钢渣砂浆压敏性影响因素分析

贾兴文,钱觉时,唐祖全

(重庆大学 材料科学与工程学院,重庆 400045)

水泥基智能材料具有感知应力、应变、损伤、温度以及电场的功能,可以实现智能混凝土结构的自诊断,在重大工程的长期安全检测与监控等领域具有广阔应用前景[1-4]。制备水泥基智能材料的导电材料主要是半导电类的碳纤维、石墨、炭黑以及金属类的超细钢纤维、镍粉甚至银粉等,但上述导电材料价格较高,且制备水泥基智能材料时工艺复杂或与水泥基体相容性差,严重制约了水泥基智能材料的应用[5-7]。钢渣中FeO的含量为26.39%,FeO在常温下的电阻率为5×10-2Ω◦cm,与沥青基碳纤维的电阻率基本相同,因此钢渣有可能作为导电材料用于制备导电砂浆。通过对比试验发现,钢渣掺量超过50%时,钢渣砂浆的导电性与掺加粗细集料的碳纤维混凝土或石墨混凝土的导电性基本相同,压敏性和力学性能优于上述2种导电混凝土,且制备成本很低,在结构智能监测、电磁屏蔽等领域具有一定的应用前景[8]。但是导电相掺量和分散性以及含水率、环境温度龄期和养护方法等诸多因素都会影响水泥基智能材料的机敏性,从而影响结构智能监测的准确性。

导电相形态、分散性、制备工艺等因素是影响水泥基智能材料机敏性内部因素,可控性相对较好,欧进萍认为水泥基智能传感器的长期稳定性以及温度、含水率等外部不可控因素对其机敏性的影响是水泥基智能材料应用的主要障碍[4]。韩宝国、欧进萍等研究了含水率对碳纤维水泥基材料(CFRC)湿敏性的影响,温度为20℃时,含水率从气干状态变化到吸水饱和状态,CFRC的电阻变化率从25%增加到100%,表明CFRC的电阻变化率随含水率增大而显著增加[9-10]。李卓球等研究了龄期对CFRC压敏性的影响,随着龄期增加,CFRC的压敏性变差[11]。姚武、刘小艳等研究了温度对CFRC电阻变化率的影响,认为在10～40℃范围内,温度变化对电阻变化率影响较小,温敏性较好,超出此温度范围后,温敏性降低[12-13]。用碳纤维和石墨制备的水泥基智能材料中导电载流子(电子)的浓度比钢渣砂浆中导电载流子(电子和空穴)的浓度高,而导电载流子浓度越低,则温度和含水率等因素对水泥基智能材料的导电性和压敏性的影响越大,因此研究养护方式、龄期、含水率和温度等因素对钢渣砂浆压敏性的影响规律,是其实现工程应用的前提。

1 压敏性原理和测试方法

1.1 压敏性原理

压敏性是指CFRC等水泥基智能材料在压力作用下发生变形时自身电阻变化的效应,也包括阻抗、电容等电学参数的变化[11]。相同应力下,电阻变化率越大,压敏性越好。金属导体依靠电子定向输运导电,导电性极好,由于金属中电子浓度很高,压力作用下,虽然金属也会产生压缩变形,但是受压时金属中电子浓度变化很小,因此金属几乎没有压敏性。普通混凝土电阻率为106～109Ω◦cm,属于电的不良导体,普通混凝土受压时产生压缩变形,由于其导电载流子的浓度极低,也几乎没有压敏性,可以说压敏性是水泥基智能材料的特性。水泥基智能材料受压缩时,其电阻率会减小,且这种效应是可逆的,即卸载时电阻率恢复到初始值;受拉伸时,其电阻率可逆地增加,其效应与电阻应变片相似。因此通过对电阻变化即压敏性的测试,可以监测水泥基智能材料及其结构的健康状况。

1.2 试验方法

钢渣(SS)为风淬转炉渣,物理和化学性质见表1和表2,试验证明钢渣体积安定性良好[8]。水泥(C)为地维42.5R普通硅酸盐水泥,强制式砂浆搅拌机搅拌,振动成型,试件尺寸为40 mm×40 mm×160mm,水中养护。两块 30 mm×30 mm×0.3 mm不锈钢电极垂直于试件纵轴布置,间距 120 mm,导线为多股铜芯屏蔽线。电阻测试试件每组6～9条,用DT9978数字万用表测量试件电阻,用ρ=RA/L计算试件电阻率,其中,ρ为电阻率,Ω◦cm;A为电极横截面积;L为2电极的距离;R为电阻,测量结果取平均值。压敏性试验使用M TS 815岩石性伺服力学试验系统。

表1 钢渣的物理性能

表2 钢渣的主要化学成分/%

2 试验结果与讨论

2.1 单轴受压时钢渣砂浆的压敏性

钢渣砂浆(后续试验除注明外均为SS∶C=1∶1)单轴受压时从加载至破坏阶段的电阻变化见图1,钢渣掺量对压敏性的影响见图2,压力增速1 kN/s。根据图1和图2,钢渣砂浆具有与碳纤维混凝土同样良好的压敏性,并且随钢渣掺量增加,压敏性明显增强。铁是易变价的过渡元素,它的价电子组态是3d64s2,因此,铁氧化物成为组分变化范围很大的非化学计量化合物,具有半导体的导电特性,钢渣中FeO含量高达26.39%,FeO在常温下的电阻率为5×10-2Ω◦cm,与沥青基碳纤维的电阻率基本相同。从隧道模型可知,电子和空穴通过分散在基体中的导电材料形成网络,并通过隧道效应连通网络间的绝缘间隔进行传导[11]。具有导电功能的含FeO钢渣颗粒均匀分散在绝缘的水泥基体中,电子和空穴通过隧道效应穿透被水泥基体隔开的非常邻近的钢渣颗粒的势垒,产生跃迁并形成隧道电流。当试件受到轴向压力时,势垒降低,隧道电流增强,导致电阻降低。钢渣掺量较低时,分散在水泥基体中的钢渣颗粒间距较大,受压后势垒虽有减小,但电子云间隔仍然较大,穿越水泥基体势垒的电子数量不多,隧穿几率较小,因此压敏性并不明显。随着钢渣掺量增加,钢渣颗粒的接触越来越紧密,隧穿几率明显增大,同时,钢渣颗粒之间的接触电阻逐渐降低,在压力作用下,钢渣砂浆电阻变化率增大,即压敏性增强。

图1 从加载至破坏时电阻的变化率

图2 钢渣掺量对压敏性的影响

2.2 养护制度对压敏性的影响

养护对砂浆的水化产物生成和力学性能具有重要影响,从而影响钢渣砂浆的压敏性。试验对比了拆模后分别水养1 d和7 d然后在空气中养护至28 d龄期以及拆模后水养至28 d时钢渣砂浆的压敏性差异,结果见图3。

根据图3,水养时间越长,试件的压敏性越好。由于水养时间相差较大,当水养28 d的试件从水中取出后,试件含水率为饱和状态,放置数小时后,试件含水率虽然明显降低,但仍然高于水养7 d的试件。如果将水养7 d的试件在28 d龄期时再次泡水3 d,待其吸水饱和后取出,测试其与水养31 d的试件在面干状态下的压敏性,发现2种养护条件下试件的压敏性无差异。因此,养护制度对压敏性的影响主要是试件含水率变化造成的,表明试件含水率对压敏性的影响比养护制度对压敏性的影响大得多,因此实际应用时可以忽略养护制度对压敏性的影响。

图3 养护制度对压敏性的影响

2.3 龄期对压敏性的影响

随着龄期延长,钢渣砂浆的压敏性逐渐降低(见图4)。根据图4,当压应力为25 MPa时,7 d龄期时试件的电阻变化率为26.2%,而28 d龄期时试件的电阻变化率只有12.9%。早龄期时,由于水泥水化不充分,水化产物还不能完全包裹钢渣颗粒,砂浆抗压强度较小,其弹性模量和轴向抗压强度也较低,但是试件在相同压力下的压缩变形却更大,因此早龄期时钢渣砂浆具有较好的压敏性。随着水泥水化不断进行,水化产物数量增多,包裹钢渣颗粒,裸露的导电相数量减少,电阻率逐渐增大,在低应力状态下,钢渣砂浆的电阻变化率相对于早龄期时明显降低。随着龄期延长,钢渣砂浆的抗压强度和弹性模量明显提高,相应的极限压应变和弹性段的应变也随着龄期延长而明显提高,因此,其电阻变化率的最大值也明显提高。此外,随着钢渣砂浆导电性的增强,超过28 d后,龄期对压敏性的影响逐渐减小,较长龄期时钢渣砂浆的压敏性与28 d龄期时基本相同。

图4 龄期对压敏性的影响

2.4 含水率对压敏性的影响

钢渣砂浆含水率从吸水饱和状态至面干状态,随着含水率降低,电阻率逐渐增大;含水率从面干状态至气干状态,电阻率继续增大,但增加幅度很小;含水率从气干状态至绝干状态(80℃下烘至恒重),含水率降低幅度较小但电阻率大幅增加。为了研究含水率对钢渣砂浆压敏性的影响,试验过程中通过称量试件重量将试件的含水率分别控制在饱和状态、面干状态、气干状态和绝干状态,然后测试不同含水率状态下钢渣砂浆的压敏性,试验结果见图5。

图5 含水率对压敏性的影响

根据图5,随着试件含水率的降低,钢渣砂浆的压敏性逐渐降低;从饱和状态到面干状态,含水率降低较多,压敏性明显降低;从面干状态到气干状态,压敏性降低幅度很小,可以认为基本稳定;从气干状态到绝干状态,钢渣砂浆的压敏性明显降低。水泥水化硬化后,毛细孔和凝胶孔中充有的水(即凝胶水和毛细管水)为可蒸发水,水泥石内离子水溶液的渗流会增强机敏砂浆导电性[14]。试件含水率较高时,水泥石内毛细孔和凝胶孔在外力挤压下,毛细孔水和凝胶孔水连通,大量的阴离子可沿界面偶电层的滑移面在相互连通的孔隙中流动,水泥石内离子水溶液的渗流会对压敏性产生增强作用[15]。试件干燥后,水泥石内离子水溶液的渗流减少,因此钢渣砂浆在绝干状态时压敏性较差。实际应用时,砂浆常处于气干状态至面干状态,可以通过判断钢渣砂浆的含水率状态,来选择应力-电阻变化率曲线来判定不同电阻时对应的应力。

2.5 环境温度对压敏性的影响

从分子运动论观点看,温度是物体分子平均平动动能的标志,是大量分子热运动的集体表现,分子运动愈快,物体愈热,即温度愈高;分子运动愈慢,物体愈冷,即温度愈低。温度影响钢渣导电砂浆内导电粒子的运动速度,从而影响其电阻和压敏性。将试件分别放置在低温箱和干燥箱,测试-15℃、5℃、25℃和50℃时钢渣砂浆的压敏性,恒温时间3 h。由于升温会改变试件含水率,因此在较高温度时,通过提高干燥箱内的相对湿度,使试件的含水率保持近似不变,试验结果见图6。

图6 环境温度对压敏性的影响

根据图6,温度低于0℃时,电阻随压力增大而增大。负温时,由于试件中毛细孔水和吸附水结冰膨胀,使钢渣颗粒的距离增加,势垒增大,电子跃迁几率降低,压敏性降低。温度降低引起材料内部含水状态的改变,水泥基体的收缩会改变电子跃迁的高度和能隙宽度,电子跃迁的几率也会降低,这3方面的综合作用导致负温时钢渣砂浆压敏性降低。温度高于0℃后,随着温度升高,电子受热激发获得能量,电子克服水泥基体的势垒产生跃迁的几率增加,试件电阻下降,压敏性增强[14,16],在5℃和25℃时,钢渣砂浆的压敏性无明显差异,说明钢渣砂浆的压敏性在5～25℃常温下保持相对稳定。温度达到50℃后,钢渣砂浆压敏性反而变差。温度升高会引起水泥基体和钢渣颗粒的膨胀,由于水泥基体的热膨胀系数远大于钢渣颗粒的热膨胀系数,随着温度升高,钢渣颗粒的距离增大,间隔势垒增加,破坏了已有的导电网络,使试件电阻增大,因此当温度高于50℃时,试件压敏性降低。

3 结 论

1)钢渣砂浆具有良好的压敏性,随着钢渣掺量增加,钢渣砂浆压敏性显著增强,提高钢渣掺量可以降低环境因素对压敏性的影响。

2)随着水养时间的延长,钢渣砂浆的压敏性有所增强,但水养主要是改变了试件的含水率,从而影响压敏性,养护对压敏性的影响较小,可以忽略。

3)龄期对压敏性影响较明显,随着龄期的延长,钢渣砂浆压敏性逐渐降低,28 d龄期时的电阻变化率比7 d龄期时的降低了13.3%。

4)饱和含水率时,钢渣砂浆压敏性较好,随着含水率降低,钢渣砂浆压敏性逐渐降低。当含水率从面干状态至气干状态时,钢渣砂浆的压敏性保持稳定。

5)0℃以下,随着温度降低,钢渣砂浆压敏性变差,压力增大时电阻也逐渐增大;温度为5～25℃时,钢渣砂浆压敏性良好,温度变化时,压敏性保持稳定;温度达到50℃时,钢渣砂浆的压敏性仅为5～25℃时的39.7%,压敏性明显降低。

6)影响钢渣砂浆压敏性的因素较多,如何排除影响因素的干扰极其重要。实际应用时可以忽略养护制度和龄期对压敏性的影响,然后根据环境温度和含水率选择应力-电阻变化率曲线来判定电阻变化时构件的应力状态。

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