纳米碳纤维增强混凝土的介电特性

2022-03-01王志航许金余吴云泉黄哲任彪聂良学

土木与环境工程学报 2022年1期

王志航，许金余, 2，吴云泉，黄哲，任彪，聂良学

(1. 空军工程大学航空工程学院，西安 710038；2. 西北工业大学力学与土木建筑学院，西安 710072; 3. 空军广州工程设计室，广州 510045)

混凝土材料的介电常数[1-2]是分析其对电磁波反应的一个重要参数，再结合电磁波传播理论，形成了混凝土结构的无损检测技术，并且该技术正在逐渐取代传统钻孔取芯对混凝土结构检测的方法。目前电磁无损检测技术主要包括探地雷达法(Ground Penetrating Radar，GPR)、时域反射法(Time Domain Reflectometry，TDR)和矢量网络分析仪法(Vector Network Analyzer，VNA)，基本原理为：发射天线向被测介质发射电磁波后，电磁波在介质表面发生反射，同时传入介质内部的电磁波也会发生多次反射，然后分析接收天线收到的各类发射波信号，或者测定被测介质的介电常数，进而对介质内部的物理性质进行分析[3]。由此可见，对混凝土材料介电常数的分析不仅可以深入地探讨其对电磁波的反射和损耗规律[4-5]，还可为结构的质量监控及后期的损伤检测提供参考依据，具有十分重要的理论价值和工程意义。

纳米碳纤维增强混凝土是以普通混凝土为基材，以纳米碳纤维为增强材料制成的性能良好的复合型材料。同普通混凝土相比，纳米碳纤维增强混凝土不仅力学性能[6-8]和耐久性[9-10]有明显改善，而且电磁性能[11-12]也有大幅提升。目前，学者们针对纳米碳纤维增强混凝土的力学性能及电阻、压敏等电学特性[13-15]做了大量研究工作，但针对纳米碳纤维增强混凝土介电特性的研究鲜有报道。鉴于此，笔者采用波导法，测试了不同纤维掺量下的纳米碳纤维增强混凝土在1.7～2.6 GHz频率范围内的介电常数，通过分析相对复介电常数实部、相对复介电常数虚部、损耗角正切与电磁场频率、纤维掺量的关系，研究了不同频率、不同纤维掺量对纳米碳纤维增强混凝土介电特性的影响。另外，以0.3%纤维掺量为例，对比分析了纳米碳纤维和普通碳纤维对混凝土材料介电特性的影响。

1 试验

1.1 试验材料

制备纳米碳纤维增强混凝土的原材料为：水泥、碎石、砂、添加剂(减水剂、消泡剂)、水和纳米碳纤维。水泥：陕西秦岭水泥集团生产的P·O 42.5 普通硅酸盐水泥，其化学组成和物理性能如表1和表2所示；砂:产自灞河的洁净中砂，级配良好，细度模数为2.8，整体含泥量1.1%，容重为2 630 kg/m3，堆积密度为1 500 kg/m3；碎石：石灰岩碎石，粒径5～20 mm，整体含泥量0.2%，容重为2 700 kg/m3，堆积密度为1 620 kg/m3；减水剂：陕西浩宇混凝土外加剂有限公司生产的JKPCA-02型FDN高效减水剂；消泡剂：陕西蓝鑫化工有限公司生产的磷酸三丁酯消泡剂；水：采用符合检测标准的自来水；纳米碳纤维：北京德克岛金科技有限公司生产的纳米碳纤维(如图1所示)，其主要技术指标如表3所示。

图1 纳米碳纤维

表1 P·O 42.5 普通硅酸盐水泥的化学组成

表2 P·O 42.5普通硅酸盐水泥物理性能指标

表3 纳米碳纤维主要性能指标

1.2 试件制备

纳米碳纤维增强混凝土配合比如表4所示。其中编号PC表示不掺纳米碳纤维的基准组试件，CNFC01、CNFC02、CNFC03、CNFC05表示纳米碳纤维体积掺量分别为0.1%、0.2%、0.3%和0.5%的纳米碳纤维增强混凝土试件。

表4 纳米碳纤维增强混凝土配合比

试件的制备基于裹砂石法。PC组混凝土试件制备时，先将全部的碎石、砂和部分水倒入搅拌机中拌和1 min，再加入全部的水泥拌和2 min，最后将剩余水加入拌合物中拌和5 min，将均匀的混凝土拌合物装入模具振捣成型。CNFC组混凝土制备时，先将减水剂加入水中搅拌均匀，然后将纳米碳纤维加入消泡剂中搅拌均匀，再将两者组成混合液，将全部的碎石、砂和部分混合液倒入搅拌机中拌和1 min，再加入全部的水泥拌和2 min，最后将剩余混合液加入拌合物中拌和5 min，将均匀的混凝土拌合物装入模具振捣成型。24 h后脱模，试件置于标准条件下养护28 d。养护结束后，利用混凝土磨平机对各个试件的测试端面进行磨平加工，使试件尺寸误差控制在±0.5 mm以内，同时保证试件表面不平行度小于0.02 mm。试件的尺寸为108.22 mm×53.61 mm×40.00 mm，如图2所示。

图2 试件

1.3 试验原理

在电场作用下，主要起束缚电荷作用的物质称为电介质。混凝土材料也是一种电介质。在没有外加电场的情况下，电介质内部电荷按照同号电荷相互排斥、异号电荷相互吸引的原则进行分布，对外显示中性。当电介质置于电磁场中，其内部电荷受外加电场的作用将会重新排列，正负电荷的中心位置不能继续重合，且在电介质表面产生一定数量的感应电荷，从而削弱电场，这种现象称为极化。通常用介电常数这个物理量来描述和反映电介质极化特性，介电常数随着电介质极化能力的强弱而变化，极化能力强，则其介电常数值大;极化能力弱，则其介电常数值小。

电介质的介电特性是指在外电场作用下电介质对电能进行储蓄和损耗的性质，通常用介电常数、电导率、磁导率来表示。介电常数为外加电场与最终电介质中电场的比值，用来表征电介质的极化特性，电介质极化能力越强则介电常数越大；电导率为电阻率的倒数，用来表征电介质的导电特性，导电性能越强则电导率越大；磁导率为磁感应强度与磁场强度之比，表征磁化特性。

对于水泥混凝土这类非磁性材料，其磁导率近似为1，介电常数和电导率可用相对复介电常数综合表达。

ε′(1-jtanδe)

(1)

1.4 试验方案

采用波导法(传输反射法)对纳米碳纤维增强混凝土的相对复介电常数进行测试。波导法测试系统主要由测试夹具、矢量网络分析仪和计算机(包括数据处理软件)3部分组成，被测介质应填充满测试夹具的矩形腔体，电磁波作用于被测介质后由矢量网络分析仪得到其散射参数S，分析时基于NRW传输/反射(T/R)法便可求出被测介质的相对复介电常数。试验所用矢量网络分析仪如图3所示，该设备为双端口网络分析仪，可满足频率范围100 kH2～4.5 GHz的单向测量，宽带范围1～300 Hz，功率扫描范围和动态范围分别高达48、120 dB，可以方便地进行相对复介电常数测试，测试结果精确。

图3 R&S ZND型矢量网络分析仪

图4为配合波导法使用的测试夹具，该设备为混凝土相对复介电常数测试专用夹具，可选择的频率范围为1.7～2.6 GHz，在该频率范围内能够实现试件的连续扫描测试。试件填充于夹具内部的情况如图5所示，图6为实测图。

图4 电磁参数测试夹具

图5 试件填充于夹具内部

图6 相对复介电常数测试

试验采用波导法测试各组纳米碳纤维增强混凝土试件的相对复介电常数，测试的频率范围为1.7～2.6 GHz，测试前需先对设备进行校准和精度检验，同一批次的测试只需校准一次即可。

2 结果与分析

2.1 相对复介电常数

普通混凝土和纳米碳纤维增强混凝土试件在1.7～2.6 GHz频率范围内的相对复介电常数测试结果如图7所示。从图中可以看出，在1.7～2.6 GHz频率范围内，普通混凝土和各组纳米碳纤维增强混凝土试件的相对复介电常数受电磁场频率的影响较小；整体上，相对复介电常数实部ε′远大于相对复介电常数虚部ε″，表明普通混凝土和纳米碳纤维增强混凝土材料对电磁能量的存储和释放能力远大于损耗能力；纳米碳纤维增强混凝土的相对复介电常数实部与虚部都比普通混凝土的相对复介电常数实部与虚部大，表明纳米碳纤维的掺加提高了混凝土材料对电磁能量的存储、释放和损耗能力。纳米碳纤维具有大比表面积、较高的导电性及介电常数，将其与混凝土材料复合，能够增加混凝土材料对电磁波的反射和损耗，从而增强混凝土材料的介电特性。

图7 各组试件相对复介电常数测试结果

2.2 相对复介电常数实部

相对复介电常数实部ε′表征介质对电磁能量的存储和释放能力。普通混凝土和纳米碳纤维增强混凝土试件相对复介电常数实部ε′随电磁场频率的变化规律如图8所示。从图中可以看出，在1.7～2.6 GHz频率范围内，纳米碳纤维增强混凝土试件的相对复介电常数实部远大于普通混凝土试件，说明纳米碳纤维的掺入使混凝土相对复介电常数实部的值得到了大幅提升，纳米碳纤维可以有效改善混凝土材料对电磁能量的存储与释放能力；随着纳米碳纤维掺量的增加，纳米碳纤维增强混凝土试件的相对复介电常数实部不断增大，即纳米碳纤维增强混凝土对电磁能量的存储与释放能力随着纳米碳纤维含量的增加而不断增强；随着电磁场频率的增大，纳米碳纤维增强混凝土试件相对复介电常数实部呈现出先基本平缓，随后略有降低，最后显著升高的趋势。随着频率的增加，由于极化的惯性或滞后性，以至在不同频率电磁场中极化来不及响应电磁场的变化而出现频响效应，从而导致相对复介电常数实部出现先降低后升高的现象。

图8 相对复介电常数实部随电磁场频率变化关系

2.3 相对复介电常数虚部

相对复介电常数虚部ε″表征介质对电磁能量的损耗能力，介质内部由于外电场的施加导致大量的束缚电荷发生移动，从而发生摩擦,产生热量，进而损耗电磁能量。普通混凝土和纳米碳纤维增强混凝土试件相对复介电常数虚部ε″随电磁场频率的变化规律如图9所示，其变化规律基本与相对复介电常数实部变化规律一致。从图中可以看出，在1.7 ～2.6 GHz频率范围内，纳米碳纤维增强混凝土试件的相对复介电常数虚部远大于普通混凝土试件；随着纳米碳纤维掺量的增加，纳米碳纤维增强混凝土试件的相对复介电常数虚部不断增大；纳米碳纤维可以提高混凝土材料对电磁能量的损耗能力，且纳米碳纤维掺量越大，提高效果越明显。

图9 相对复介电常数虚部随电磁场频率变化关系

2.4 损耗角正切

损耗角正切tanδe为相对复介电常数虚部与实部的比值，即介质在极化过程中损耗的能量与存储的能量之比。

(2)

损耗角正切tanδe同样反映的是介质在极化过程中对电磁能量的损耗能力。普通混凝土和纳米碳纤维增强混凝土试件损耗角正切tanδe随电磁场频率的变化规律如图10所示。从图中可以看出，在1.7 ～2.6 GHz频率范围内，纳米碳纤维增强混凝土试件的损耗角正切远大于普通混凝土试件的损耗角正切，纳米碳纤维对混凝土材料的损耗角正切影响极大，即使掺加少量的纳米碳纤维，对损耗角正切也具有十分显著的增强作用。且整体上随着纳米碳纤维掺量的增加，纳米碳纤维增强混凝土试件的损耗角正切不断增大。随着电磁场频率的增大，纳米碳纤维增强混凝土试件的损耗角正切呈现出先缓慢增长，随后略有降低的趋势。在电磁场作用下，混凝土材料的损耗角正切是导电媒质中热损耗的一种度量，主要由导电物质来决定。纳米碳纤维的掺加，增加了混凝土材料内部的导电物质，从而提高了混凝土材料的损耗角正切；且纳米碳纤维掺量越大，导电物质越多，损耗角正切越大。

图10 损耗角正切随电磁场频率变化关系

2.5 与碳纤维的对比分析

通过以上各指标的分析可知，掺入纳米碳纤维能增大混凝土材料的相对复介电常数实部、相对复介电常数虚部和损耗角正切，对混凝土材料存储、释放、损耗电磁能量的能力具有明显的增强效果。以0.3%纤维掺量为例，对比分析纳米碳纤维和普通3 mm短切碳纤维对混凝土材料介电特性的影响。碳纤维增强混凝土的制备、试验条件等与CNFC03组纳米碳纤维增强混凝土一致。

碳纤维和纳米碳纤维对相对复介电常数实部ε′、相对复介电常数虚部ε″的影响规律对比如图11和图12所示。从图中可以看出，0.3%的纤维掺量下，碳纤维和纳米碳纤维都能够提高混凝土材料的相对复介电常数实部、相对复介电常数虚部；且纳米碳纤维的增强效果显著高于碳纤维。碳纤维增强混凝土试件的相对复介电常数实部和相对复介电常数虚部随着电磁场频率的增大而减小，其对高频波的存储和释放能力逐渐减弱。在不同频率的外加电磁场作用下，纳米碳纤维和普通碳纤维的频散效应[16]不同，导致了纳米碳纤维增强混凝土和碳纤维增强混凝土的复介电常数实部、虚部随频率变化规律的不同。

图11 碳纤维和纳米碳纤维对相对复介电常数实部影响规律对比

图12 碳纤维和纳米碳纤维对相对复介电常数虚部影响规律对比

碳纤维和纳米碳纤维对损耗角正切tanδe的影响规律对比如图13所示。从图中可以看出，碳纤维的掺加也能提高混凝土材料的损耗角正切，且提升效果较好，但仍不及纳米碳纤维对混凝土材料损耗角正切的提高。与碳纤维相比，纳米碳纤维还具有尺寸小、比表面积大等纳米材料的特性，这使得纳米碳纤维增强混凝土介电特性优于碳纤维增强混凝土。

图13 碳纤维和纳米碳纤维对损耗角正切影响规律对比

2.6 分析讨论

纳米碳纤维不仅具备碳系材料的诸多优异性质，同时也具备纳米材料的量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面界面效应等性质，是一种应用前景广阔的介电损耗型吸收材料。将纳米碳纤维掺入混凝土材料内部，制备纳米碳纤维增强混凝土，形成纳米碳纤维/混凝土复合材料，能够充分利用纳米碳纤维的优异性能，提高混凝土材料的相对复介电常数实部和虚部，增强混凝土材料的极化能力和对电磁能量的损耗能力。

纳米碳纤维提高混凝土材料介电特性可以从两方面分析。一方面，纳米碳纤维是一种电阻率很低的材料，能赋予水泥基材料优异的导电性能，掺入混凝土材料内部后，混凝土材料的导电性有所增强，从而促进了混凝土材料内部偶极子的极化运动，提升了其对电磁能量的转化能力，进而提高了混凝土材料的相对复介电常数。纳米碳纤维材料属于活性纳米材料，对偶极子极化的促进作用强于碳纤维材料，因而使混凝土材料具有更高的相对复介电常数。另一方面，在掺有纳米碳纤维的混凝土材料中，可以把纳米碳纤维看作偶极子，纳米碳纤维偶极子在电磁场的作用下也会发生极化运动。掺入纳米碳纤维后，混凝土材料内部偶极子增多，极化能力增强，从而提高了纳米碳纤维增强混凝土的介电特性。