碳基-水泥基复合材料的压敏性研究

李淑青

(山西建筑职业技术学院,山西 太原 030006)

压敏水泥基材料是指电阻率变化率随应力、应变变化呈规律性变化的机敏材料,通过检测材料电阻率的变化可对其内部结构的应力、应变、损伤和温度的变化进行监测[1-2]。在分析应用时,可根据电阻率变化率-应力、电阻率变化率-应变的变化,实现多层次的工程应用研究:在路面材料中应用,可检测车辆载重,监测车辆是否超载或超速等;在路基材料中应用,可对路基内部的损伤情况进行检测;在传感器中应用,作为嵌入式压敏水泥基应力/应变传感元件,可实现较好的相容性。由于电阻率变化率-应力/应变检测具有无损和连续性的特性,使其可在重大土木基础设施的内部应力和健康状况自诊断和监测等方面发挥重要作用,在重大工程的长期安全监测等领域具有广阔的应用前景。

目前常用于制作机敏混凝土的导电材料分为碳类和金属类,按形态分为粉状和纤维状,碳类主要是碳纤维、石墨、炭黑等,金属类主要是镍粉、银粉、钢屑、钢纤维等。在普通水泥基材料中掺入导电材料,制作的复合材料可显著改善水泥基材料的导电性能,使其对应力、应变有很高的电阻敏感性。

目前国内外学者已经对水泥基材料的机敏性进行了大量的研究[3],本文在此基础上研究了碳基-水泥基复合材料的压敏性,分析了碳纤维、石墨以及纳米炭黑这三类碳基材料对水泥基材料压敏性的影响,为探索碳基-水泥基复合材料在实际工程中的应用提供依据。

1 碳纤维水泥基复合材料的压敏性

1.1 复合材料的力学及电学性能

在普通水泥基材料中加入碳纤维,可使材料的电阻值大大降低,当材料受压时,试样内部结构发生变化，导致电阻同时改变,使水泥基复合材料具有压敏性。刘汉[4]等对复合材料力电性能的进展进行了分析,表明碳纤维的存在有助于提升复合材料的层间剪切强度;当碳纤维的分散性更加均匀时,可以更好地提高材料的强度、韧性及其压敏性。在制备碳纤维水泥基复合材料时,碳纤维的体积掺量应达到其渗流阈值,但不宜超过太多,此时制备的材料具有良好的力电特性。

1.2 三向受压循环加载压敏性研究

大多学者已经对碳纤维水泥基复合材料单向受压时的压敏性进行了深入研究,而对三向受压试样压敏性的变化规律研究较少。研究碳纤维水泥基材料在同一试样上进行单向受压及三向受压的循环加载试验,对比电阻变化规律发现,试件电阻及压敏性在三向受压与单向受压的规律基本相同,而由于三向受压产生的套箍作用,使得试样作用力更大,因此电阻率变化率的变化更加明显,稳定性更强[5]。

1.3 复合材料压敏性的灵敏度与含水量的相关性

试样在压缩过程中的电阻率变化规律,与试样的含水率有很大关系,王玉林[6-7]等通过对烘干与未烘干两种试样的压敏性对比,提出了灵敏度的概念。当采用阶梯循环加卸载方式在不同应力下对试样的压敏性变化进行试验,发现原始复合材料呈现正压敏特性,而试样经烘干会呈现出负压敏特性,但其灵敏度均随应力的增大而减小。同时,研究材料压敏性的灵敏度随压应力增加的衰减速度,发现材料烘干后的衰减速度慢于未经烘干的材料,可以使用隧穿效应和电容效应很好地揭示此现象产生的机理。

2 石墨水泥基复合材料的压敏性

2.1 石墨掺量对复合材料的影响

碳纤维水泥基材料虽然有很多优点,但是其成本相对较高,粉状石墨具有成本较低的优势,且分散性较好,能有效解决碳纤维材料分散工艺复杂的难题。当石墨掺量很低,即石墨占水泥质量比的1%—3%时,由于绝对电阻率较高,可采用交流分压电路对试样进行测试;当石墨掺量增大时,试样的强度降低,压敏性提高,同时在加载过程中电阻率波动性变小[8];当石墨掺量从5%增加到10%时,电阻率下降最为明显;而掺量从10%升至15%的阶段,电阻率下降趋于缓和;从15%升到20%时,其变化极小。研究发现,石墨导电混凝土电阻率的渗流阈值区间为10%—15%[9]。

2.2 防水材料对石墨水泥基复合材料的影响

多位学者研究了石墨水泥基复合材料的压敏性,并从养护龄期和应力方面考虑了压敏性的变化规律,但在复合材料中添加防水材料的研究较少。范晓明[10]等研究了在石墨水泥基复合材料中添加渗透结晶防水材料,其中石墨掺量(占水泥质量分数)从0增加到50%,每种配比增加10%。研究表明,在石墨掺量从0加大至20%的过程中,试样电阻率持续快速降低;此后电阻率降低幅度减小,说明此类试样的渗流阈值在20%左右。在压缩过程中,较低石墨掺量的试样压应变低于石墨掺量较高的情况,这是因为较大的石墨掺量会导致试样的力学性能降低。

3 纳米炭黑水泥基复合材料的压敏性

3.1 低炭黑掺量对复合材料的影响

纳米炭黑具有良好的导电性,具有尺寸小比表面积大、亲水性好等众多优点,而适当掺量的纳米炭黑可显著提高水泥基材料的力学性能。龙曦[11]等研究了炭黑掺量(占水泥质量分数)为0—3%的试样压敏性,发现当炭黑掺量为0.3%时电阻较大,没有压敏现象的产生;炭黑掺量为0.8%时,压敏性较好;炭黑掺量为2.5%时,压敏性较0.8%时有所降低,在循环加载实验中,试样卸载后的电阻高于压缩前的电阻值;当炭黑掺量在0.6%—1.5%时,电阻率减小较快,表现出明显的渗流特性,故此区间为炭黑复合材料的渗流区间。

3.2 高炭黑掺量对复合材料的影响

由于炭黑属于导电介质,在较低掺量时,其水泥基复合材料即可体现出一定的压敏性;对于较大的炭黑掺量,其压敏性同样值得考虑。韩宝国[12]等采用埋入式环状电极的四电极法测试试样电阻,表明压敏性受到测试电流和试样偏压的影响较小。对乙炔炭黑(体积掺量)达到15%的水泥基材料进行压敏性测试,并在测试时使用一次加载至破坏的测试手段。结果显示,试样在弹性阶段电阻率变化率达到35%,而加载直至破坏这一过程中变化率最高达55%。

4 结语

由于压敏性检测具有无损和连续性的特性,通过检测材料的压敏性,可实现多层次的工程应用研究,使其在重大土木基础设施的内部应力和健康状况自诊断和监测等方面发挥重要作用,同时在重大工程的长期安全监测等领域具有广阔的应用前景。本文研究了碳基-水泥基复合材料的压敏性,分析了碳纤维、石墨以及纳米炭黑这三类碳基材料对水泥基材料压敏性的影响,为探索碳基-水泥基复合材料在实际工程中的应用提供依据。