碳纤维RPC力电性能综述

温曲星 王丽霞 张云龙

（1.吉林建筑大学，吉林 长春 130118；2.吉林建筑大学 交通科学与工程学院，吉林 长春 130118）

0 引言

混凝土是当代工程领域应用最广泛的原材料，优点是能够就地取材，资源储备量大，价格低廉，可塑性好，并且由于温度线膨胀系数相近所以能与钢构件结合使用并且整体性好。混凝土是现代工程领域中使用最广泛的原材料，它具有储量大，成本低和可塑性极佳的优点，因此，它被广泛用于世界各地的桥梁、公路、隧道、港口和工业和私人建筑，但其强度低限制了其进一步发展。

然而，其低强度限制了其进一步的发展。面对日益严重的交通环境以及建筑业的迅速发展，人们对更高强度和耐久性的材料的需求已经提到日程上来。而活性粉末混凝土因其良好的力学性能和耐久性受到国内外学者的广泛关注。活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简称RPC)是继高强混凝土、高性能混凝土之后，于1994 年开发出的水泥基复合材料[1]。RPC 的基本设计思路是通过加入硅灰提高材料组分的细度和活性，剔除粗骨料以提高基体匀质性及减少材料内部的缺陷，加入高效减水剂提高流动性，以获得超高强度和高耐久性，进行适当的养护以进一步提高早期强度，RPC 由于其优异的力学性能和耐久性能在工程应用中将越来越受到重视

在RPC 中加入碳纤维可形成高性能纤维混凝土。与普通碳纤维混凝土相比较，碳纤维RPC 不仅可以大幅提高混凝土的整体强度和韧性，还可以有效阻止裂缝的发展，防止混凝土结构损伤的进一步发展和积累，从而大大提高了混凝土的抗变形能力和耐久性。而且RPC 组成成分的硅灰和矿粉也可以提高碳纤维的分散，这对混凝土的导电性和压敏性[2]具有很大的影响。本文主要对碳纤维RPC 的力学性能、电学性能及压敏特性的研究现状进行归纳总结。

1 国内外研究现状

日本的Norio Muto 等在1992 年最早提出了“自诊断机敏混凝土”概念。这种混凝土集功能与结构为一体，使混凝土具有在通过自身的物性变化来反应外界环境对自身作用的能力[3]。20 世纪90 年代初，各国学者仅对碳纤维混凝土的力学性能进行了大量研究，研究表明：与普通混凝土相比，CFRC 具有更好的抗压、抗拉性能以及更高的延性、抗冲击和抗冻融性能，同时其耐腐蚀性也大大提高。在此之后，国内外学者对碳纤维增强混凝土的压敏性、导电性、温敏性及电磁屏蔽的性能进行研究，同时对CFRC 材料的配合比、工艺和机理等方面进行了探讨，并取得了重大突破。实验结果表明CFRC 具有感知应变、损伤、温度以及电场等功能。可以制成具有实时感知性能的传感器，有望代替传统的传感器，实现对大型土木工程结构的在线健康检测。美国D.D.L.Chung 教授及其课题组首先发现了碳纤维的掺入可以使混凝土的电阻随材料的变形而改变，并把这种试验现象称为压敏性。研究表明[4]，在循环压缩加载时，碳纤维水泥砂浆的电阻率随着应力（应变）增大而减小，随着应力（应变）减小而增大。其中对拉应变的灵敏系数可达到700，是一般箔式电阻应变计的300 多倍，这为自感知水泥基复合材料的广泛应用奠定了基础。

我国对于纤维混凝土的研究起步相对较晚，但是发展速度很快，并在我国学者的不懈努力下取得了丰厚的研究成果。李卓球[5]带领的课题组在国内较早开展了碳纤维机敏混凝土的研究，发现弹性范围内碳纤维混凝土的电阻是可逆的，而在弹塑性范围外或开裂后，其电阻是不可逆的，因此根据碳纤维混凝土的电阻变化规律就可以预测其自身的损伤状况。李源[8]研究了CFRC在短柱中的应用，研究了CFRC 传感器及短柱的制作工艺，研究了在单调荷载作用下，CFRC 智能块的相对电阻随荷载、应变、位移的变化关系。并利用数学方法总结出应力（应变）与电阻之间的关系公式，为碳纤维混凝土结构的推广和应用提供了必要的理论依据。

2 碳纤维RPC 力学性能

1、抗拉强度：碳纤维对RPC 抗拉强度提高作用十分明显。碳纤维的掺入可以分散基体内毛细管的收缩应力，能有减少应力集中的现象，并且在RPC中碳纤维可以起到减缓裂缝开裂的作用。在外部施加荷载作用时，由于碳纤维的加入，使RPC 的横向受力出现约束，从而延缓基体破坏。因此，碳纤维对于RPC 的抗拉性能的提升尤为显著。试验表明[7]，碳纤维的掺入对混凝土抗拉强度有很大的提高，并且在一定范围内，抗拉强度与碳纤维含量呈现良好的线性增长关系。

2、抗折强度：碳纤维对RPC 的抗折强度的提高起着非常大的作用。由于碳纤维的弹性模量远大于RPC，在RPC 中起到桥接裂缝的作用，在RPC出现裂缝后碳纤维可限制其宏观裂缝的扩展，从而大大提高了试件的承载能力。试验表明[7]：碳纤维RPC 的抗折强度基本上是随着碳纤维掺量的增加而增大，呈现出递增趋势并在碳纤维掺量为2%时达到最大。

3、抗压强度：柯开展研究了碳纤维RPC 在不同养护制度和纤维掺量下的棱柱体抗压强度，结果表明：掺入碳纤维对RPC 抗压强度的增强作用是明显的，且有显著的增韧和阻止微裂缝开展的作用，但对最终的破坏形态贡献不大。这是因为当掺量未达到结团界限时，碳纤维在RPC 中充分发挥阻裂效应，阻碍了RPC 的横向扩展，这在一定程度上提高了RPC 的抗压强度。但当碳纤维掺量大于临界值时，混凝土基体内部碳纤维会出现严重的结团现象，会导致内部缺陷增加，抗压强度有所降低。

3 碳纤维RPC 电学性能

碳纤维不仅对混凝土的力学性能有很大提升，而且还可以利用其导电性在电磁干扰屏蔽和冬季路面融雪等方面发挥重大作用。Faneca 等[8]将不同长度的碳纤维掺入到混凝土中，发现制得的试块具有较好的导电性和力学性能。这是由于未掺碳纤维的素RPC 是不良导体，在内部主要靠离子进行导电，这使得RPC 的电阻很大，而碳纤维具有优异的导电性，在RPC 基体中相互搭接构成导电网络，这使RPC 得电阻发生断点式下降。

4 碳纤维RPC 压敏性能

碳纤维RPC 压敏性能表现在受到外界荷载作用时，材料的电信号（电阻、电压、电流等）随着外荷载的改变而做出相应的响应变化，这种现象被称为压敏特性。与力学参数（应力、应变等）相比，电信号更容易被采集和测量，因此通过检测电信号可以实时记录材料受到的应力、应变情况。李源[8]研究了碳纤维掺量为0.3%、0.5%、0.9%时对混凝土电学性能及力学性能的影响，研究表明：CFRC 的相对电阻随受压荷载的增加而减小，在碳纤维掺量达到0.5%时，CFRC 的压敏性较明显，压敏性效果最好，且在掺量为0.5%时，对混凝土的抗压强度提升最大；同时随着碳纤维含量的增加，CFRC 的劈裂强度也随之增大。陆见广[9]研究碳纤维掺量依次为0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%时对电阻率的影响及碳纤维掺量为0.6%时的压敏性，结果表明：碳纤维水泥净浆试块的上临界值为0%-0.2%，下临界值为0.6%，试验获得最佳灵敏度的碳纤维最佳掺量为0.6%。这是因为隧道效应是碳纤维RPC 发生压敏性的直接原因。在外荷载作用下，相邻碳纤维之间的间隔减小，这使得电子发生跃迁的可能性增加，因此导致RPC 的电阻率降低。实验证明，纤维掺量对碳纤维RPC 的压敏性影响很大。当纤维掺量过少时，相邻纤维之间的间隔很大，电子仍然难以克服势垒，无法形成隧道效应，因此压敏性不好；当纤维掺量过多时，纤维之间已经搭接成导电网络，隧道效应很弱，压敏性同样不理想。因此，需要合适的碳纤维掺量，使得纤维在基体中均匀分散，纤维之间的距离适中，在外荷载作用下既可发生隧道效应，又不会使纤维之间连接成通路，此时才能获得最佳的压敏性。

5 结束语

碳纤维RPC 在实际工程中的应用有很大的优势，其强度高、耐久性强，可满足实际项目工程中的各种使用需求，尤其是在桥梁方面的建设中，对桥梁耐久性的提高起到了积极的促进作用。现阶段碳纤维RPC 的研究仍然是一个新兴领域，目前在力学性能方面的研究，对碳纤维能提高RPC 力学性能和耐久性，显著增强RPC 的抗裂性能和韧性已基本达成共识。同时，碳纤维RPC 还具备极强的使用寿命，这将会大大减少工程结束后的维修养护成本。