低掺量石墨水泥基材料的压敏特性

2011-03-15 12:38甘伟民陈鹏飞
北京航空航天大学学报 2011年5期
关键词:电阻率石墨特性

甘伟民 黄 新 陈鹏飞

(北京航空航天大学 交通科学与工程学院,北京 100191)

低掺量石墨水泥基材料的压敏特性

甘伟民 黄 新 陈鹏飞

(北京航空航天大学 交通科学与工程学院,北京 100191)

通过减水剂将少量石墨加入水泥基材料中制成石墨水泥基材料试样,采用交流分压电路测量其电阻率,研究其在一次性加载破坏试验中的压敏特性.试验结果表明,低掺量石墨粉作为导电组份加入水泥基材料后会导致其强度降低,但可以使水泥基材料具有一定程度的压敏特性.随着石墨掺量的增加,各组试样电阻率的离散性变小,材料的压敏特性提高,在加载过程电阻率的波动变小.在本试验的测量方法下得到的石墨水泥基材料的压敏特性曲线与混凝土材料的应力应变曲线有相关性,试样的电阻率随着应力的增大而产生变化的过程大体可分为3个阶段,即波动阶段、稳定下降阶段和急剧下降阶段,分别对应混凝土材料应力应变关系的弹性变化、非弹性变化和应变迅速增大阶段.

石墨;水泥;相对电阻率;压敏性

将传感器埋入建筑结构之中对其进行应力应变实时在线监测是掌握结构健康状况的有效方法.建筑结构的设计寿命长达百年,这就要求传感器不仅能够反应结构的应力应变状态,还要能够跟随建筑结构共同长期服役并保持稳定的性能.在众多形式的传感器中,机敏水泥基材料传感器由于其耐久性好、材料与母材相似、与结构协同工作能力强而倍受关注.目前针对机敏水泥基材料压力传感器的研究以碳纤维水泥基材料为主[1-4].碳纤维水泥基材料具有压敏特性[5],但同时其应用也受到一定条件的限制:譬如碳纤维成本较高、分散工艺较复杂等.粉状石墨成本较低,更容易分散于基材料之中.石墨水泥基材料也具有类似于碳纤维水泥基材料的压敏特性.有研究表明当石墨掺量达到50%(占水泥质量分数)时,材料的压敏特性明显[6].大量石墨的掺入要求将水泥基材料的砂率降低,增加水泥浆所占的比例,导致材料中水化产物增多,产生的化学收缩较大,并且在温度和湿度变化时会产生较大的温湿变形.作为压力传感器埋入结构后,其自身的变形会影响监测结果.低掺量石墨水泥基材料可以基本按照水泥胶砂的规范要求制备基材料,作为传感器材料其与载体材料的相容性好.材料压敏特性的测量主要是在不同应力应变水平下对材料的电阻率进行测量.低掺量的石墨组份虽然使水泥基材料的电阻率有所降低,但其绝对电阻率仍然较大,给测量带来一定的困难.使用目前较常用的伏安法测量其电阻率时为测得电路中的微小电流必须使用高精度的电流表,提高了对测量仪器的要求.本研究利用交流分压电路将电阻测量过程中对仪器的要求降低,对低掺量石墨水泥基材料试样(石墨掺量占水泥质量的1%和3%)的压敏特性进行试验研究.

1 试验

1.1 试样制备

试样制备所用原材料为:河北燕新建材有限公司生产的“钻牌”复合硅酸盐水泥(PC 325),厦门艾思欧标准砂有限公司出品的中国标准砂(符合GB/T 17671—1999),石墨粉(含量≥98.5%,SEM(Scanning Electron Microscope)照片见图1),上海麦斯特建材有限公司生产的侧链官能团共聚羧酸减水剂,自来水.水泥基材料的组份配比为砂率 2.5,水灰比 0.5.

图1 试验所用石墨粉SEM照片

用减水剂将石墨分散至水中,之后按GB 3350进行水泥胶砂的搅拌,试样制作过程中平行于试样相对的两个受压面预埋两支铜电极,分别距两面 5 mm,并留出引线.试样尺寸为5 cm ×5 cm ×5 cm,分为A,B,C,每组5个试样.其中,A为素水泥胶砂试样;B,C两组石墨掺量分别为1%和3%(占水泥质量分数).试样成型后24 h脱模,放入水泥胶砂标准养护箱养护28 d.

1.2 压敏特性测量方法

加载方向及电阻率测量方法见图2.

图2 加载及电阻率测量方法

测量电路中分压电阻为50Ω定值电阻,电源电压由杭州解放电子仪器厂生产的J1202-1型电源提供20V恒定50Hz交流电压.所用电压表为Agilent34401A 6位半数字万用表,用于测量分压电阻的电压.根据串联电路分压原理,待测试样的电阻率ρ可由式(1)算出.试样采用两电极的形式,因此测量出的电阻率是相对值[7-8].

式中,ρ为试样电阻率;U为电源电压;Rx为分压电阻的阻值;Ux为电压表测出的分压电阻的电压;S为试样的受压截面面积;L为两电极间距离.

加载在1000 kN压力机上进行,对试样施加静力荷载直至试样破坏,加载速率0.04MPa/s.以应力每增大0.8MPa为一级荷载,记录每级荷载下试样的电阻率.

试验中对3组试样,每组5个进行压敏特性测量,之后将每组中偏离均值最大的2个结果剔除,绘制出3组(每组3个试样)压敏特性曲线.

2 结果与讨论

3组试样的压敏特性曲线见图3.图中y轴为试样在不同荷载等级下的电阻率(ρ)与其初始电阻率(ρ0)之比.

A,B和 C 3组试样的平均强度值分别为24.8MPa,21.07MPa 和 18.67MPa.低掺量石墨组份的加入使材料的强度有少量降低,但能明显提高材料的压敏特性.

图3 A,B,C 3组试样的压敏特性曲线

A组试样在应力增大的过程中电阻率变化的规律性较差,从其均值曲线上看在整个加载过程中其电阻率下降约5%,而且在下降的全过程中波动较明显,不同试样间电阻率的离散性较大.B组试样的电阻率在应力增加的过程中出现了明显的下降,尤其在荷载增大到一定水平之后,随着荷载等级的增加,材料电阻率的下降速度加快,全过程中的总体下降率为15%左右.同时B组试样的电阻率在下降的过程中波动幅度及各组试样电阻率的离散性小于A组.C组试样的电阻率在应力提高的过程中下降最多,到试样最终破坏时,其电阻率已经下降了近35%,变化率是A组试样的7倍.C组试样的曲线较为平滑,各试样电阻率的离散性较小,在加载过程中电阻率的波动较小且主要集中在应力达到破坏强度的50%之前.

对B,C两组试样后两阶段的试验数据进行直线拟合,结果以及拟合方程见图4.

C组试样的电阻率随着应力增大而产生变化的过程大体可分为3个阶段,见图4b.

图4 B组和C组试样压敏曲线形态及拟合线

1)开始加载至应力大约达到破坏应力的50%(图中ab段曲线)为波动阶段,在此阶段应力由0增至9.6MPa,材料的电阻率整体上有约为初始值 1.5%的微小下降,曲线斜率约为-0.16%/MPa.此阶段电阻率随应力的变化不稳定,在下降的过程中有波动的现象.

2)应力由破坏应力的约50%增大到约80%(图中bc段曲线)为稳定下降阶段,在此阶段应力由9.6MPa增至15.2MPa,试样电阻率随着应力的增加开始呈现稳定减小的变化趋势,电阻率下降量约占初始值的 4.3%,曲线斜率约为 -0.76%/MPa.

3)应力由破坏应力的约80%增大至试样最终破坏(图中cd段曲线)为急剧下降阶段,在此阶段应力由15.2MPa增至19.2MPa,试样电阻率随应力的增大而快速减小.电阻率下降量约占初始电阻率的32.4%,曲线斜率约为 -8.11%/MPa.石墨掺量较低的B组试样的电阻率在应力增加的过程中虽然波动稍大,但也呈现出相似的三段式变化规律,其稳定下降段和急剧下降段的曲线斜率分别为 -0.63%/MPa和 -2.53%/MPa,见图4a.A组试样则无此规律.

综上所述,在3组试样中随着石墨掺量的增大,材料电阻率的离散性变小,加载过程中电阻率的波动变小,材料的压敏特性提高,并且在加载过程中电阻率的变化呈现出“三段式”的变化规律,其线形与混凝土的应力应变关系曲线有一定的相关性.混凝土材料的应力应变关系如图5所示.

图5 混凝土材料的应力应变曲线形态

混凝土材料的应力应变关系在0~30%fc阶段呈现线弹性性质,混凝土内部的初始裂缝没有发展;30%fc~50%fc阶段初始裂缝只在骨料和水泥浆体间的过渡区内发展,应力在50%fc~75%fc之间时水泥基体的裂缝开始出现,在这2个阶段混凝土材料发生非弹性变化,裂缝处于稳定发展阶段;应力大于75%fc后过渡区和水泥基体的裂缝开始搭接,混凝土的应变急剧增大直至破坏[9].本试验所用试样为水泥基材料试样,内部无大颗粒骨料,在加载过程中裂缝发展较晚,各阶段略有延长,前文所述的C组试样电阻率在加载过程中呈现的3个阶段与材料的应力应变关系的3个阶段相对应.

用本试验的测量方法所得到的低掺量石墨水泥基材料的压敏特性曲线与用伏安法测量碳纤维水泥基材料(carbon fiber reinforced concrete)压敏特性的结果有所不同.后者的电阻率在材料所受应力增大的过程中呈现先减小后增大的变化趋势[10].本试验所得到的低掺量石墨水泥基材料的压敏机理尚待进一步研究.

利用本试验得到的C组试样三段式的压敏特性曲线,配合相应的信号反馈系统,可以将石墨水泥基材料制成压力传感器埋入结构之中,当所受应力水平较高时进行报警.根据混凝土结构设计原理,一般正常使用状态下荷载效应标准值的大小处于结构抗力设计值的60% ~80%之间,并且根据目前规范要求,结构中混凝土轴心抗压强度平均值还要在试验强度的基础上再乘以系数0.67进行折减.因此若以试验中材料的破坏强度设计制作低掺量石墨水泥基材料压力传感器,则在正常使用的情况下其所受应力小于材料破坏应力的50%.在此应力区间内低掺量石墨水泥基材料传感器的电阻率在某一水平上进行波动,无明显变化;应力超过正常水平后传感器的电阻率开始出现下降;应力过高后传感器的电阻率出现急剧下降,表示结构即将破坏.配合相应的监测系统可实现对超过正常水平的应力进行报警.

3 结论

1)占水泥质量1%和3%的石墨掺入水泥基材料后引起水泥基材料的强度降低,但使其压敏特性有明显的提高.

2)本试验所用的素水泥胶砂试样、石墨掺量为1%和3%的水泥基材料3组试样中,随着石墨掺量的增加,材料电阻率的离散性变小,各试样电阻率在加载过程中的波动性变小,应力增大时电阻率的下降更加明显,压敏特性提高.

3)石墨掺量为3%的试样的压敏特性曲线大体可分为3个阶段,即波动阶段、稳定下降阶段和急剧下降阶段,分别与混凝土应力应变关系曲线的弹性变化阶段、非弹性变化阶段和应变迅速增大阶段相对应.

References)

[1] Chung D D L.Self-monitoring structural materials[J].Materials Science and Engineering,1998,22(2):57 -78

[2]毛起炤,陈品华,赵斌元,等.小应力下炭纤维增强水泥的压敏性和温敏性[J].材料研究学报,1997,22(3):322 -324 Mao Qizhao,Chen Pinhua,Zhao Binyuan,et al.Compressionsensitivity and temperature-sensitivity of carbon fibre reinforced cement under low stresses[J].Chinese Journal of Materials Research,1997,22(3):322 -324(in Chinese)

[3]吴科如,陈兵,姚武.碳纤维机敏水泥基材料性能研究[J].同济大学学报,2002,30(4):456 -463 Wu Keru,Chen Bing,Yao Wu.Smart propertyes of carbon fiber reinforced cement based composite [J].Journal of Tongji University,2002,30(4):456 -463(in Chinese)

[4]关新春,欧进萍,韩宝国,等.碳纤维机敏混凝土材料的研究与进展[J].哈尔滨建筑大学学报,2002,35(6):55 -59 Guan Xinchun,Ou Jinping,Han Baoguo,et al.State of art of carbon fiber reinforced concrete[J].Journal of Harbin University of C.E.& Architecture,2002,35(6):55 -59(in Chinese)

[5]韩宝国,关新春,欧进萍.导电掺和料形态与水泥基材料压敏性的相关性[J].复合材料学报,2004,21(3):137 -141 Han Baoguo,Guan Xinchun,Ou Jinping.Correlation between shape of electric admixtures and piezoresistive effect of cement based composite materials[J].Acta Materiae Compositae Sinica,2004,21(3):137 -141(in Chinese)

[6]范晓明,董旭,孙明清,等.石墨水泥基复合材料的导电及压敏特性研究[J].武汉理工大学学报,2009,31(12):12 -14 Fan Xiaoming,Dong Xu,Sun Mingqing,et al.Research on the electric characteristic and pressure sensitivity of graphite-cement based composites[J].Journal of Wuhan University of Technology,2009,31(12):12 -14(in Chinese)

[7]韩宝国,关新春,欧进萍.碳纤维水泥石电阻测试方法研究[J].玻璃钢/复合材料,2003(6):6 -8,51 Han Baoguo,Guan Xinchun,Ou Jin Ping.Study of test method for resistance of carbon fiber reinforced cement[J].Fiber Reinforced Plastics/Composites,2003(6):6 -8,51(in Chinese)

[8]毛起炤,孙明清,陈品华.CFRC试块体积电阻和表面电阻的研究[J].武汉工业大学学报,1997,19(2):65-67 Mao Qizhao,Sun Mingqing,Chen Pinhua.Study on volume resistance and surface resistance of CFRC [J].Journal ofWuHan University of Technology.1997,19(2):65 -67(in Chinese)

[9]Kumar M P,Monteiro Paulo JM.混凝土微观结构、性能和材料[M].3版.北京:中国电力出版社,2008:40-41 Kumar M P,Monteiro Paulo JM.Concrete:micro structure,properties,and materials[M].3rd ed.Beijing:China Electric Power Press,2008:40 -41(in Chinese)

[10]毛起炤,赵斌元,沈大荣,等.水泥基碳纤维复合材料压敏性的研究[J].复合材料学报,1996,13(4):8 -11 Mao Qizhao,Zhao Binyuan,Shen Darong,et al.Study on the compression sensibility of cement matrix carbon fiber composite[J].Acta Materiae Compositea Sinica,1996,13(4):8 - 11(in Chinese)

(编 辑:文丽芳)

Piezoresistivity of cement based materialw ith small amount of graphite

Gan Weimin Huang Xin Chen Pengfei

(School of Transportation Science and Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

Graphite-cement specimens were made by adding water reducing agent in cement,and the specimens'piezoresistivity in a destructive overload experiment wasmensurated by a series connected AC circuit.The results present that,if a small amount of graphite was mixed in,the cement material's uniaxial compressive strength will decrease,at the same time the material's piezoresistence coefficient will ascend.As the amount of graphite was increased within a small range,the deviation of specimens'relative resistivity decreases,and the piezoresistivity of the material increases.Furthermore,the resistivity of the specimens becomes stable while being loaded.By examining the piezoresistivity curves of the graphite-cement material,similar shape with the stress-strain curves can be got in these experiments.There are three stages while the material's relative resistivity is changing along with the increase of stress imposed on it which are undulate stage,slowly descend stage and rapidly descend stage.These stages are accordant to the three stages of the failure of cement based material,which are elastic stage,elastic-plastic stage and failure stage.

graphite;cement;relative resistivity;piezoresistivity

TU 525.9

A

1001-5965(2011)05-0556-04

2010-10-20

甘伟民 (1980 -),男,北京人,博士生,gan.wm@huamao.cc.

猜你喜欢
电阻率石墨特性
基于反函数原理的可控源大地电磁法全场域视电阻率定义
石墨系升温球的实践与应用
修饰还原氧化石墨烯的味觉传感器的制备应用
石墨烯桑蚕丝变身传感器
阻尼条电阻率对同步电动机稳定性的影响
谷稗的生物学特性和栽培技术
基于防腐层电阻率的埋地管道防腐层退化规律
土壤电阻率影响因素研究
“电力杀手”——石墨炸弹
色彩特性