田曉鶴

(河北省高速公路京衡管理處,河北 衡水 053020)

混雜纖維增強混凝土壓敏性試驗研究

田曉鶴

(河北省高速公路京衡管理處,河北 衡水 053020)

采用四電極法對碳-鋼混雜纖維混凝土的壓敏特性進行了試驗研究，探討了不同碳纖維、鋼纖維摻量條件下混雜纖維混凝土電學性能隨荷載的變化規(guī)律。研究表明：將鋼纖維摻加到碳纖維混凝土中，可以提高其力學性能，改善其壓敏性。在碳纖維體積摻量為0.6%、鋼纖維體積摻量為0.2%時，混凝土的壓敏性最好，且經歷20次加載卸載循環(huán)過后試件壓敏性穩(wěn)定。

導電混凝土；電阻率變化率；循環(huán)荷載；壓敏性

0 前言

隨著科學技術和信息技術的發(fā)展，越來越多的人開始關注路面結構的智能化，混凝土作為公路工程中使用最為廣泛的材料，其功能化迫在眉睫。導電混凝土是在普通混凝土中摻入適量的導電相材料而形成的一種具有自適應、自感應、自修復功能且導電良好的多相復合智能材料[1]。目前在導電混凝土的諸多導電相材料中，碳纖維具有強度高、彈性高且導電性能良好等優(yōu)勢，將適量短切碳纖維摻到水泥混凝土中，可以顯著提高混凝土的抗壓強度、抗拉強度，且由于纖維的插拔效應[2]、電通道效應[3]和隧道效應[4]等，這種碳纖維混凝土具有良好的壓敏性能。

近年來，許多學者對纖維混凝土的性能做出了大量的研究，韓知伯等人[5]在21世紀初研究了單摻碳纖維、復摻納米炭黑、碳纖維和三摻納米炭黑、碳纖維和鋼纖維對混凝土工作性、抗壓強度和抗彎強度的影響，通過對導電混凝土梁受彎過程中機敏性能研究，論證導電混凝土用于裂縫監(jiān)測工程中的自感應能力。2015年，Gopalakrishnan K[6]通過優(yōu)化碳纖維與石墨粉的配比設計出了一種導電砂漿，其熱敏性良好可以用于機場道路的除冰。Androvitsaneas V P[7]在2016年研究了纖維導電混凝土作為接地系統(tǒng)用在雷電保護系統(tǒng)(LPS)領域，并通過脈沖電流測試垂直的接地棒，為其用于接地系統(tǒng)中對雷擊設施的保護提供設計依據(jù)。曹勤等人[8]一直從事纖維導電混凝土的性能研究，基于纖維混凝土的壓敏性能將其應用于智能交通測速系統(tǒng)，取得了一定的成果。

綜上所述，目前開展的碳纖維應用研究主要集中在電力設備接地工程、結構的安全監(jiān)測、智能交通系統(tǒng)和電熱除冰化雪等方面。

為滿足路面結構的工作要求，提出將鋼纖維摻加到碳纖維混凝土中，提高復合材料的抗折強度，分析不同導電相摻量下混凝土的壓敏性能，找出合理摻量，為將這種智能材料用于路面結構智能化交通測速、車輛稱重或結構健康監(jiān)測奠定基礎，使混凝土集功能和結構于一身。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

長度為6 mm的短切聚丙烯腈基碳纖維，南京緯達復合材料有限公司產，性能參數(shù)見表1。

P·O 42.5級水泥，粒徑為5～10 mm的河卵石，細骨料為河砂，硅灰中SiO2含量不小于85%，密度2 300 kg/m3。鍍銅微絲型鋼纖維，長度6～14 mm，直徑0.16～0.35 mm，抗拉強度1 200～3 000 MPa，散絲狀，密度為7 600 kg/m3。

表1 碳纖維性能參數(shù)

1.2 試件制作與試驗方法

研究表明，碳纖維的體積摻量小于1%時，混凝土的電阻率變化最明顯[10]。因此，本試驗設計2組碳纖維摻量分別為0.4%和0.6%的混凝土試件。

制作試件時，碳纖維的分散性直接關系到纖維導電混凝土的力學和電學性能。試驗表明，聚羧酸減水劑具有良好的分散碳纖維的效果[11]，將碳纖維加入一定濃度的減水劑溶液中攪拌溶解并烘干；然后將鋼纖維和碳纖維按照一定體積比混合，加入砂子攪拌均勻；再依次加入膠凝材料和水并拌和均勻，制成100 mm×100 mm×100 mm的試件，24 h后脫模標準方法養(yǎng)護28 d。

電阻的測量采用直流電路，電極采用預埋置入鐵絲網(wǎng)，理論分析來看，四電極法的測量結果更加接近試件的真實電阻，測試裝置如圖1所示。

圖1 四電極法測量電阻

由R=U/I和ρ=RS/L計算材料的電阻率，其中R為試件電阻,Ω；U為外加電壓；I為通過試件的電流,A；ρ為材料的電阻率,Ω·m；S為材料的面積,m2；L為材料的長度,m。使用NYL-500 型液壓萬能試驗機對試件進行加載，測試試件荷載作用下電阻變化規(guī)律。

2 試驗結果及分析

2.1 纖維混凝土壓敏性

通過對纖維混凝土壓敏性能試驗得到荷載-電阻率變化率之間的關系，如圖2所示。

圖2 不同鋼纖維摻量下試件的壓敏性

圖2中CS0.6-0、CS0.6-0.1、CS0.6-0.2、CS0.6-0.3、CS0.6-0.4表示碳纖維摻量為0.6%(體積比)，鋼纖維摻量(體積比)分別為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的混雜纖維導電混凝土試件。由圖2中可以看出，各個試件從加載至破壞，電阻率變化率大致經歷3個階段：200 kN之前電阻率變化率增大階段，電阻率變化率和荷載之間接近線性關系；200～500 kN之間，電阻率變化率趨于平緩階段；500 kN至破壞前，試件電阻率變化率開始急劇減小階段。

混凝土中加入導電相材料后，鋼纖維和碳纖維分散在基體中形成了一個導電網(wǎng)絡結構。在受壓初期，混凝土中的纖維插入基體，纖維之間的搭接數(shù)目發(fā)生變化，局部導電網(wǎng)絡開始變密集，部分沒有搭接的纖維之間也開始接觸；而且在壓力作用下，混凝土本身的孔隙減小，基體中的水化膠體顆粒也變小，電子之間躍遷勢壘減小，基體的導電性增強較快，電阻率變化率開始增大。隨壓應力的增大，混凝土內部裂縫或缺陷的發(fā)展或閉合由于鋼纖維的阻礙作用變得緩慢，試件內的導電網(wǎng)絡也趨于完善，混凝土的導電性能變化穩(wěn)定，表現(xiàn)為電阻率變化率緩慢增加或趨于穩(wěn)定。在電阻率變化率平緩階段，可以通過電阻率的增加估測出結構內部的裂縫情況；亦可根據(jù)電阻率的變化情況感知行駛車輛載重變化。當荷載逐漸增加到達破壞階段，試件內不斷有新的裂縫產生，受拉區(qū)的纖維也開始逐漸從混凝土基體中撥出，新裂縫的產生速度遠遠大于舊裂縫的閉合速度，受壓區(qū)的混凝土被壓碎，試件整體性變差，基體混凝土中的導電網(wǎng)絡發(fā)生破壞。

此外，由圖2中可以看出，碳纖維含量一定時，鋼纖維摻量增高，試件的抗壓強度增大，在鋼纖維摻量為0.2%時，試件的抗壓強度最大，說明在一定范圍內，增大鋼纖維摻量可以提高混凝土的抗壓強度。試件CS0.6-0和CS0.6-0.4的電阻率變化率較低，且曲線沒有平滑段，這說明其電阻隨應力的變化不穩(wěn)定；另外，幾種曲線電阻率變化率最低點時，鋼纖維體積摻量為0.2%，碳纖維體積摻量為0.6%為混雜混凝土中導電相的最佳摻量。

圖3為試件CS0.4-0、CS0.6-0.2和CS0.4-0.2的荷載-電阻率變化率曲線圖，對比CS0.6-0.2和CS0.4-0.2可以看出，其電阻率變化率曲線平滑，同一鋼纖維摻量下，碳纖維摻量為0.6%比0.4%的壓敏性要好。圖3顯示，CS0.4-0.2的電阻率變化率曲線在CS0.4-0的下方，說明碳纖維摻量不變時，加入鋼纖維可以很好地改善混凝土的壓敏性。

圖3 試件CS0.4-0、CS0.6-0.2、CS0.4-0.2的壓敏性

2.2 循環(huán)荷載作用下纖維混凝土的壓敏性

圖4為循環(huán)荷載下試件CS0.6-0、CS0.6-0.1、CS0.6-0.2、CS0.6-0.3的電阻率變化曲線。在試件彈性范圍內，選擇最大加載荷載為200 kN，加載速度2 kN/s，循環(huán)加載20次。

圖4 循環(huán)荷載下試件CS0.6-0、CS0.6-0.1、CS0.6-0.2、CS0.6-0.3的壓敏性

圖4顯示，在加載階段，隨壓應力的增大，試件的電阻率變化率增大；卸載階段，隨壓應力減小，試件的電阻率變化率逐漸減小；卸載后試件的電阻率變化率基本可以恢復到原始水平，即混凝土的電阻率變化率與荷載之間有良好的對應性。分析認為，在加載階段，混凝土中的纖維插入基體，纖維之間的搭接數(shù)目以及纖維和導電石墨之間的接觸數(shù)目發(fā)生變化，局部導電網(wǎng)絡開始變密集；而且在壓力作用下，混凝土本身的孔隙減小，電子之間躍遷勢壘減小，基體的導電性逐漸變強，電阻率變化率開始增大。隨后卸載時，纖維發(fā)生拔出現(xiàn)象，纖維之間搭接數(shù)目減小，已經形成的局部導電網(wǎng)絡開始變得疏松，此時混凝土中電子之間勢壘增大躍遷阻力增大，基體的電阻逐漸增大，電阻率變化率也開始減小。由于荷載較小，混凝土內部并沒有新的裂縫形成或擴張，故卸載后，電阻基本能恢復原來的水平，電阻率變化率也基本不變。

對試件CS0.6-0.1，增大試件的壓應力，卸載后部分試件的電阻率不能恢復到原位，每經歷一次循環(huán)卸載后，電阻增大，電阻率變化率出現(xiàn)了正值，分析認為：試件在受壓過程中，基體內部的某些空隙和缺陷被壓實，出現(xiàn)了類似于徐變的永久變形，使試件的電阻增大。且經過多次循環(huán)后，試件的電阻率變化率是逐漸減小的，發(fā)生不可逆變化，即壓敏性穩(wěn)定性較差。可見，加入鋼纖維后，循環(huán)荷載作用下，混凝土的壓敏性變好，在碳纖維體積摻量為0.6%，鋼纖維體積摻量為0.2%時，經歷20次循環(huán)過后試件壓敏性穩(wěn)定。

3 結論

1)在試驗所選摻量范圍內，碳纖維體積摻量為0.6%，鋼纖維體積摻量為0.2%時，混凝土的壓敏性最好。

2)碳纖維摻量降低，加入鋼纖維可以很好地改善混凝土的壓敏性，但在鋼纖維體積摻量超過0.4%后，改善作用不明顯。

3)對碳纖維體積摻量為0.6%的纖維混凝土，當鋼纖維體積摻量為0.2%時，經歷20次加載卸載循環(huán)過后試件壓敏性穩(wěn)定。

[1] Steicher P.E,Alexander M.G.A chloride conduction test for concrete.[J].Cement and Concrete Research,1995,25(6).

[2] Dragos-Marian Bontea,D.D.LChung.Damage in carbon fiber-reinforced concrete,monitored by electrical resistance measurement[J].Cementand Concerte Research,2000,30(4):651-659.

[3] 王大鵬.用于車輛稱重的碳纖維混凝土的壓敏性及其穩(wěn)定性的研究[D].天津:河北工業(yè)大學,2005.

[4] 王秀峰,王永蘭.碳纖維增強水泥復合材料的制備及性能[J].西安交通大學學報,1997, 31(3):108-113.

[5] 韓知伯,丁一寧.混雜纖維高性能導電混凝土裂縫監(jiān)測的試驗研究[J].工業(yè)建筑,2012, 42(11): 102-105.

[6] Gopalakrishnan K, Ceylan H, Kim S, et al.Electrically Conductive Mortar Characterization for Self-Heating Airfield Concrete Pavement Mix Design[J].International Journal of Pavement Research and Technology,2015,8(5):315.

[7] Androvitsaneas V P, Gonos I F, Stathopulos I A.Experimental study on transient impedance of grounding rods encased in ground enhancing compounds[J].Electric Power Systems Research, 2016,28(12):70-76.

[8] 曹勤,謝慧才,韋炳宇.碳纖維增強水泥的電阻測試[J].汕頭大學學報(自然科學版),2002,17(1):7-10.

1008-844X(2017)02-0116-04

U 414

A