石墨烯混凝土正交于受力方向的力—電效應(yīng)

陳錦毅 劉雪揚(yáng) 田雨婷

(江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212001)

0 引言

在21世紀(jì)初，Chung在混凝土中加入碳纖維，發(fā)現(xiàn)能使混凝土擁有一定的壓敏性，成為一個可以探測變形的智能混凝土[1]。基于智能混凝土的壓敏性，工程師們可以通過測試混凝土所處的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的在線監(jiān)測[2]。

石墨烯是一種碳原子單層排列的蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)[3,4]。石墨烯可作為一種介質(zhì)加入到混凝土中使其成為智能混凝土。Saafi等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)向石墨烯混凝土施加壓力荷載時，其沿壓力作用方向的電阻率會隨壓力的增加而逐漸降低，但是當(dāng)向試件施加拉力時，其沿拉力方向的電阻率就會隨拉力的增加而逐漸增加[6]。

目前，關(guān)于石墨烯混凝土的研究一般都聚焦于探究沿受力方向的力—電效應(yīng)。但在實際工程中，混凝土試件的裂縫是從某個破壞點(diǎn)開始，在發(fā)展中不一定沿受力方向，或者會產(chǎn)生分岔，形成側(cè)向的破裂體，影響建筑整體的使用。而且，直流四電極法能將電流控制在較小范圍內(nèi)，可有效地消除極化以及接觸電阻、引線電阻等對電壓測定的影響，提高測試精度。因此，我們將使用直流源四電極法對石墨烯混凝土正交于受力方向上的力—電效應(yīng)進(jìn)行探究，為日后石墨烯混凝土的應(yīng)用和探究提供一些參考。

1 實驗概況

1.1 實驗材料水泥

P.O42.5普通硅酸鹽水泥(江蘇鶴林水泥有限公司生產(chǎn)，性能符合GB 175—2007通用硅酸鹽水泥的技術(shù)要求)。細(xì)骨料：標(biāo)準(zhǔn)砂(廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司)、粗骨料(粒徑6 mm)。表面活性材料：高效聚羧酸液態(tài)減水劑(聚羧酸母液，河南海洋進(jìn)出口貿(mào)易有限公司)。并采用網(wǎng)眼為10目的銅網(wǎng)作為電極。

石墨烯：使用南京吉倉納米科技有限公司生產(chǎn)的石墨烯，規(guī)格為jcpg-99-1-105。參數(shù)如表1所示。使用超聲波將石墨烯打散，并添加表面活性劑來穩(wěn)定石墨烯納米顆粒，以防止它們再次團(tuán)聚。

表1 試驗采用石墨烯的參數(shù)

在熱場發(fā)射掃描電鏡(日本電子株式會社JSM-7001F)下對石墨烯的形貌進(jìn)行觀察。在錫箔紙上滴取石墨烯懸濁液，待水分蒸干后，錫箔的表面就將會保留有一層石墨烯薄膜。將此錫箔置于掃描電鏡腔室中進(jìn)行觀察，得到如圖1所示的形貌圖。

表2 配合比g

混凝土設(shè)計強(qiáng)度為C30。配合比見表2。改變石墨烯的摻量以探究不同配合比下的石墨烯混凝土的力—電效應(yīng)。

1.2 試件制作

石墨烯懸濁液的制備可以參見文獻(xiàn)[7]。在試驗中，先把水以及聚羧酸減水劑混合，待其充分混合后，再將石墨烯加入到燒杯中，然后將燒杯置入超聲波儀器中進(jìn)行分散，同時用玻璃棒來攪拌，以加速石墨烯在減水劑溶液中的分散。超聲處理的時間約為30 min。之后按照配合比秤取粗骨料、細(xì)骨料以及水泥并置于行星式攪拌機(jī)中，同時加入石墨烯懸濁液，攪拌的時間約為15 min；將混凝土倒入模具中，并固定好電極網(wǎng)片的位置坐標(biāo)，然后置于振動臺上對混凝土進(jìn)行振搗。將振搗后的試件置于混凝土養(yǎng)護(hù)箱(溫度為20 ℃±0.5 ℃，濕度為95%)養(yǎng)護(hù)48 h后脫模，脫模后繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。由于智能混凝土的壓敏性能的測試需要采用絕干狀態(tài)的試件，因而在進(jìn)行智能性試驗之前，需對混凝土進(jìn)行烘干處理，置于烘箱中在105 ℃±2 ℃中烘干48 h，取出后置于干燥皿中冷卻至室溫，為防止在試驗過程中試件長時間暴露在空氣中吸收水分影響試驗精度，故在試件表面均勻地涂抹上一層環(huán)氧樹脂薄膜來隔絕空氣中水分的進(jìn)入。

1.3 試驗方法

測試試驗在10T電子萬能試驗機(jī)(濟(jì)南恒瑞金微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)WDW-100M)上進(jìn)行。測試裝置如圖2所示。

在智能性能測試試驗正式開始前，需要對試件進(jìn)行預(yù)加載，施加的荷載為35 kN(為極限載荷的60%)，以此來壓實試件中的初始孔洞。然后，在單軸方向上施加鋸齒狀循環(huán)荷載3次，加載荷載大小為20 kN(極限荷載的40%)。試驗機(jī)提供2 kN～20 kN的循環(huán)荷載，在2 kN和20 kN位置各保持荷載5 s，加載速率為0.1 kN/s。在上一步試驗的基礎(chǔ)上，對試件再進(jìn)行壓力損傷試驗，即應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€的測試，同時測試其壓敏性能響應(yīng)。

根據(jù)設(shè)計強(qiáng)度，預(yù)估荷載最大值為50 kN。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗標(biāo)準(zhǔn)》[8]，確定加載的制度如下：試驗采用分級加載的方法，第一級的加載速度為0.1 kN/s，加載范圍為0 kN～30 kN；當(dāng)荷載值大于30 kN時，就采用第二級加載，采用位移控制，加載的速度為0.000 3 mm/s，直至試件最終破壞。試驗中試件兩端墊置塑料薄膜，隔開試驗機(jī)與試件，防止對測量電阻產(chǎn)生影響。

加載的過程中采用FLUKE F15B+數(shù)字萬能表采集智能混凝土試件的電壓，采集的方式為直流四電極法，即將電阻儀兩個采集端與智能混凝土中部兩個電極分別相連，再利用直流穩(wěn)壓電源(國睿安泰信APS3005D)分別與外部兩個電極片相連。裝置如圖3所示。同時調(diào)節(jié)直流源，使通過試件的電流保持在0.01 A。然后，通過對比分析石墨烯智能混凝土的電阻變化規(guī)律以及該方向上應(yīng)變的變化規(guī)律，歸納它的壓敏性能特征。加載開始前30 s開始采集電阻值和應(yīng)變值，加載結(jié)束后再持續(xù)采集30 s，以考察其穩(wěn)定性。

2 實驗結(jié)果及分析

1)試件的初始電阻率為1 346 Ω·cm，在施加軸向載荷之后，電阻率呈現(xiàn)減小的趨勢，減小至1 325 Ω·cm，但此時的應(yīng)力已經(jīng)過了峰值點(diǎn)6 MPa；一個循環(huán)之后，當(dāng)混凝土電阻再一次達(dá)到極小值時，電阻率為1 325 Ω·cm；在后續(xù)的循環(huán)中，極小值都進(jìn)一步增大。

在循環(huán)荷載的作用下，混凝土的電阻也呈現(xiàn)循環(huán)變化，在應(yīng)力達(dá)到最大即6 MPa的時候，混凝土的電阻并未達(dá)到最小，這中間表現(xiàn)出的滯后現(xiàn)象與文獻(xiàn)[9]報道的一樣。此外，隨著循環(huán)荷載的不停增加，混凝土的電阻表現(xiàn)出零漂現(xiàn)象，這與文獻(xiàn)[10]報道的一樣。圖4為應(yīng)力—電阻曲線。

2)正交于受力方向的電阻和應(yīng)變?nèi)鐖D5所示，首先可以看出，正交于受壓方向的應(yīng)變與電阻率的變化趨勢基本一致，根據(jù)Sedaghat等人的實驗結(jié)論[7]，可以判定正交于受壓方向的應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變。圖5中最大的應(yīng)變值為12 με。當(dāng)壓應(yīng)力從0 MPa增加到6 MPa時，正交于受力方向的拉應(yīng)變從0 με增加到12 με，電阻值從13.46 kΩ下降到13.25 kΩ，變化率1.56%。

3 結(jié)語

1)在混凝土中添加石墨烯等材料，形成智能混凝土，在彈性階段時具有良好的壓敏性能。以相應(yīng)的力—電變化為基礎(chǔ)，在智能混凝土中加入導(dǎo)電材料，可以在大型建筑中進(jìn)行損傷監(jiān)測。

2)正交于受壓方向上的應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變，而且電阻隨外加壓力的增加而減小，與試件應(yīng)變趨勢基本一致。