-電阻率擬合與分析，以期明確具備良好強(qiáng)度和壓阻特性試件的配合比。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

1.1 材料

P·O 42.5水泥，泰州海螺水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)；ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，廈門(mén)艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司；CF粉，長(zhǎng)徑比為10～20，滄州麗陽(yáng)新材料有限公司；二氧化硅，天津致遠(yuǎn)化工有限公司；XP-G消泡劑，用量為0.05%(稀釋10倍后使用)，天津偉合科技發(fā)展有限公司；聚羧酸減水劑用量為0.5%，蘇州弗克技術(shù)股份有限公司；電極銅網(wǎng)，安平縣富潤(rùn)精密濾材有限公司；電阻應(yīng)變片，浙江黃巖測(cè)試儀器廠，材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

1.2 配合比

水泥砂漿的基礎(chǔ)配合比為m(水)∶m(水泥)∶m(砂漿)= 1∶2.5∶6.8，其中m為質(zhì)量。單摻CF粉時(shí)，取CF粉摻量為2%、4%、6%、8%(基于水泥與CF粉總質(zhì)量)，以分析CF粉摻量對(duì)試件強(qiáng)度的影響。復(fù)摻時(shí)，結(jié)合文獻(xiàn)[20]和前期嘗試，在基礎(chǔ)配合比中增加4%硅粉(基于水泥與硅粉總質(zhì)量)，另?yè)郊覥F粉，形成復(fù)摻試件，分析其導(dǎo)電性能。為便于表達(dá)，CF2表示CF粉摻量為2%；Si4/CF2表示硅粉摻量為4%，CF粉摻量為2%。

1.3 試件制作與測(cè)試

以單摻CF粉改性試件為例，介紹試件制備及加載前準(zhǔn)備。按配合比稱(chēng)取材料，CF粉與水泥加入JJ-5水泥膠砂攪拌機(jī)的攪拌鍋，充分?jǐn)嚢? min；加入水、消泡劑、減水劑，再次攪拌，自動(dòng)加入標(biāo)準(zhǔn)砂；拌合物入標(biāo)準(zhǔn)膠砂模具(試件長(zhǎng)40 mm，寬40 mm，高160 mm，插搗邊角，移至ZS-15振實(shí)臺(tái)振動(dòng)1 min；試件抹面，布置電極，室內(nèi)靜置24 h，脫模；放至SHYB-40B養(yǎng)護(hù)箱，養(yǎng)護(hù)條件參照ISO法，至齡期28 d后取出；用1010A干燥箱烘干[10，15]，烘干條件為105 ℃，12 h；測(cè)量電極間距、截面尺寸等；電極焊接導(dǎo)線，貼應(yīng)變片，環(huán)氧膠表面密封處理。通過(guò)VC86E萬(wàn)用表測(cè)電阻，DH3816N應(yīng)變儀測(cè)應(yīng)變，采樣頻率1 Hz，用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件加載(圖1)至破壞，位移控制0.2 mm/min。考因試件電阻數(shù)量級(jí)較大，導(dǎo)線及接觸電阻均忽略[6]，故用兩極法測(cè)電阻。

圖1 加載與測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Load and test system

2 結(jié)果與討論

2.1 試件強(qiáng)度

CF粉改性試件的抗壓強(qiáng)度如圖2所示。未摻CF粉時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度為57.9 MPa。這說(shuō)明所選基礎(chǔ)配合比較合理。隨CF粉摻量增加，抗壓強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)，且降幅較大。這將降低傳其適用性。在提升試件導(dǎo)電性能的同時(shí)，必須關(guān)注其強(qiáng)度。

SiO2/CF試件的抗壓強(qiáng)度如圖2所示。當(dāng)CF粉摻量為0時(shí)，增加4%硅粉相當(dāng)在基礎(chǔ)配合比中增加骨料，試件抗壓強(qiáng)度為39.3 MPa，降幅達(dá)到32.1%。隨CF粉摻量增加，復(fù)摻試件抗壓強(qiáng)度先升后降。當(dāng)CF粉摻量為4%時(shí)，試件強(qiáng)度最高，達(dá)52.4 MPa。其原因可能在于：在硅粉試件中，存在更多的骨料空隙，適量的CF粉可較好地填充骨料之間的空隙。但當(dāng)CF粉過(guò)高后，其顆粒表面會(huì)吸附較多的水分，對(duì)水化過(guò)程造成較大影響，導(dǎo)致了試件的強(qiáng)度降低。

圖2 試件抗壓強(qiáng)度Fig.2 Compressive strength of specimens

2.2 應(yīng)變-電阻率分析

傳感元件電阻率ρ可表示為

(1)

式(1)中：R為元件電阻；L為電極距離；S為試件橫截面面積，可表示為

S=ab

(2)

式(2)中：a、b分別為試件橫截面長(zhǎng)度和寬度。

應(yīng)變靈敏度k是傳感元件的重要指標(biāo)?？蓪鞲性膽?yīng)變-電阻率的靈敏度定義為單位應(yīng)變相應(yīng)的電阻率，可表示為

(3)

式(3)中：ε為軸向應(yīng)變。

2.2.1 CF粉改性試件應(yīng)變-電阻率

CF粉改性試件應(yīng)變-電阻率曲線如圖3所示，隨壓應(yīng)變的增加，試件電阻率呈下降趨勢(shì)。從加載開(kāi)始，CF粉改性試件的應(yīng)變-電阻率曲線可分為三階段，依次為接觸、承載和破壞階段。

CF2表示CF粉摻量為2%；CF4表示CF粉摻量為4%； CF6表示CF粉摻量為6%圖3 CF粉試件的應(yīng)變-電阻率分析Fig.3 Strain-resistivity of specimens mixed with CF powder

接觸階段是接觸區(qū)并非理想平面，試件內(nèi)存在微孔隙，初始偏心距等因素導(dǎo)致。該階段的區(qū)間很小，均不超過(guò)50 με。若傳感元件內(nèi)置于構(gòu)件，與混凝土一同澆筑，則可有望消除該階段。

承載階段是傳感元件全截面受壓后的穩(wěn)定工作階段。隨CF粉摻量增加，承載階段的范圍逐步變小。在承載階段取任一應(yīng)變值分析發(fā)現(xiàn)，隨CF粉摻量的增加，試件電阻率先降后增，符合逾滲理論特征[21-23]。這意味著摻量4%接近其逾滲閾值。

在破壞階段，曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)。其主要原因是試件內(nèi)部裂紋不再保持穩(wěn)定，損傷累積，裂紋逐步發(fā)育，試件表明出現(xiàn)局部開(kāi)裂、表層脫落等現(xiàn)象。

2.2.2 復(fù)摻試件應(yīng)變-電阻率

復(fù)摻試件應(yīng)變-電阻率曲線如圖4所示，試件電阻變化率均隨應(yīng)變的增加呈下降趨勢(shì)。從加載開(kāi)始，復(fù)摻試件應(yīng)變-電阻率曲線也分為三階段，與CF改性試件一致。但其接觸階段的區(qū)間明顯增大；承載階段的區(qū)間明顯降低；破壞階段出現(xiàn)得更早。

與CF改性試件相比，復(fù)摻試件中硅粉的加入，使試件出現(xiàn)了更多的初始微裂紋。接觸階段的電阻率上升，就是內(nèi)部微裂紋受壓閉合所致。在壓力作用下，待內(nèi)部微裂紋完成閉合，后續(xù)加載作用下，試件整體產(chǎn)生變形，就形成了對(duì)應(yīng)的承載階段。破壞階段的出現(xiàn)，意味著新裂紋的不斷出現(xiàn)，或者局部損傷、脫落?？梢?jiàn)，應(yīng)變-電阻率反映了試件內(nèi)原有初始裂紋的閉合、整體變形、損傷累積、新裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展破壞等過(guò)程。

在復(fù)摻試件的承載階段，取任一應(yīng)變值分析，隨CF粉增加，試件電阻率先降后增，也符合逾滲理論特征。這意味著4%接近于CF粉摻量逾滲閾值。

2.2.3 應(yīng)變-電阻率擬合分析

各組試件的承載階段曲線的擬合式及參數(shù)、應(yīng)變靈敏度等如表2所示。CF摻量接近逾滲閾值時(shí)，試件的應(yīng)變靈敏度迅速降低。相應(yīng)擬合線如圖3、圖4所示。在單摻、復(fù)摻試件中，隨CF粉摻量的增加，且承載階段的區(qū)間范圍逐步變小，擬合式由線性關(guān)系，逐步發(fā)展為指數(shù)關(guān)系。CF粉改性試件承載階段擬合式的相關(guān)性均達(dá)98.39%。復(fù)摻試件承載階段擬合式的相關(guān)性均達(dá)98.33%。

圖4 復(fù)摻試件應(yīng)變-電阻率分析Fig.4 Strain-resistivity of specimens mixed with silica and CF powder

表2 試件承載階段應(yīng)變-電阻率曲線的擬合Table 2 Fitting of the strain-resistivity curve of the specimen during the load-bearing stage

3 結(jié)論

對(duì)CF粉、SiO2粉改性水泥砂漿試件開(kāi)展了壓阻測(cè)試及分析，得出以下結(jié)論。

(1)單摻試件的強(qiáng)度隨CF摻量的增加而降低；復(fù)摻試件的強(qiáng)度隨CF摻量的增加而先上升后降低，在CF摻量為4%時(shí)，復(fù)摻試件的抗壓強(qiáng)度為52.4 MPa，適用性更廣。

(2)試件電阻率隨壓應(yīng)變的增加而下降；應(yīng)力-電阻率曲線可分為接觸、承載和破壞三個(gè)階段，各階段的區(qū)間隨CF摻量發(fā)生變化；隨CF摻量的增加，試件的電阻率均出現(xiàn)先降后升的現(xiàn)象，4%最接近CF粉摻量的逾滲閾值。

(3)CF摻量2%、4%時(shí)，單摻與復(fù)摻試件承載階段的應(yīng)力-電阻率呈線性關(guān)系。CF摻量為2%時(shí)，單摻、復(fù)摻試件線性相關(guān)系數(shù)分別為99.92%和99.45%；CF摻量為4%時(shí)，單摻、復(fù)摻試件線性相關(guān)系數(shù)分別為98.39%和98.33%。試件摻CF2%時(shí)，其靈敏度最高，線性區(qū)間最大。

(4)CF摻量為6%時(shí)，承載階段分析表明：?jiǎn)螕健?fù)摻試件應(yīng)力-電阻率符合指數(shù)關(guān)系，但其承載階段的范圍明顯降低。這是CF粉團(tuán)聚所致。