基于石墨烯智能再生混凝土的損傷識別研究

李梅萍 伍明霞

【摘 要】為了研究石墨烯智能再生混凝土的損傷識別問題，本研究擬采用石墨烯智能混凝土作為再生混凝土損傷演化識別的基本元件。用智能混凝土導電性，結合CT掃描技術，形成的導電層析成像（Electrical Resistance Tomography，簡稱ERT）技術則能實現定量和定位的損傷識別[1，2]，運用CT圖像處理方法，提取試樣變形破壞的基于CT圖像有關的定量信息。實驗結果表明：對石墨烯混凝土ERT成像研究發現，伴隨石墨的摻量越高，試件的損傷速度越慢。

【關鍵詞】石墨烯智能再生混凝土；CT掃描技術；CT圖像損傷識別；損傷演化規律

石墨烯智能混凝土其在耐久性、經濟型、強度、受力性能等方面相對于普通的混凝土有著很大的改善，并且外加劑以及微集料的加入，使得混凝土的力學性能、耐久性等性質得到很好的提升，可以更好的運用到實際的工程之中去.目前，石墨烯智能混凝土在全球已經得到了的應用。因此，對于石墨烯智能混凝土研究也應該跟上應用的步伐。石墨烯的引入在復合材料的機械性能、電學性能、熱學性能等方面的改善顯示出巨大的潛力與應用前景，在混凝土中摻加導電填料可以構成智能混凝土，能表征混凝土的應變變化和損傷變化[3]，結合混凝土CT試驗得到的CT圖像可以清晰地看到混凝土內部構造，比如骨料、砂漿、孔洞[4]等，利用混凝土CT圖像提取出裂紋的演化過程對研究混凝土內部裂紋的發展過程有著重要的作用。因此，把混凝土CT試驗和損傷力學理論相結合來研究混凝土細觀尺度下的破壞機理，對于工程設計和整治都有一定的好處，同時可以對損傷及時采取措施，避免意外事故的發生。

一、實驗概況

（一）實驗材料

水泥：采用南京水泥：采用南京某水泥廠生產的 52.5 硅酸鹽水泥，其成分如表1所示，性能符合 GB 175—20《通用硅酸鹽水泥》的技術要求；砂子：普通烘干河砂，取粒徑小于 0.3mm 的特細砂， 以提高所制備的智能混凝土的均勻性；表面活性材料：聚羧酸減水劑。石墨烯采用常州某廠生產的石墨烯 （編號為SE1231），根據出廠報告 ，一些基本性能參數如表 2所示。 為了將石墨烯納米顆粒分散到水中，需用超聲波打散， 并添加表面活性劑穩定石墨烯納米顆粒，防止它們再次團聚。

（二）配合比設計

摻加石墨烯的水泥砂漿配合比為： 水泥∶砂子∶水∶石 墨 烯∶減 水 劑=205.4∶616.3∶148.3∶13.1∶7.0， 其中，石墨烯相對于水泥的重量百分比為 6.4%。 本文智能混凝土中未摻加粗骨料是為了減少粗骨料對均勻性和靈敏度的影響。 另外，為了表征該石墨烯水泥砂漿的工作性能， 由于試驗材料量非常少，利用小型坍落度對其進行測試，坍落度桶尺寸：上口徑 30mm，下口徑 50mm，高度 65mm，測試得該砂漿坍落度為 13mm， 說明該智能混凝土具有足夠的流動性，方便澆筑成需要的形狀[5]。

（三）試件制備

采用尺寸為20cm高，半徑為50mm的圓柱形試件，預先置入銅絲制成的電極，然后澆筑上述智能砂漿。電極為直徑1mm的銅絲，在試件外圍均勻布置16銅電極。放入養護箱中養護28天。

（四）測試方法

電阻率成像（Electrical Resistance Tomography，ERT）技術作為一種無損檢測成像技術，是依據待測體內部不同物質有不同電阻率的特點，通過向基體內部輸入電流，提取邊界電壓，再經逆解反問題，獲取基體內部體電阻率分布，然后以圖像的形式顯示出來。在工業無損探傷方面，假如混凝土中有裂縫、鋼筋等電阻率不同的物質，根據電阻率分布從幾十到幾千歐姆，得到混凝土結構中的各部分電阻率，就可以得到鋼筋、混凝土、裂縫的分布圖。

電阻率成像系統平臺由 NI PXIe-8133 控制器、PXIe-1062Q 機箱、模擬開關、電壓源、壓控電流源和電壓采集模塊組成，集成度高、靈活性好和可擴展性強等特點，優化結構確保在高速采樣時也能保持高精度。

1.實驗結果

由實驗可知，電阻率不同，在CT的成像中形成不同顏色的區域，試件在養護過程中呈現的輕微裂紋在圖中以不同的顏色呈現出來，圖中灰度值較高，也即顏色較亮的區域為骨料，孔洞及裂隙的灰度值較小，介于骨料與孔隙之間的為水泥漿，不同斷面孔隙缺陷各異。

接下來研究不同導電填料摻量，采用電阻層析成像方法識別其損傷演化規律。

試件的配合比如表3：

2.實驗圖像

二、石墨烯智能再生混凝土損傷分析

1）.在前期研究中當石墨摻加量到達0.15%之后，試件基體內部導電網絡搭建完成，基體體電阻率維持穩定。

2）隨石墨烯摻加量提升，基體的體電阻率降低，電導率變大，石墨導電性能越好，在ERT圖像重建中，雜質高阻目標的相對位置越明顯，清晰度越高；但石墨烯摻量并非越高越好，石墨烯摻加量越大，強度下降越明顯，電極對的測量值出現飽和失真，成像清晰度不會進一步提升，有時甚至會產生成像虛化現象，降低成像質量。

3）試驗中，超過一定范圍后，石墨烯混凝土伴隨石墨烯摻加量的提升強度逐步下降，脆性也更加明顯，致使試件強度下降和裂紋出現。

4）損傷增長速度與石墨烯摻入量成反比，石墨烯是堅硬的納米材料，其六角形峰巢結構，使其具有較穩定的性能。

5）隨導電填料摻入量的增加，智能混凝土的電阻率逐漸下降；隨壓力作用的增加，沿壓力作用方向的電阻率逐漸減小，在受拉作用下，沿拉力作用方向的電阻率逐漸增加，當出現裂縫時，電阻率出現突然增加的趨勢

三、結論

本實驗通過ERT技術對石墨烯智能再生混凝土進行了微觀的損傷識別，通過對不同石墨摻量的混凝土的CT圖像得出石墨烯混凝土的損傷規律。材料的電阻隨壓力變化的規律性，表現出較好的壓敏性能，有著很好的“智能”潛力，石墨烯智能再生混凝土隨著應變的增長，石墨烯摻量越多，混凝土的受損程度增加的越慢。其主要原因可能是由于石墨烯的加入增強了再生混凝土的韌性，增強了其塑性變形能力，也意味著承受損傷的能力增強了。但由于材料比較昂貴，儀器沒有那么精確，實驗還需完善。

【參考文獻】

[1] 李杰. 隨機結構系統—分析與建模[M]. 科學出版社， 1996.

[2] 譚文勇. 受載損傷對混凝土動態性能的影響研究[D]. 研究生論文， 中南大學， 2014.

[3] B. Han， X. Yu， J. Ou. Effect of water content on the piezoresistivity of MWNT/cement composites [J]. Journal of materials science， 2010， 45： 3714-3719.

[4] 吳中偉， 廉慧珍. 高性能混凝土[M]. 中國鐵道出版社， 1999.

[5]吳文鑫. 石墨烯智能混凝土在正交和斜交于受力方向的壓敏響應[A]. 本科生論文，江蘇大學，2018