碳纖維粉改性水泥砂漿壓阻特性分析

李十泉， 陳奕帆， 郭煜豐， 王榮

(1.南京理工大學泰州科技學院， 泰州 225300； 2.江蘇大學土木工程與力學學院， 鎮江 212013)

現代混凝土結構正向高性能、多功能、智能化方向發展。在長期荷載、偶然作用、環境侵蝕等共同作用下，混凝土結構出現損傷積累，導致在役混凝土構件/結構的可靠性降低。智能水泥基復合材料的應用可實現工程結構的實時、原位自監測，對結構可靠性評估起到關鍵作用，已成為結構健康領域的研究熱點[1-5]。李進橋[6]研究了石墨混凝土電阻與應力關系，分析了試件電阻率與內部微裂紋之間的關系。侯作富等[7]介紹了導電混凝土除冰化學的原理，認為碳纖維是制備導電混凝土路面材料的理想摻料。周天舒等[5]研究了碳纖維、鍍銅鋼纖維等對混凝土壓阻的影響，發現摻入1.2%碳纖維與4%鍍銅鋼纖維時，壓阻響應顯著。

作為智能混凝土分支，具備自監測功能的水泥基復合材料逐步發展。其自監測功能對工程結構的無損檢測具有重要意義[8-10]。Farhad等[11]對碳纖維水泥基復合材料開展研究，并將其應用于人行道的無損檢測。Yehia等[12]將碳纖維絲添加到水泥凈漿中，降低了凈漿的接觸電阻和體積電阻，在監測混凝土結構的同時，對鋼筋形成陰極保護。趙若紅等[13]將鋼屑、鋼渣和鐵砂混合摻入砂漿中，得到環保導電砂漿，分析了其電阻率與加載電壓的變化規律。Hamza等[14]在水泥砂漿中添加碳纖維(carbon fiber，CF)，以降低其電阻率，分析了CF連接性、砂粒結構及其粒度分布的對砂漿自感知行為的影響。王燕鋒等[15]分析了碳納米管水泥砂漿的電導特性，提出了其壓阻效應的數學模型。周瓊等[16]對廢棄鋰電池中的石墨再生處理后，用于功能水泥制備，提升了其力學性能和壓敏性能，對鋰電池的回收利用提供了思路。

以上研究表明，智能水泥基復合材料的基體有混凝土、砂漿、凈漿，其導電相主要有碳纖維、石墨、鋼纖維、鋼渣、石墨、納米碳管、導電橡膠等。從強度、壓阻特性、成本等方面考慮，碳纖維改性材料，如短切碳纖維、碳/鋼混雜纖維具有明顯的優勢。目前，國內的碳纖維產能，仍處于不足狀態[17]，短時間內，難有大量的碳纖維產品直接應用于導電混凝土。但導電混凝土所需碳纖維可來源于：碳纖維產品加工的尾料二次加工；碳纖維產品回收[18]；中低端碳纖維原絲束直接加工。碳纖維具有耐酸、耐堿、耐侯性好的特點，相關產品的回收、處理及尾料二次利用，有利于解決碳纖維產品鏈的形成，降低碳纖維產品的環境壓力，構建循環經濟體系。

短切碳纖維切絲不易在基體中均勻分散，導致含量較高時，復合材料強度下降。研究表明,摻加硅粉有助于分散碳纖維，改善復合材料的導電性，同時在一定程度上提高強度[19-20]。現采用CF粉作為導電介質，以改善導電介質的均勻性，并摻入硅粉以提高其的強度。開展CF單摻，SiO2/CF復摻試件的壓阻測試，分析CF粉、硅粉摻量對復合材料的抗壓強度、應變-電阻率影響，進行了應變-電阻率擬合與分析，以期明確具備良好強度和壓阻特性試件的配合比。

1 實驗介紹

1.1 材料

P·O 42.5水泥，泰州海螺水泥有限責任公司生產；ISO標準砂，廈門艾思歐標準砂有限公司；CF粉，長徑比為10～20，滄州麗陽新材料有限公司；二氧化硅，天津致遠化工有限公司；XP-G消泡劑，用量為0.05%(稀釋10倍后使用)，天津偉合科技發展有限公司；聚羧酸減水劑用量為0.5%，蘇州弗克技術股份有限公司；電極銅網，安平縣富潤精密濾材有限公司；電阻應變片，浙江黃巖測試儀器廠，材料參數如表1所示。

表1 材料參數Table 1 Material parameters

1.2 配合比

水泥砂漿的基礎配合比為m(水)∶m(水泥)∶m(砂漿)= 1∶2.5∶6.8，其中m為質量。單摻CF粉時，取CF粉摻量為2%、4%、6%、8%(基于水泥與CF粉總質量)，以分析CF粉摻量對試件強度的影響。復摻時，結合文獻[20]和前期嘗試，在基礎配合比中增加4%硅粉(基于水泥與硅粉總質量)，另摻加CF粉，形成復摻試件，分析其導電性能。為便于表達，CF2表示CF粉摻量為2%；Si4/CF2表示硅粉摻量為4%，CF粉摻量為2%。

1.3 試件制作與測試

以單摻CF粉改性試件為例，介紹試件制備及加載前準備。按配合比稱取材料，CF粉與水泥加入JJ-5水泥膠砂攪拌機的攪拌鍋，充分攪拌1 min；加入水、消泡劑、減水劑，再次攪拌，自動加入標準砂；拌合物入標準膠砂模具(試件長40 mm，寬40 mm，高160 mm，插搗邊角，移至ZS-15振實臺振動1 min；試件抹面，布置電極，室內靜置24 h，脫模；放至SHYB-40B養護箱，養護條件參照ISO法，至齡期28 d后取出；用1010A干燥箱烘干[10，15]，烘干條件為105 ℃，12 h；測量電極間距、截面尺寸等；電極焊接導線，貼應變片，環氧膠表面密封處理。通過VC86E萬用表測電阻，DH3816N應變儀測應變，采樣頻率1 Hz，用萬能試驗機對試件加載(圖1)至破壞，位移控制0.2 mm/min。考因試件電阻數量級較大，導線及接觸電阻均忽略[6]，故用兩極法測電阻。

圖1 加載與測試系統Fig.1 Load and test system

2 結果與討論

2.1 試件強度

CF粉改性試件的抗壓強度如圖2所示。未摻CF粉時，試件抗壓強度為57.9 MPa。這說明所選基礎配合比較合理。隨CF粉摻量增加，抗壓強度呈降低趨勢，且降幅較大。這將降低傳其適用性。在提升試件導電性能的同時，必須關注其強度。

SiO2/CF試件的抗壓強度如圖2所示。當CF粉摻量為0時，增加4%硅粉相當在基礎配合比中增加骨料，試件抗壓強度為39.3 MPa，降幅達到32.1%。隨CF粉摻量增加，復摻試件抗壓強度先升后降。當CF粉摻量為4%時，試件強度最高，達52.4 MPa。其原因可能在于：在硅粉試件中，存在更多的骨料空隙，適量的CF粉可較好地填充骨料之間的空隙。但當CF粉過高后，其顆粒表面會吸附較多的水分，對水化過程造成較大影響，導致了試件的強度降低。

圖2 試件抗壓強度Fig.2 Compressive strength of specimens

2.2 應變-電阻率分析

傳感元件電阻率ρ可表示為

(1)

式(1)中：R為元件電阻；L為電極距離；S為試件橫截面面積，可表示為

S=ab

(2)

式(2)中：a、b分別為試件橫截面長度和寬度。

應變靈敏度k是傳感元件的重要指標。可將傳感元件的應變-電阻率的靈敏度定義為單位應變相應的電阻率，可表示為

(3)

式(3)中：ε為軸向應變。

2.2.1 CF粉改性試件應變-電阻率

CF粉改性試件應變-電阻率曲線如圖3所示，隨壓應變的增加，試件電阻率呈下降趨勢。從加載開始，CF粉改性試件的應變-電阻率曲線可分為三階段，依次為接觸、承載和破壞階段。

CF2表示CF粉摻量為2%；CF4表示CF粉摻量為4%； CF6表示CF粉摻量為6%圖3 CF粉試件的應變-電阻率分析Fig.3 Strain-resistivity of specimens mixed with CF powder

接觸階段是接觸區并非理想平面，試件內存在微孔隙，初始偏心距等因素導致。該階段的區間很小，均不超過50 με。若傳感元件內置于構件，與混凝土一同澆筑，則可有望消除該階段。

承載階段是傳感元件全截面受壓后的穩定工作階段。隨CF粉摻量增加，承載階段的范圍逐步變小。在承載階段取任一應變值分析發現，隨CF粉摻量的增加，試件電阻率先降后增，符合逾滲理論特征[21-23]。這意味著摻量4%接近其逾滲閾值。

在破壞階段，曲線出現明顯拐點。其主要原因是試件內部裂紋不再保持穩定，損傷累積，裂紋逐步發育，試件表明出現局部開裂、表層脫落等現象。

2.2.2 復摻試件應變-電阻率

復摻試件應變-電阻率曲線如圖4所示，試件電阻變化率均隨應變的增加呈下降趨勢。從加載開始，復摻試件應變-電阻率曲線也分為三階段，與CF改性試件一致。但其接觸階段的區間明顯增大；承載階段的區間明顯降低；破壞階段出現得更早。

與CF改性試件相比，復摻試件中硅粉的加入，使試件出現了更多的初始微裂紋。接觸階段的電阻率上升，就是內部微裂紋受壓閉合所致。在壓力作用下，待內部微裂紋完成閉合，后續加載作用下，試件整體產生變形，就形成了對應的承載階段。破壞階段的出現，意味著新裂紋的不斷出現，或者局部損傷、脫落。可見，應變-電阻率反映了試件內原有初始裂紋的閉合、整體變形、損傷累積、新裂紋的產生和擴展破壞等過程。

在復摻試件的承載階段，取任一應變值分析，隨CF粉增加，試件電阻率先降后增，也符合逾滲理論特征。這意味著4%接近于CF粉摻量逾滲閾值。

2.2.3 應變-電阻率擬合分析

各組試件的承載階段曲線的擬合式及參數、應變靈敏度等如表2所示。CF摻量接近逾滲閾值時，試件的應變靈敏度迅速降低。相應擬合線如圖3、圖4所示。在單摻、復摻試件中，隨CF粉摻量的增加，且承載階段的區間范圍逐步變小，擬合式由線性關系，逐步發展為指數關系。CF粉改性試件承載階段擬合式的相關性均達98.39%。復摻試件承載階段擬合式的相關性均達98.33%。

圖4 復摻試件應變-電阻率分析Fig.4 Strain-resistivity of specimens mixed with silica and CF powder

表2 試件承載階段應變-電阻率曲線的擬合Table 2 Fitting of the strain-resistivity curve of the specimen during the load-bearing stage

3 結論

對CF粉、SiO2粉改性水泥砂漿試件開展了壓阻測試及分析，得出以下結論。

(1)單摻試件的強度隨CF摻量的增加而降低；復摻試件的強度隨CF摻量的增加而先上升后降低，在CF摻量為4%時，復摻試件的抗壓強度為52.4 MPa，適用性更廣。

(2)試件電阻率隨壓應變的增加而下降；應力-電阻率曲線可分為接觸、承載和破壞三個階段，各階段的區間隨CF摻量發生變化；隨CF摻量的增加，試件的電阻率均出現先降后升的現象，4%最接近CF粉摻量的逾滲閾值。

(3)CF摻量2%、4%時，單摻與復摻試件承載階段的應力-電阻率呈線性關系。CF摻量為2%時，單摻、復摻試件線性相關系數分別為99.92%和99.45%；CF摻量為4%時，單摻、復摻試件線性相關系數分別為98.39%和98.33%。試件摻CF2%時，其靈敏度最高，線性區間最大。

(4)CF摻量為6%時，承載階段分析表明：單摻、復摻試件應力-電阻率符合指數關系，但其承載階段的范圍明顯降低。這是CF粉團聚所致。