混杂纤维增强混凝土压敏性试验研究

田晓鹤

(河北省高速公路京衡管理处,河北 衡水 053020)

混杂纤维增强混凝土压敏性试验研究

田晓鹤

(河北省高速公路京衡管理处,河北 衡水 053020)

采用四电极法对碳-钢混杂纤维混凝土的压敏特性进行了试验研究，探讨了不同碳纤维、钢纤维掺量条件下混杂纤维混凝土电学性能随荷载的变化规律。研究表明：将钢纤维掺加到碳纤维混凝土中，可以提高其力学性能，改善其压敏性。在碳纤维体积掺量为0.6%、钢纤维体积掺量为0.2%时，混凝土的压敏性最好，且经历20次加载卸载循环过后试件压敏性稳定。

导电混凝土；电阻率变化率；循环荷载；压敏性

0 前言

随着科学技术和信息技术的发展，越来越多的人开始关注路面结构的智能化，混凝土作为公路工程中使用最为广泛的材料，其功能化迫在眉睫。导电混凝土是在普通混凝土中掺入适量的导电相材料而形成的一种具有自适应、自感应、自修复功能且导电良好的多相复合智能材料[1]。目前在导电混凝土的诸多导电相材料中，碳纤维具有强度高、弹性高且导电性能良好等优势，将适量短切碳纤维掺到水泥混凝土中，可以显著提高混凝土的抗压强度、抗拉强度，且由于纤维的插拔效应[2]、电通道效应[3]和隧道效应[4]等，这种碳纤维混凝土具有良好的压敏性能。

近年来，许多学者对纤维混凝土的性能做出了大量的研究，韩知伯等人[5]在21世纪初研究了单掺碳纤维、复掺纳米炭黑、碳纤维和三掺纳米炭黑、碳纤维和钢纤维对混凝土工作性、抗压强度和抗弯强度的影响，通过对导电混凝土梁受弯过程中机敏性能研究，论证导电混凝土用于裂缝监测工程中的自感应能力。2015年，Gopalakrishnan K[6]通过优化碳纤维与石墨粉的配比设计出了一种导电砂浆，其热敏性良好可以用于机场道路的除冰。Androvitsaneas V P[7]在2016年研究了纤维导电混凝土作为接地系统用在雷电保护系统(LPS)领域，并通过脉冲电流测试垂直的接地棒，为其用于接地系统中对雷击设施的保护提供设计依据。曹勤等人[8]一直从事纤维导电混凝土的性能研究，基于纤维混凝土的压敏性能将其应用于智能交通测速系统，取得了一定的成果。

综上所述，目前开展的碳纤维应用研究主要集中在电力设备接地工程、结构的安全监测、智能交通系统和电热除冰化雪等方面。

为满足路面结构的工作要求，提出将钢纤维掺加到碳纤维混凝土中，提高复合材料的抗折强度，分析不同导电相掺量下混凝土的压敏性能，找出合理掺量，为将这种智能材料用于路面结构智能化交通测速、车辆称重或结构健康监测奠定基础，使混凝土集功能和结构于一身。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

长度为6 mm的短切聚丙烯腈基碳纤维，南京纬达复合材料有限公司产，性能参数见表1。

P·O 42.5级水泥，粒径为5～10 mm的河卵石，细骨料为河砂，硅灰中SiO2含量不小于85%，密度2 300 kg/m3。镀铜微丝型钢纤维，长度6～14 mm，直径0.16～0.35 mm，抗拉强度1 200～3 000 MPa，散丝状，密度为7 600 kg/m3。

表1 碳纤维性能参数

1.2 试件制作与试验方法

研究表明，碳纤维的体积掺量小于1%时，混凝土的电阻率变化最明显[10]。因此，本试验设计2组碳纤维掺量分别为0.4%和0.6%的混凝土试件。

制作试件时，碳纤维的分散性直接关系到纤维导电混凝土的力学和电学性能。试验表明，聚羧酸减水剂具有良好的分散碳纤维的效果[11]，将碳纤维加入一定浓度的减水剂溶液中搅拌溶解并烘干；然后将钢纤维和碳纤维按照一定体积比混合，加入砂子搅拌均匀；再依次加入胶凝材料和水并拌和均匀，制成100 mm×100 mm×100 mm的试件，24 h后脱模标准方法养护28 d。

电阻的测量采用直流电路，电极采用预埋置入铁丝网，理论分析来看，四电极法的测量结果更加接近试件的真实电阻，测试装置如图1所示。

图1 四电极法测量电阻

由R=U/I和ρ=RS/L计算材料的电阻率，其中R为试件电阻,Ω；U为外加电压；I为通过试件的电流,A；ρ为材料的电阻率,Ω·m；S为材料的面积,m2；L为材料的长度,m。使用NYL-500 型液压万能试验机对试件进行加载，测试试件荷载作用下电阻变化规律。

2 试验结果及分析

2.1 纤维混凝土压敏性

通过对纤维混凝土压敏性能试验得到荷载-电阻率变化率之间的关系，如图2所示。

图2 不同钢纤维掺量下试件的压敏性

图2中CS0.6-0、CS0.6-0.1、CS0.6-0.2、CS0.6-0.3、CS0.6-0.4表示碳纤维掺量为0.6%(体积比)，钢纤维掺量(体积比)分别为0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的混杂纤维导电混凝土试件。由图2中可以看出，各个试件从加载至破坏，电阻率变化率大致经历3个阶段：200 kN之前电阻率变化率增大阶段，电阻率变化率和荷载之间接近线性关系；200～500 kN之间，电阻率变化率趋于平缓阶段；500 kN至破坏前，试件电阻率变化率开始急剧减小阶段。

混凝土中加入导电相材料后，钢纤维和碳纤维分散在基体中形成了一个导电网络结构。在受压初期，混凝土中的纤维插入基体，纤维之间的搭接数目发生变化，局部导电网络开始变密集，部分没有搭接的纤维之间也开始接触；而且在压力作用下，混凝土本身的孔隙减小，基体中的水化胶体颗粒也变小，电子之间跃迁势垒减小，基体的导电性增强较快，电阻率变化率开始增大。随压应力的增大，混凝土内部裂缝或缺陷的发展或闭合由于钢纤维的阻碍作用变得缓慢，试件内的导电网络也趋于完善，混凝土的导电性能变化稳定，表现为电阻率变化率缓慢增加或趋于稳定。在电阻率变化率平缓阶段，可以通过电阻率的增加估测出结构内部的裂缝情况；亦可根据电阻率的变化情况感知行驶车辆载重变化。当荷载逐渐增加到达破坏阶段，试件内不断有新的裂缝产生，受拉区的纤维也开始逐渐从混凝土基体中拨出，新裂缝的产生速度远远大于旧裂缝的闭合速度，受压区的混凝土被压碎，试件整体性变差，基体混凝土中的导电网络发生破坏。

此外，由图2中可以看出，碳纤维含量一定时，钢纤维掺量增高，试件的抗压强度增大，在钢纤维掺量为0.2%时，试件的抗压强度最大，说明在一定范围内，增大钢纤维掺量可以提高混凝土的抗压强度。试件CS0.6-0和CS0.6-0.4的电阻率变化率较低，且曲线没有平滑段，这说明其电阻随应力的变化不稳定；另外，几种曲线电阻率变化率最低点时，钢纤维体积掺量为0.2%，碳纤维体积掺量为0.6%为混杂混凝土中导电相的最佳掺量。

图3为试件CS0.4-0、CS0.6-0.2和CS0.4-0.2的荷载-电阻率变化率曲线图，对比CS0.6-0.2和CS0.4-0.2可以看出，其电阻率变化率曲线平滑，同一钢纤维掺量下，碳纤维掺量为0.6%比0.4%的压敏性要好。图3显示，CS0.4-0.2的电阻率变化率曲线在CS0.4-0的下方，说明碳纤维掺量不变时，加入钢纤维可以很好地改善混凝土的压敏性。

图3 试件CS0.4-0、CS0.6-0.2、CS0.4-0.2的压敏性

2.2 循环荷载作用下纤维混凝土的压敏性

图4为循环荷载下试件CS0.6-0、CS0.6-0.1、CS0.6-0.2、CS0.6-0.3的电阻率变化曲线。在试件弹性范围内，选择最大加载荷载为200 kN，加载速度2 kN/s，循环加载20次。

图4 循环荷载下试件CS0.6-0、CS0.6-0.1、CS0.6-0.2、CS0.6-0.3的压敏性

图4显示，在加载阶段，随压应力的增大，试件的电阻率变化率增大；卸载阶段，随压应力减小，试件的电阻率变化率逐渐减小；卸载后试件的电阻率变化率基本可以恢复到原始水平，即混凝土的电阻率变化率与荷载之间有良好的对应性。分析认为，在加载阶段，混凝土中的纤维插入基体，纤维之间的搭接数目以及纤维和导电石墨之间的接触数目发生变化，局部导电网络开始变密集；而且在压力作用下，混凝土本身的孔隙减小，电子之间跃迁势垒减小，基体的导电性逐渐变强，电阻率变化率开始增大。随后卸载时，纤维发生拔出现象，纤维之间搭接数目减小，已经形成的局部导电网络开始变得疏松，此时混凝土中电子之间势垒增大跃迁阻力增大，基体的电阻逐渐增大，电阻率变化率也开始减小。由于荷载较小，混凝土内部并没有新的裂缝形成或扩张，故卸载后，电阻基本能恢复原来的水平，电阻率变化率也基本不变。

对试件CS0.6-0.1，增大试件的压应力，卸载后部分试件的电阻率不能恢复到原位，每经历一次循环卸载后，电阻增大，电阻率变化率出现了正值，分析认为：试件在受压过程中，基体内部的某些空隙和缺陷被压实，出现了类似于徐变的永久变形，使试件的电阻增大。且经过多次循环后，试件的电阻率变化率是逐渐减小的，发生不可逆变化，即压敏性稳定性较差。可见，加入钢纤维后，循环荷载作用下，混凝土的压敏性变好，在碳纤维体积掺量为0.6%，钢纤维体积掺量为0.2%时，经历20次循环过后试件压敏性稳定。

3 结论

1)在试验所选掺量范围内，碳纤维体积掺量为0.6%，钢纤维体积掺量为0.2%时，混凝土的压敏性最好。

2)碳纤维掺量降低，加入钢纤维可以很好地改善混凝土的压敏性，但在钢纤维体积掺量超过0.4%后，改善作用不明显。

3)对碳纤维体积掺量为0.6%的纤维混凝土，当钢纤维体积掺量为0.2%时，经历20次加载卸载循环过后试件压敏性稳定。

[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] 王大鹏.用于车辆称重的碳纤维混凝土的压敏性及其稳定性的研究[D].天津:河北工业大学,2005.

[4] 王秀峰,王永兰.碳纤维增强水泥复合材料的制备及性能[J].西安交通大学学报,1997, 31(3):108-113.

[5] 韩知伯,丁一宁.混杂纤维高性能导电混凝土裂缝监测的试验研究[J].工业建筑,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,谢慧才,韦炳宇.碳纤维增强水泥的电阻测试[J].汕头大学学报(自然科学版),2002,17(1):7-10.

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

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