碳纤维和钢渣水泥基复合材料导电性及损伤识别研究

2020-07-16谭志催马德云章万军国家工业建构筑物质量安全监督检验中心北京00088北京市建筑工程研究院有限责任公司北京0009北京首钢国际工程技术有限公司北京0004

水泥工程 2020年1期

谭志催,马德云，章万军，荣华（.国家工业建构筑物质量安全监督检验中心，北京00088；.北京市建筑工程研究院有限责任公司，北京0009；.北京首钢国际工程技术有限公司，北京0004）

0 引言

我国从建国至今已有70年，伴随着民生、经济的迅猛发展，土木工程学科行业也日臻完善，全国各地高楼大厦、居住建筑、公共建筑、工业厂房、桥隧等如雨后春笋般拔地而起。一般建筑的设计基准周期为50年，加之使用环境、改造、标准更迭、建造水平、自然灾害等因素，很多既有建筑已出现不同程度的老化、破损，尤其上世纪80年代以前的既有建筑在地震等自然灾害面前显得不堪一击。因而，对既有建筑结构进行结构健康诊治，发现结构损伤，进行防灾预测和评估，进行结构安全评估已逐步成为土木工程学科发展的一个重要领域。为探索智能混凝土结构，近年来国内外有关学者开始注重混凝土导电性能和相关机敏性研究[1，2]，李亮等研究了其动力学性能[3]，赵洁等研究了纤维表面镀镍对压敏性能的影响[4]。本文拟结合试验研究碳纤维水泥基复合材料的导电性，并利用导电性对构件的损伤进行识别。

1 基本思路和模型

导电性是材料的一个基本特性，固定的构件相当于一个完整的导体。从理论上讲，在通路情况下，若试块的应力越大，则应变将会增大，进而产生开裂，随着裂缝的增大，整个试块某些截面变小，整体电阻必然增大，测试电阻值可能用于判定构件是否损伤及识别损伤程度。普通的水泥基材和混凝土是不良导体，而碳纤维、钢渣导电性能极好，为增强材料的导电性能，本文拟在水泥基复合材料中添加不同含量的碳纤维和钢渣，以研究碳纤维、钢渣水泥基复合材料的导电性和相关性能。

试验分两个阶段：第一个阶段在水泥净浆中添加不同含量的碳纤维，测试构件导电性、抗压和抗折试验情况下的电阻-应力应变关系；第二阶段在添加碳纤维的基础上参入不同含量的钢渣，以研究碳纤维-钢渣构件导电性、抗压和抗折试验情况下的电阻-应力应变关系。试验构件模型尺寸为400mm×400mm×1600mm，在距离两端各30 mm处预埋铜片、引出导线，测量试块的电阻值，见图1。

图1 试件模型及成品

2 第一阶段试验过程及结论

第一阶段为在水泥净浆试块中按不同的体积百分率掺入碳纤维进行试验，水泥采用盾石牌325普通硅酸盐水泥，掺入分散剂(甲基纤维素：取质量分数0.4%)、消泡剂（磷酸三丁酯：取质量分数0.1%），碳纤维采用短切的PAN基碳纤维，按体积掺量的不同（占总体积量：0%，0.4%，0.8%，1.2%，1.6%）5组试验，每组制作试件9个（留样3个，抗压试验3个，抗折试验3个），水灰比0.30。碳纤维性能见表1，碳纤维用量及分组见表2。

表1 碳纤维性能表

表2 PAN碳纤维用量及分组表

2.1 导电性试验结果及分析

本阶段试验前7天每天都要测量其电阻值，以后则间隔测量试块的电阻值。养护第60d各组平均电阻值与纤维含量关系如图2，各组电阻平均值和养护时间的关系图如图3。分析图2、图3，可得出如下结论：

（1）不掺碳纤维的试件60d电阻值约为10000 Ω，纤维体积率低于1.2%时，试件60d电阻值呈线性下降，掺入量为1.2%时，试件60d电阻值约600 Ω，说明碳纤维对试件导电性有非常显著的影响；

（2）纤维体积率为1.2%～1.6%时，试件60 d电阻值（约为600Ω）呈水平直线状态，说明1.2%为本次试验的最佳掺入量，掺入量大于1.2%不会对导电性产生显著影响；

（3）见图3，碳纤维显著影响试件导电性，纤维体积率1.2%和1.6%的试件测试电阻值基本相同，说明1.2%为本次试验的最佳掺入量，掺入量大于1.2%不会对导电性产生显著影响；

（4）见图3，纤维体积率为0.8%～1.6%时，试件电阻值在7天后随时间变化较为平稳；纤维体积率为0.4%时，试件电阻值在30天后随时间变化较为平稳；没有掺入碳纤维的试件电阻值整体呈上升趋势、约50天后趋于平稳。说明碳纤维对试件导电稳定性有显著影响。

图2 60d电阻和纤维含量关系图

图3 电阻和时间关系图

2.2 抗压试验结果及分析

养护60d后，每组随机选取3个试块进行抗压试验，分析碳纤维水泥基复合试件的电阻-应力变化关系及应变-应力关系。试验分级加载，每次加力8 kN，加载面积为40 mm×40 mm，折合成压应力为每级5 MPa，逐级加载，同时测试并记录其应变值。抗压试验示意图见图4，电阻-应力变化关系见图5，应变-应力关系见图6。

图4 抗压试验示意图

分析图5和图6，可得出如下结论：

（1）无论是电阻-应力关系图，还是应力-应变关系图在加载后期大都会出现突变，其原因是试件受到较大的损伤，开裂截面不断增加，裂缝逐渐增大，裂缝处纤维之间的连接逐渐被削弱，从而导致整个试块电阻值或应变值出现较大的变化。利用这个突变处的电阻值与其他应力处的电阻值进行比较即可判断试件是否损伤。

（2）比较电阻-应力关系图和应力-应变关系图可以看出，后者的突变较前者更明显。这与测量方法的准确性有关系，由于本试验采用的是两级法测量电阻，所以不能很有效的消除两端铜片产生的接触电阻，对试验结果产生了一定影响。

图5 电阻-应力关系图

图6 应变-应力关系图

2.3 抗折试验结果及分析

养护60d后，每组取3个试块进行抗折试验，分析碳纤维水泥基复合试件的电阻-荷载变化关系及应变-荷载关系。试验分级加载，每次加力0.30kN，折合成拉应力为每级1 MPa，逐级加载，同时测试并记录其应变值。抗压试验示意图见图7，电阻-荷载变化关系见图8，应变-荷载关系见图9。

分析图8和图9，可得出如下结论：

（1）在试件破坏前电阻或应变值都会出现突变，若以破坏前一级电阻为临界电阻，其他时刻电阻与定义的临界电阻比较即可判断试件是否损伤，其差别程度则可以说明试件损伤的严重程度。也可以定义此临界电阻值为1，其他时刻电阻值与临界电阻的比值大于1的即可定义为已破坏试件，小于1的即为未破坏试件。其差别程度同样可以反映试件损伤的严重程度。

图7 抗折试验示意图

图8 电阻-荷载关系图

图9 应变-荷载关系图

（2）从以上抗压试验和抗折试验数据分析可以看出，掺有碳纤维的水泥试块其抗压强度并未得到提高，而起抗拉强度则较素水泥试块得到了较大的提高。首先，这是因为碳纤维具有较高的抗拉强度，本试验采用的碳纤维抗拉强度达到了3 000～3500MPa，高抗拉强度的碳纤维散布在水泥基体中也相应的增强了水泥基体的抗拉强度。其次，细小的碳纤维提高了水泥试块的密实度，从而提高了其抗拉强度。

3 第二阶段试验过程及结论

普遍认为钢渣较水泥灰强度高、导电性好，故本试验设计了第二阶段试验，在碳纤维水泥基体中掺入钢渣，利用钢渣等质量代替部分水泥，重复进行第一阶段的试验过程，测试碳纤维-钢渣水泥基复合试件的导电性、抗压和抗折性能。

参考1阶段试验结果，碳纤维掺入量恒定采用体积率1.2%，钢渣掺量按与水泥灰质量比0、0.3、0.6、1、1.5和 2，分 6组进行试验（编号 0～5组），外加剂、水灰比等同第一阶段。第二阶段计划每组制作试块6个，共制作碳纤维-钢渣水泥基复合试件33个（后由于钢渣数量不够第5组只做了3个试块），过程略。