不同破坏荷载下镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的压敏性

张立卿, 边明强, 郭绵珍, 潘延念, 许开成, 王云洋

( 1.华东交通大学 轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室，南昌 330013；2.华东交通大学 土木建筑学院，南昌 330013；3.中恒建设集团有限公司，南昌 330200；4.湖南文理学院 土木建筑工程学院，常德 415000 )

随着混凝土结构大型化、服役环境复杂化，普通混凝土作为结构材料已无法完全满足工程需要。在此背景下，(超)高性能化、多功能/智能化成为了混凝土发展的趋势之一。多功能/智能超高性能混凝土不仅能够满足强度、耐久性方面的要求，还具有良好导电及压敏感知性能等功能/智能特性。目前，多采用在制备过程中添加导电填料的方法获取多功能/智能超高性能混凝土。常用的导电填料有钢纤维[1-3]、不锈钢微丝[4-6]、钢渣[7-8]、刺球形镍粉[9-10]、碳纤维[11]、碳纳米管/纤维[12-13]、碳纳米管自组装填料[14-15]、石墨烯[11,16]、炭黑[14]等。镀铜钢纤维表面覆有一层黄铜镀层，该镀层不仅能够增加镀铜钢纤维表面的粗糙度从而产生较高的粘结强度，且该黄铜涂层能够提高钢纤维的导电性和耐锈蚀性[17-18]。由于其优异的性能，镀铜钢纤维不仅可以提高超高性能混凝土的强度和韧性[19-21]、约束超高性能混凝土受压时的横向变形、阻碍超高性能混凝土内部裂纹的扩展及宏观裂缝的形成，还能够赋予超高性能混凝土良好且稳定的电学性能和压敏性能[1-2,22]。废弃陶瓷粉具有颗粒小、火山灰活性、吸水和电阻率较水泥粉低的特点。废弃陶瓷粉的火山灰活性及内养护作用能够增加镀铜钢纤维与混凝土基体的粘结性，从而协调镀铜钢纤维有效改善超高性能混凝土的强度和韧性[23-24]；同时，废弃陶瓷粉较低的电阻率可协同镀铜钢纤维提高基体的电学性能与压敏性能。因此，利用镀铜钢纤维与废弃陶瓷粉的协同作用可发展低碳多功能/智能混凝土，可监测和保障混凝土结构的安全性。

已有研究表明，镀铜钢纤维可提高超高性能混凝土的静态电学性能。如Fan 等[1]发现超高性能混凝土的电阻随着镀铜钢纤维掺量的增加而逐渐降低，镀铜钢纤维掺量为2.00vol%时，其降低率在40%以上。Abushanab 等[25]试验获得1.00vol%镀铜钢纤维可使超高性能混凝土的电阻率从464.0 kΩ·cm 降低到345.0 kΩ·cm，与空白组相比电阻率减小25.7%。同时，镀铜钢纤维增强混凝土在动态下的压敏性能也开展了一些研究。如田晓鹤[26]研究了不同掺量镀铜钢纤维与碳钢纤维混杂的混凝土在抗压循环荷载下压敏性能。研究表明，0.20vol%镀铜钢纤维与0.60vol% 碳钢纤维的混杂钢纤维增强混凝土表现出最好的压敏性，在循环荷载幅值为200 kN 下的电阻率变化率稳定在67%左右。周天舒等[22]将镀铜钢纤维与碳钢纤维、多壁碳纳米管及石墨烯复掺制备智能混凝土，结果表明复掺镀铜钢纤维、碳钢纤维、多壁碳纳米管与石墨烯能够提高混凝土在抗压荷载循环作用下的压敏性，该混凝土表现出较高的灵敏度与稳定的重复性。复掺1.20vol% 碳纤维、4.00vol% 镀铜钢纤维和1.00vol%多壁碳纳米管的混凝土在循环荷载幅值为16 MPa 时的电阻率变化率达到69.3%。王林飞等[27]研究了不同掺量镀铜钢纤维与碳钢纤维混杂钢纤维对活性粉末混凝土在抗压破坏荷载下压敏性的影响，结果表明1.00vol%镀铜钢纤维与0.50vol%碳钢纤维的混杂钢纤维混凝土随着压力增加，相对电阻率上升，最大为0.5%。此外，他们还建立了混凝土的力-电本构模型，表明可通过监测混凝土的电学性能参数，获得混凝土的应力和应变等力学参数。Lee 等[28]研究了钢纤维和碳纳米管自感知高性能混凝土的可行性，通过力-电拟合方程可知，所有试样的拟合度R2值均大于0.90，表明通过电阻率变化率可以精确地预测拉伸应力和拉伸应变的响应。Wang 等[29]对弹性范围内纤维混凝土的应力和电阻率变化率进行了力-电拟合，结果表明单掺钢纤维混凝土的电阻率变化率与压应力满足线性关系，当钢纤维掺量为1.5vol%时，其拟合度R2可达0.99，表明纤维混凝土在弹性范围内可以通过电阻率变化率预测应力。Demircilioglu 等[2]对不同掺量镀铜钢纤维增强混凝土在抗压破坏荷载下的压敏性建立了力-电本构模型，结果表明掺入0.80vol%镀铜钢纤维混凝土的应变与电阻率变化率符合一次函数关系，相关系数最高可达0.96，最大电阻率变化率为19%，表明可以通过电阻率的变化实现对混凝土应力和应变的监测。Liu 等[14]制备了含纳米炭黑/镀镍碳纤维和纳米炭黑的水泥基复合材料，研究了其压敏性能，提出了应力与电阻率变化率之间的本构关系，在单调载荷作用下，二次函数较好地描述了电阻率变化率随失效应力的变化。因此，所建立的应力与电阻率变化率之间的本构关系可以作为水泥基传感器的标定曲线，为实际工程中构件的应力监测奠定了基础。

由以上可知，目前的研究主要集中在复掺镀铜钢纤维增强混凝土在抗压循环/破坏荷载下的压敏性，且基体类型主要为普通混凝土，并没有复掺废弃陶瓷粉。对镀铜钢纤维协同废弃陶瓷粉增强绿色超高性能混凝土在不同破坏荷载下的压敏性能研究还没有开展。因而，本文首先利用废弃陶瓷粉和镀铜钢纤维制备了绿色智能超高性能混凝土，并研究了镀铜钢纤维掺量对废弃陶瓷超高性能混凝土直流和交流电阻率的影响规律；其次，研究了镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土在不同类型破坏荷载下的压敏性能；最后，建立了镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的力-电本构模型。

1 试验设计

1.1 原材料

本试验主要的原材料包括水泥、废弃陶瓷粉、石英砂、聚羧酸高效减水剂、镀铜钢纤维和水。水泥为P·O 52.5R 普通硅酸盐水泥，粉体电阻率为120.0 Ω·cm，其主要化学成分如表1 所示。废弃陶瓷粉由废弃陶瓷颗粒磨细得到，如图1 所示。其平均粒径为10.16 μm，比表面积为1 064 m2/kg，粉体电阻率为62.6 Ω·cm。图2 和表1 分别为废弃陶瓷粉的XRD 图谱和化学组成成分，可知，其主要成分为SiO2，且根据文献[30]可知，本文所采用的废弃陶瓷粉具有火山灰活性。石英砂使用的是质量比粗∶细=1∶1 的石英砂，粗石英砂粒径为0.6～2.6 mm，细石英砂平均粒径为50 μm，SiO2含量>99%，密度为2.65 g/cm3，莫氏硬度为7。聚羧酸高效减水剂的减水率≥60%，固含量为45%。镀铜钢纤维的直径为0.2 mm，长度为13 mm，抗拉强度≥2 700 MPa，如图3 所示。水为自来水。

图1 废弃陶瓷粉Fig.1 Ceramic waste powder

图2 废弃陶瓷粉的XRD 图谱Fig.2 XRD pattern of ceramic waste powder

图3 镀铜钢纤维Fig.3 Copper-plated steel fiber

表1 水泥和废弃陶瓷粉化学成分Table 1 Chemical composition of cement and ceramic waste powder

1.2 配合比

镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的水胶比为0.18，其中的胶凝材料为水泥和废弃陶瓷粉。据参考文献[23]可知，废弃陶瓷粉对超高性能混凝土力学性能提高的最佳掺量为25.00wt%，而确定本文废弃陶瓷粉掺量。胶砂比为1.0，减水剂为胶凝材料质量的1.50%。根据国内外研究可知，镀铜钢纤维掺量在2.5vol% 以内时，其对混凝土的力学性能影响较大，考虑大掺量的镀铜钢纤维的分散问题，本文采用最大掺量为2.50vol%且以0.50vol% 为梯度，研究了0.00vol%～2.50vol%这6 个掺量，配合比具体如表2 所示。

表2 镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的配合比Table 2 Mix proportions copper-plated steel fiber reinforced ultra high performance concrete with ceramic waste powder

1.3 制备工艺

试验所采用的搅拌机为非变速搅拌机(HJW-60 型，河北新创仪器有限公司)，其转速为80 r/min，具体搅拌流程如图4 所示。将模具放在自然环境下养护24 h 后脱模。脱模后的试件放到(20±1)℃的水中养护至相应龄期进行电学和压敏性能测试。

图4 镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的制备流程Fig.4 Fabrication process of ultra high performance concrete with ceramic waste powder containing copper-plated steel fiber

1.4 测试方法

1.4.1 流动性能

根据标准GB/T 50080-2016[31]测量新拌镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的流动性。

1.4.2 电学性能

试件养护至28 天时，测量试件在静态下的直流、交流电阻，如图5 所示。采用数字万用电表(DMM6500，Keithley Instruments 公司) 进行两电极直流电阻测试；采用交流表(Agilent U1733C，安捷伦公司) 进行交流电阻测试，采用频率为100 Hz、1 kHz、10 kHz 和100 kHz。根据下式将测得的电阻换算为电阻率：

图5 镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土电学性能测试试件及电极布置Fig.5 Specimens shape and electrode layout for electrical properties test of copper-plated steel fiber reinforced ultra high performance concrete with ceramic waste powder

式中：ρ为复合材料的体积电阻率(Ω·cm)；R为复合材料的电阻(Ω)；S为复合材料试件的横截面积，本文为16 cm2；L为复合材料试件电阻测试部分的长度，本文为14 cm。

1.4.3 压敏性能

试验采用40 mm×40 mm×160 mm 的试件，电子万能试验机(WDW-100C 和WDW-300C，上海华龙测试仪器股份有限公司) 施加和采集应力；应变通过应变片和静态应变测试仪(DH3818Y，江苏东华测试技术股份有限公司)测试；电阻率通过直流电表采集。进行抗折破坏试验时，加载速率为0.1 mm/min，加载方式、试件尺寸、应变片布置及电极布置如图6(a)所示。进行压缩破坏试验时，加载速率为1.2 mm/min，加载方式、试件尺寸、应变片及电极布置如图6(b)所示。废弃陶瓷超高性能混凝土的电阻率变化率根据下式计算：

图6 镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土压敏性能测试加载示意图Fig.6 Loading diagram of piezoresistivity test of copper-plated steel fiber reinforced ultra high performance concrete with ceramic waste powder

式中：Δρ为复合材料的电阻率变化率(%)；ρt为t时刻的电阻率(Ω·cm)；ρ0为初始电阻率(Ω·cm)。

镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的应力灵敏度根据下式计算：

式中：SE为应力灵敏度(%/MPa)；ρmax为最大的电阻率变化率(%)；σ为测试过程中电阻率变化率最大时对应的应力值(MPa)。

镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的应变灵敏度根据下式计算：

式中：SA为应变灵敏度；ε为测试过程中电阻率变化率最大时对应的应变值。

1.4.4 机制分析

(1) 镀铜钢纤维间距

镀铜钢纤维增强废弃陶瓷高性能混凝土的电学性能与镀铜钢纤维的体积分数及镀铜钢纤维间的平均间距密切相关。本文采用光学显微镜(CK-300，上海蔡康光学仪器有限公司)观察了不同掺量镀铜钢纤维在废弃陶瓷超高性能混凝土内的分布情况并通过理论公式近似计算镀铜钢纤维增强废弃陶瓷高性能混凝土电学性能的改善机制。基于纤维间距理论[32]，假设镀铜钢纤维单根分散并且随机乱象分布，镀铜钢纤维间的平均间距根据下式计算：

(2) 孔溶液电阻率和离子浓度

将纯水泥净浆和25wt%废弃陶瓷粉替代率的净浆研磨成粉末，过150 μm 筛子；将筛后粉末浸入去离子水中，水和固体质量比为100，采用磁力搅拌；当pH 值稳定后，将溶液过滤[33]。分别用电感耦合等离子体发射光谱仪(Agilent ICP-OES 725ES，安捷伦科技(中国)有限公司)和电导率仪(FE38，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司)对滤液主要离子浓度和电导率进行测试，并将电导率换算成孔溶液电阻率，溶液温度为(20±1)℃。通过材料的悬浮溶液的离子浓度和电阻率表征孔溶液的离子浓度[34]和电阻率。

2 结果与讨论

2.1 镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的流动性能

镀铜钢纤维掺量对扩展度的影响如图7 所示。可知，随着镀铜钢纤维掺量的不断增加，废弃陶瓷超高性能混凝土的扩展度逐渐减小。当镀铜钢纤维掺量为0.0vol% 时，扩展度可达到600 mm。而当镀铜钢纤维掺量为2.5vol% 时，其扩展度降低了24.2%，但仍具有自流平特性，扩展度可达到455 mm。镀铜钢纤维的掺入降低新拌超高性能混凝土的流动性主要原因如下：(1) 镀铜钢纤维可以吸附一部分自由水，新拌废弃陶瓷超高性能混凝土中的自由水减少，流动性降低；(2) 镀铜钢纤维为钢纤维材料，长径比为65，即球形度很小，从形态上说，对废弃陶瓷超高性能混凝土的流动性也有不利影响。除此之外，通过对数据线性拟合得到镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的回归曲线，R2值为0.948，扩展度与镀铜钢纤维掺量之间服从线性关系，即随着镀铜钢纤维掺量增加扩展度线性降低。表明通过均匀筛入，镀铜钢纤维可均匀分散于混凝土中。

图7 镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的扩展度(a)及其降低率(b)Fig.7 Spread (a) and decrease ratio (b) of copper-plated steel fiber reinforced ultra high performance concrete with ceramic waste powder

2.2 镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的直流电阻率和交流电阻率

镀铜钢纤维掺量对废弃陶瓷超高性能混凝土28 天的直流电阻率和交流电阻率如图8 所示。可知，在28 天养护龄期下，掺入镀铜钢纤维的废弃陶瓷超高性能混凝土的直流电阻率均低于未掺入镀铜钢纤维的普通废弃陶瓷超高性能混凝土的直流电阻率，且随着镀铜钢纤维掺量的增加逐渐降低，在掺量为0vol%～0.5vol%时直流电阻率降低幅度最大。因此，镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的渗流区间为0vol%～0.5vol%。尽管0.5vol%、1.0vol%和1.5vol%镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的直流电阻率低于对照组，但其降低效果有限，降低率在20.0%以内。而2.0vol%和2.5vol% 镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的直流电阻率为88.39 Ω·cm 和94.08 Ω·cm，较对照组分别降低了43.4%和39.8%。由此说明镀铜钢纤维在2.0vol% 时更容易在废弃陶瓷超高性能混凝土内部相互搭接形成有效的导电通路。由图8 还可知，在28 天养护龄期，掺入镀铜钢纤维的废弃陶瓷超高性能混凝土的交流电阻率均低于未掺入镀铜钢纤维的普通废弃陶瓷超高性能混凝土的直流电阻率，且随着镀铜钢纤维掺量的增加而降低。这是由于极化效应的影响。镀铜钢纤维掺量为2.0vol%和2.5vol%时，废弃陶瓷超高性能混凝土的交流电阻率可分别降至1 297.31 Ω·cm 和1 146.98 Ω·cm，较对照组分别降低了96.7%和96.8%。除此之外，还可以看出，废弃陶瓷超高性能混凝土的交流电阻率随着频率增加而逐渐降低。随着交流测试频率增加，不同掺量的镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土交流电阻率的变化规律及降低程度均相似。由此说明，交流电阻测试频率变化不会影响废弃陶瓷超高性能混凝土交流电阻率随镀铜钢纤维掺量变化的规律。

图8 镀铜钢纤维掺量对废弃陶瓷超高性能混凝土28 天的DC电阻率和交流(AC)电阻率的影响Fig.8 Effect of DC and alternating current (AC) electrical resistivity of copper-plated steel fiber reinforced ultra high performance concrete with ceramic waste powder at 28 days

2.3 镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土在抗折/抗压破坏荷载下的压敏性能

图9 为0.0vol%～2.5vol% 镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土在抗折极限荷载下的电阻率变化率与应力/应变的关系。可知，随着镀铜钢纤维掺量增加，镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的电阻率变化率和峰值应力/应变均呈现波浪式变化，且电阻率变化率均随着应力/应变的增大而逐渐增大。掺入镀铜钢纤维的废弃陶瓷超高性能混凝土的电阻率变化率和峰值应力/应变明显大于未掺入镀铜钢纤维的普通废弃陶瓷超高性能混凝土。镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的电阻率变化率与应力/应变之间清晰而完整的对应关系可以表明此复合材料可以监测混凝土的应力/应变。图10(a)～10(c)分别为0.0vol%～2.5vol%镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土在抗折极限荷载下的电阻率变化率、应力灵敏度和应变灵敏度。由图10(a) 可知，随着镀铜钢纤维掺量增加，镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的电阻率变化率呈现波浪式增长。未掺入镀铜钢纤维的普通废弃陶瓷超高性能混凝土的电阻率变化率较小，峰值应力所对应的电阻率变化率仅有-6.58%。掺入镀铜钢纤维的废弃陶瓷超高性能混凝土在达到峰值应力后并未完全断裂，混凝土通过镀铜钢纤维跨越裂缝连接成为一个整体，峰值应力时所对应的电阻率变化率上升。2.0vol%和2.5vol%镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的电阻率变化率较高，可分别达到-10.55%和-14.66%，较对照组分别提高了60.3% 和122.8%。由图10(b) 可知，随着镀铜钢纤维掺量增加，镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的应力灵敏度呈现波浪式增长。未掺入镀铜钢纤维的普通废弃陶瓷超高性能混凝土在极限抗折荷载下的应力灵敏度仅为0.372%/MPa，这是由于对照组在达到极限抗折荷载时，试件瞬间断裂，导电通路断开，导致其应力灵敏度较小。2.5vol%镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的应力灵敏度较高，为0.744%/MPa，提高了100.0%。由图10(c) 可以看出，0.0vol%～2.5vol%镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土在极限抗折荷载下的应变灵敏度随着镀铜钢纤维掺量增大而呈现先降低后升高的趋势。未掺入镀铜钢纤维的普通废弃陶瓷超高性能混凝土在峰值应力下的应变灵敏度为250.03，掺入2.5vol% 镀铜钢纤维时，废弃陶瓷超高性能混凝土的应变灵敏度高达740.40，较对照组提高了196.1%。

图9 0.0vol%～2.5vol%镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土在极限抗折荷载时应力/应变与电阻率变化率Δρ 之间的关系Fig.9 Relationship between the stress/strain and the fractional change in resistivity Δρ of 0.0vol%-2.5vol% copper-plated steel fiber reinforced ultra high performance concrete with ceramic waste powder under flexural load

图10 0.0vol%～2.5vol%镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土在抗折极限荷载时的Δρ、应力灵敏度SE 和应变灵敏度SAFig.10 Δρ, stress sensitivity SE and strain sensitivity SA of 0.0vol%-2.5vol% copper-plated steel fiber reinforced ultra high performance concrete with ceramic waste powder under flexural load

0.0vol%～2.5vol%镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土在抗压极限荷载下的电阻率变化率与应力/应变的关系如图11 所示。可以看出，随着镀铜钢纤维掺量的增加，镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的电阻率变化率和峰值应力/应变均呈现波动式增长。掺入镀铜钢纤维的废弃陶瓷超高性能混凝土的电阻率变化率和峰值应力/应变明显高于未掺入镀铜钢纤维的普通废弃陶瓷超高性能混凝土。在整个加载过程中，电阻率变化率首先随着荷载增大而缓慢降低，而当混凝土进入抗压应力-应变曲线的非线性阶段后，电阻率变化率迅速降低。这是由于当混凝土进入非线性阶段后，混凝土会出现微裂缝并迅速延伸。而当混凝土达到峰值应力时，混凝土内会产生宏观裂缝，导致导电网络破坏[35]，因而电阻率变化率会出现明显变化。图12(a)～12(c) 分别表示0.0vol%～2.5vol%镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土在抗压极限荷载下的电阻率变化率、应力灵敏度和应变灵敏度。由图12(a) 可知，随着镀铜钢纤维掺量的增加，镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的电阻率变化率大体呈现增长趋势。未掺入镀铜钢纤维的普通废弃陶瓷超高性能混凝土的电阻率变化率最小，峰值应力所对应的电阻率变化率仅有-8.72%。掺入镀铜钢纤维的废弃陶瓷超高性能混凝土在达到峰值应力后并未完全断裂，混凝土通过镀铜钢纤维跨越裂缝连接成为一个整体，峰值应力时所对应的电阻率变化率上升。2.0vol%和2.5vol%镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的电阻率变化率较高，达到了-34.36%和-29.71%，较对照组分别提高了294.0%和240.7%。由图12(b) 可知，随着镀铜钢纤维掺量增加，镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的应力灵敏度大体呈现增长趋势。未掺入镀铜钢纤维的普通废弃陶瓷超高性能混凝土在极限抗压荷载下的应力灵敏度仅0.112%/MPa，而2.0vol%和2.5vol%镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的应力灵敏度较高，分别为0.360%/MPa 和0.322%/MPa，较对照组分别提高了221.4%和187.5%。由图12(c)可知，镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土在极限抗压荷载下的应变灵敏度变化规律与应力灵敏度的变化规律相似，均随着镀铜钢纤维掺量的增大而呈现波动式增长。未掺入镀铜钢纤维的普通废弃陶瓷超高性能混凝土在峰值应力下的应变灵敏度为64.09，而掺入2.0vol%和2.5vol%镀铜钢纤维时的废弃陶瓷超高性能混凝土的应变灵敏度较高，分别达到了137.04 和116.09，较对照组分别增长了113.8%和84.3%。

图11 0.0vol%～2.5vol%镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土在抗压极限荷载时应力/应变和Δρ 之间的关系Fig.11 Relationship between the stress/strain and Δρ of 0.0vol%-2.5vol% copper-plated steel fiber reinforced ultra high performance concrete with ceramic waste powder under compressive load

图12 0.0vol%～2.5vol%镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土在抗压极限荷载时的Δρ、SE 和SAFig.12 Δρ, SE and SA of 0.0vol%-2.5vol% copper-plated steel fiber reinforced ultra high performance concrete with ceramic waste powder under compressive load

上述试验结果表明镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的压敏性能与不同荷载工况相关。因此，本文将不同镀铜钢纤维掺量(0.0vol%、0.5vol%、1.0vol%、1.5vol%、2.0vol% 和2.5vol%)在抗折破坏和抗压破坏两种工况下的压敏性能进行对比。以电阻率变化率、应力和应变灵敏度3个指标，通过雷达图综合分析了不同工况对镀铜钢纤维掺量增强废弃陶瓷粉超高性能混凝土自感知性能的影响，结果如图13 所示。图13(a)中封闭区域面积越大，表明该因素对压敏性的影响程度越大。由图13(b)可知，与抗压破坏工况相比，抗折破坏工况影响废弃陶瓷粉超高性能混凝土的压敏性能更优。镀铜钢纤维掺量为2.5vol% 时，在抗折破坏工况的条件下，废弃陶瓷超高性能混凝土的压敏性能最优。

图13 不同破坏荷载对废弃陶瓷粉超高性能混凝土压敏性能的影响Fig.13 Effect of different failure loads on poiezoresistivity properties of copper-plated steel fiber reinforced ultra high performance concrete with ceramic waste powder

2.4 镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的导电与压敏机制

文献[36]通过交流阻抗谱测试并拟合建立了特细钢微丝超高性能混凝土的等效电路图模型。由此等效电路图模型可知，特细钢微丝超高性能混凝土的电阻主要由纤维形成的网络和混凝土基体的电阻决定。据此，首先，通过镀铜钢纤维在废弃陶瓷超高性能混凝土内的分布情况和镀铜钢纤维间的平均间距讨论废弃陶瓷超高性能混凝土在不同镀铜钢纤维掺量时的导电机制；其次，分析废弃陶瓷粉对超高性能混凝土基体导电性的影响机制。

由图14 可知，随着镀铜钢纤维掺量的增加，超高混凝土基体中由镀铜钢纤维组成的网络逐步完善。且由纤维间距理论计算[32]可知(表3)，随着镀铜钢纤维掺量的增加，镀铜钢纤维间的平均间距逐渐减小，镀铜钢纤维相互搭接的几率不断增大，导电通路不断完善，电阻率不断减小[37]。另一方面，废弃陶瓷粉的电阻率为62.6 Ω·cm 低于水泥粉的电阻率120.0 Ω·cm，且废弃陶瓷粉具有火山灰活性且颗粒小，25%取代率的废弃陶瓷粉可使水化程度提高49.45%[23]，从而提高溶液中的离子浓度，如表4所示。可知，25%废弃陶瓷粉替代率净浆的主要离子(Ca2+、K+、Na+、Al3+、Si4+等)的总浓度为278.03 μg/mL，相比于纯水泥净浆主要离子的总浓度提升了14.4%。由表5 可知，25%废弃陶瓷粉替代率的水泥净浆在全烘干状态下的直流电阻率、交流电阻率和孔溶液电阻率均低于纯水泥净浆材料的电阻率，分别降低了66.3%、79.1%和9.5%。因此，采用废弃陶瓷粉替代25% 的水泥，可提高超高性能混凝土的导电性能。

图14 镀铜钢纤维在废弃陶瓷超高性能混凝土内的分布情况(线和点为镀铜钢纤维；圆圈为镀铜钢纤维搭接)Fig.14 Distribution of copper-coated steel fibers in ultra high performance concrete with ceramic waste powder(Dots and dashes represent copper-coated steel fiber;Circle represents the connection of copper-coated steel fibers)

表3 镀铜钢纤维间的平均间距Table 3 Average distances of copper-plated steel fibers

表4 纯水泥和25%废弃陶瓷粉替代率水泥净浆的孔溶液离子浓度Table 4 Pore solution ion contents of pure cement paste and cement paste with 25% ceramic waste powder

表5 纯水泥和25%废弃陶瓷粉替代率水泥净浆在全烘干状态下的电阻率和孔溶液电阻率Table 5 Resistivity and pore solution resistivity of pure cement paste and cement paste with 25% ceramic waste powder in full drying condition

而镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土在不同破坏荷载下的压敏机制如下。镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的压敏性取决于荷载下镀铜钢纤维形成的导电网络和基体电阻率的变化程度。在废弃陶瓷超高性能混凝土受到持续变化的抗折/抗压荷载作用时，由于镀铜钢纤维间距不断变化，导电网络持续变化，则电阻率同步变化；且由于废弃陶瓷粉的掺入，超高性能混凝土基体和孔溶液导电能力提升，电阻率因裂纹产生和体积变化而发生改变。因此，基于镀铜钢纤维与废弃陶瓷粉的协同作用，超高性能混凝土展现出良好的压敏性。此外，废弃陶瓷粉有促进水化作用、火山灰效应和内养护作用[38-39]，不仅可提高超高性能混凝土基体强度，而且可提高镀铜钢纤维与基体的粘结性，从而协同镀铜钢纤维提高超高性能混凝土强度和韧性[23,30]，拓宽超高性能混凝土的应力/应变监测范围。

2.5 镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土在抗折/抗压破坏荷载下的力-电本构模型

不同掺量的镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土从抗折荷载加载到破坏过程中的电阻率变化率与抗折极限应力/应变曲线的试验数据和拟合曲线如图15 所示。可知，镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的电阻率变化率与抗折极限应力/应变之间基本遵从三次多项式函数关系，只有当镀铜钢纤维掺量为2.50vol%时电阻率变化率与抗折极限应力/应变之间遵从指数函数关系，其函数如图15(k)和图15(l)所示。电阻率变化率与抗折极限应力/应变的拟合度R2在0.93 以上，最高达到了0.99。表明在固定掺量下，镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的力-电本构模型准确度较高。可见，利用镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的电阻率变化率可以准确地对其应力/应变监测。

图15 0.0vol%～2.5vol%镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土在抗折极限荷载下的电阻率变化率与应力/应变之间的函数关系Fig.15 Function relationship of Δρ and stress/strain of 0.0vol%-2.5vol% copper-plated steel fiber reinforced ultra high performance concrete with ceramic waste powder under ultimate flexural load

不同掺量的镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土从抗压荷载压缩到破坏过程中的电阻率变化率与抗压应力/应变曲线的试验数据和拟合曲线如图16 所示。可知，镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的电阻率变化率与抗压应力/应变之间均遵从三次多项式函数关系。且由图16 还可知，拟合参数因镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的最大应变的不同而不同。随着钢纤维掺量增加，镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的电阻率变化率与抗压极限应力之间的拟合度R2也增大，基本在0.92 以上。只有当钢纤维掺量为1.50vol%时，镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的电阻率变化率与抗压应力之间的拟合度R2较小，仅为0.82。而其他掺量的镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土的电阻率变化率与抗压应力/应变之间具有较吻合的函数关系，其拟合度R2最高达到0.99。可通过对电阻率变化率的测试，监测其应力/应变。

图16 0.0vol%～2.5vol%镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土在抗压极限荷载下的电阻率变化率与应力/应变之间的函数关系Fig.16 Function relationship of Δρ and stress/strain of 0.0vol%-2.5vol% copper-plated steel fiber reinforced ultra high performance concrete with ceramic waste powder under ultimate compressive load

3 结 论

基于镀铜钢纤维和废弃陶瓷粉的特性与协同作用制备并研究了超高性能混凝土的流动性能和电学性能，及在不同类型荷载(抗折破坏荷载和抗压破坏荷载) 下的压敏性能。主要结论如下：

(1) 随着镀铜钢纤维掺量增加，废弃陶瓷超高性能混凝土的扩展度逐渐降低。当镀铜钢纤维掺量为2.50vol%时，扩展度为455 mm，较对照组降低了24.2%。所有拌合物的扩展度都具有自流平特性。镀铜钢纤维导致扩展度降低主要是由于镀铜钢纤维可以吸附部分水且其球形度较低；

(2) 随着镀铜钢纤维掺量增加，废弃陶瓷超高性能混凝土的直流和交流电阻率均呈降低的趋势。2.00vol%镀铜钢纤维掺量对直流和交流电阻率的改善效果优于其余钢纤维掺量，其直流、交流电阻率分别降低了43.4%和96.7%；

(3) 镀铜钢纤维的掺入使废弃陶瓷超高性能混凝土在极限抗折/抗压破坏荷载下的电阻率变化率和应力/应变灵敏度均增大。2.50vol%钢纤维掺量的镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土在抗折极限荷载下具有最高的电阻率变化率和应力/应变灵敏度，分别达到了14.66%、0.744%/MPa 和740.40。2.00vol%钢纤维掺量的镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土在抗压极限荷载下的电阻率变化率和应力/应变灵敏度取得最大值，为34.36%、0.360%/MPa 和137.04；

(4) 通过雷达图分析可知，在抗折破坏荷载工况下，镀铜钢纤维增强废弃陶瓷粉超高性能混凝土压敏性能优于其在抗压破坏荷载工况。当镀铜钢纤维掺量为2.5vol%且荷载类型为抗折破坏时，废弃陶瓷粉超高性能混凝土的压敏性能最优；

(5) 静态下，随着掺量增加，镀铜钢纤维平均间距减少，相互搭接的几率不断增大，导电通路不断完善，超高性能混凝土的电阻率不断降低；而废弃陶瓷粉电阻率较水泥粉低，且具有火山灰活性和小粒径，可以促进水泥水化和提高溶液中的离子浓度，从而提高基体的导电性能。荷载下，镀铜钢纤维间距不断变化，导电网络持续变化，则电阻率同步变化；且超高性能混凝土基体和孔溶液电阻率因裂纹产生和体积变化而发生变化，因此，镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土表现出良好的压敏性能；

(6) 通过抗折和抗压极限荷载下的电阻率变化率和应力/应变进行函数关系拟合可知，镀铜钢纤维的废弃陶瓷超高性能混凝土在抗折和抗压极限荷载下的电阻率变化率和应力/应变曲线基本遵从三次多项式函数关系，且拟合度R2基本在0.92 以上，最高可达0.99。基于建立的力-电本构模型，可通过对镀铜钢纤维增强废弃陶瓷超高性能混凝土电阻率的测试实现其应力/应变状态的监测。