冲击作用下碳纤维混凝土的力敏性试验研究

李尚青， 苏健军， 孔　霖

(西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)



研究与探讨

冲击作用下碳纤维混凝土的力敏性试验研究

李尚青， 苏健军， 孔霖

(西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

摘要:碳纤维混凝土(CFC)具有良好的力敏特性，能制成传感器用于混凝土结构的状态监测。利用钢球自由落体撞击圆柱形试样，进行了老化前后和不同撞击高度的试验，并分析了各因素对试样力敏性的影响。试验结果表明:试样的电阻变化对冲击作用响应快；老化前的试样在承载较小时，试样处于弹性区，电阻随压力增大而减小，承载较大时，试样进入弹塑性区，电阻随压力增大而增大；老化后的试样，承载即进入弹塑性区。

关键词：碳纤维混凝土； 冲击作用； 力敏性

0引言

混凝土经过两百多年的发展，已成为现在应用最为广泛的建筑材料。在长期的使用过程中，混凝土会由于疲劳效应、材料老化等原因发生损伤，最终可能失效导致突发事故，还可能承受冲击荷载，特别是国防工程中的混凝土结构面对弹药的侵彻、爆炸等的作用，更容易发生断裂等损伤，从而危及建筑和人员的安全，所以，对混凝土建筑结构的状况进行及时监测十分重要。

美国的Chung D D L教授发现，在混凝土中添加一定量的碳纤维能使得混凝土具有良好的压力电阻效应[1]。在国内，武汉理工大学的李卓球课题组最早开展了碳纤维混凝土(carbon fiber concrete,CFC)的力敏性研究[2,3]，哈尔滨工业大学的欧进萍等人定型了一种CFC传感器，能实现对0～10 MPa输入范围的压力测量，汕头大学的谢慧才等人研究了CFC梁构件弹性应力自监测的规律[4]，沈阳建筑大学的吴献等人研究CFC三向受压状态下力学与电学性能，认为能应用于道路测重系统[5]。基于CFC的力敏性研发的CFC传感器，不仅能很好地实现和被测混凝土结构的兼容，还有着价格低廉、操作性好、使用寿命周期长等传统传感器不具备的优势，适合内嵌于大体积混凝土中进行状态监测。

目前有关CFC力敏性的研究主要是在准静态加载情况下进行，陆见广进行了碳纤维智能混凝土梁在石球撞击产生冲击荷载作用下的力电效应研究[6]，其他有关冲击作用下的研究很少。本文进行了圆柱形CFC试样在冲击载荷作用下的力敏性试验研究，为将其作为传感器应用于混凝土结构状态监测提供依据。

1试验

1.1试样的制作

CFC试样制作采用的原材料包括：复合硅酸盐水泥P·C32.5R，本地细砂，自来水，硅灰，短切PAN基碳纤维，甲基纤维素(分散剂)，磷酸三丁酯(消泡剂)，聚羧酸减水剂。碳纤维的性能参数如表1。

表1　PAN基碳纤维性能

CFRC试样的用料配合比如表2。

表2　CFC试样的用料配合比

CFC试样的制作工艺主要有湿拌法、半干拌法、干拌法等三种，研究表明湿拌法制作的试样电阻率最小[7]。本文采用湿拌法，先配制分散剂溶液，再和水泥进行搅拌，制作直径为38 mm，长度为60 mm的圆柱形试样。

1.2试验方案

试验中，利用钢球从一定高度自由落体撞击试样，试样实物图和试验方案示意图如图1。钢球撞击试样，加载类似半正弦冲击作用，造成试样的结构变化。试验通过试样电阻的变化信号，分析试样的结构动态响应，并和准静态加载情况对比，探讨冲击加载情况下CFC的力敏性。

在试样侧面两端用铜粉导电胶和铜芯制作两个电极，使用两电极法，将试样和一个可调电阻器串联，组成半桥电路接入动态应变仪来测量其电阻变化情况。半桥电路中的电阻变化正比于输出电压的变化，即输出电压的增大或减小直接反映了试样电阻的增大或减小趋势。

图1　试样实物与撞击方案示意图Fig 1　Diagram of specimen and impact scheme

进行了老化前后和5，10，15，20 cm四种撞击高度的试验。试验的钢球直径60 mm，重1 kg，采用DC—97A超动态应变仪和Genesis数据采集分析系统，确保参数设置在每一组试验内的一致，方便该组内的数据进行比较分析。

2试验结果

2.1老化前试验结果

在试样被压力机反复压缩加载卸载进行老化前的原始状态下，进行钢球撞击试验。图2是试样的典型试验结果。试样承受了钢球的两次撞击，在两个跃升区域的放大图中，均出现了先下降，再跃升的现象，说明在承受冲击荷载时，试样的电阻先减小再快速增大。电阻变化的峰值上升前沿时间短，频响快。

图2　老化前试样的电阻响应信号Fig 2　Resistance response signal of specimen before aging

2.2老化后试验结果

试验前利用压力机对试样反复加载卸载进行老化，减少试样的原始缺陷。将钢球从5，10，15，20 cm的四种撞击高度落下撞击试样，图3为四种高度下相应的电压响应信号。观察并对比试验结果，发现钢球撞击到试样后，电桥输出电压先跃升到峰值再快速回落到一个中间值，最后缓慢衰减到起始状态。随着高度的增加，撞击荷载增大，电阻的变化峰值也相应增大。撞击高度为5，10，15，20 cm的试验，对应电压跃升的峰值分别为0.70，0.88，1.89，6.00 V。随着撞击高度的增大峰值回落的幅度逐渐变小，到20 cm时已经不明显。这表明撞击高度越高，电阻衰减得越慢，恢复到起始状态越慢，同时，将第二次撞击的曲线跃升后回落的情况与第一次的对比，发现第二次撞击基本能很快回落恢复到撞击前初始状态。四种高度对应的响应信号中，在承受撞击荷载时，均未出现先减小再跃升的现象，均为触发后直接跃升增大。

图3　撞击高度分别为5,10,15,20 cm时的电阻响应信号Fig 3　Resistance response signals of specimen withimpact length of 5,10,15,20cm

3试验结果分析

3.1老化对力敏性的影响

在冲击荷载作用下，老化前试样的电阻在触发后会出现先减小下降再增大的过程。老化后的试样在钢球落下的第一次撞击作用下的反应均是直接增大跃升，未出现电阻先减小的现象。

混凝土试样自身材料结构属于非均质多孔多相性，在制备的过程中会出现收缩、泌水，使得试样在试验前其内部就存在大量微空隙裂纹等原始缺陷[8]。老化前，使用钢球自由落体撞击试样，对试样作用一个类似半正弦冲击荷载。开始阶段作用荷载较小，试样的原始空隙被压密，碳纤维之间的距离减小，使得碳纤维互相搭接的机会增多，减小了试样内部导电网络的绝缘势垒，从而增大了π电子跃迁形成的隧道电流[9]，造成试样的电阻减小。此时试样处于弹性阶段，但这仅发生在开始阶段作用荷载较小的情况下。随着冲击荷载迅速增大，试样的裂缝等损伤扩展，进入弹塑性阶段，试样的电阻也急剧增大。这是因为随着压应力的增大，试样内部逐渐被破坏产生裂缝变形，裂缝的增长造成绝缘势垒不断增大，并且绝缘势垒增大的幅度逐渐大于试样压实导致的势垒减小的幅度，π电子跃迁的概率减小，隧道电流随之减小，导致了试样电阻的快速增大。

试样经过老化后，大量的原始微缺陷被消除。在撞击荷载较小的起始阶段，试样被压密实时内部的缺陷缝隙变小造成电阻减小的效应不明显，对应于老化后的所有试验数据中的第一次撞击响应信号均未出现电阻先减小的现象，试样电阻直接增大，进入弹塑性阶段。结果说明CFC电阻随着压应力的增大而减小的现象，这是因为试样制备过程中产生的大量原始缺陷。

3.2撞击能量对力敏性影响

在撞击高度为5，10，15，20 cm的对应电压跃升的最大值分别为0.70，0.88，1.89，6.00 V。根据钢球下落的高度，给出钢球撞击能量和试样电阻变化情况的关系图，如图4。随着撞击能量的增大，试样的电阻变化也增大，类似指数增长的关系。撞击能量E低于1.4 J前，试样的电阻变化随着撞击能量的变化较缓，当超过1.4 J后，电阻变化急剧增大，说明撞击荷载超过一定程度后，试样的内部损伤急剧扩展，试样结构进入塑性阶段。

图4　钢球撞击能量和试样电阻变化的关系图Fig 4　Diagram of relationship between impact energy ofsteel ball and resistance change of specimen

3.3其他现象的分析思考

在承受钢球的第一次撞击时，撞击荷载较大，电阻到达峰值后，由于处在试样弹塑性阶段，裂缝等缺陷闭合缓慢，造成电阻的衰减缓慢。这个特征随着撞击高度的增高，愈加明显。而在钢球弹起后造成二次撞击的响应信号中，电阻变化后能较快的衰减恢复到二次撞击的起始状态，这是因为相比第一次撞击，二次撞击的荷载强度已很小，正如上述试样恢复衰减过程的分析，撞击高度越低，荷载越小，下降恢复得越快的特征是相吻合的。

4结论

1)老化前的试样在冲击荷载较小时处于弹性区，压力增大，试样电阻减小，随着压力继续增大，试样进入弹塑性区，压力增大，电阻也增大。反复加载老化后，大部分的原始缺陷被消除，试样承载后电阻直接增大，进入弹塑性区。

2)随着钢球撞击能量的增大，试样的电阻变化也增大，试样在撞击能量较小时，电阻变化较缓，当撞击能量较大时，试样的电阻变化急剧增大。CFC电阻变化对冲击作用的响应快，上升前沿时间短，能定性反映冲击荷载的变化情况，具有较好的力敏性。

3)试样在卸载后的电阻衰减缓慢，结构变形恢复慢，特别是在承受荷载较大的情况。

参考文献:

[1]Chen P W,Chung D D L.Carbon fiber reinforced concrete as an intrinsically smart concrete for damage assessment during dyna-mic loading[J].Journal of American Ceramic Society,1995,78(3):816-818.

[2]Zhao Binyuan,Li Zhuoqiu,Wu Daihua.Electric resistance mea-surement of carbon fiber smart concrete[J].Wuhan University of Technology,1995(4):52-56.

[3]郑立霞,李卓球,宋显辉,等.力敏混凝土三向受压时的应变电阻效应研究[J].四川大学学报:工程科学版,2013,45(2):33-37.

[4]张巍,谢慧才,刘金伟,等.碳纤维力敏混凝土梁弹性应力自监测试验研究[J].东南大学学报:自然科学版,2004,34(5):647-650.

[5]吴献,回乔,王丽娜,等.CFRC三向受压状态下力学及电学性能试验[J].沈阳建筑大学学报:自然科学版,2013,29(5):809-815.

[6]陆见广.碳纤维智能混凝土梁的力电效应研究[D].南京：南京理工大学,2007.

[7]刘子田.碳纤维智能混凝土的制备及其性能研究[D].南京：南京理工大学,2006.

[8]常留红,陈建康.单轴压缩下水泥砂浆本构关系的试验研究[J].水利学报,2007,38(2):217-220.

[9]张跃,职任涛,朱逢吾,等.碳纤维(LCF)—无宏观缺陷(MOF)水泥基复合材料电学性能的研究[J].材料科学进展,1992,6(4):357-362.

李尚青(1990-)，男，广西玉林人，硕士研究生，主要研究方向为碳纤维混凝土动态特性。

苏健军，通讯作者，E—mail:sjj3582@sina.com。

Experimental study of force sensitive properties of carbon fiber concrete under impact action

LI Shang-qing， SU Jian-jun， KONG Lin

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute，Xi’an 710065，China)

Abstract:Carbon fiber concrete(CFC)has good force sensitive properties and can be made into sensor and used in condition monitoring of concrete structure.The tests before and after aging and different impact height is carried out using impact action of free-falling steel ball striking cylindrical specimens.Test results show that resistance change of specimens can make a quick response to impact action;specimens before aging are at elastic stage when loading is small,resistance decreases as load gets higher.Specimens will be at elasto-plastic stage after aging,resistance increases as load gets higher.

Key words:carbon fiber concrete(CFC); impact action; force sensitive property

作者简介:

中图分类号：TU 528.5

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)01—0004—03

收稿日期：2015—11—11

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0004—03