碳纤维水泥基复合材料的压敏性及其机理研究

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(山西建筑职业技术学院，山西 太原 030006)

引言

碳纤维水泥基材料是在水泥基材料中加入导电性能良好的短切碳纤维，并利用其高强度、高弹模的特点，促使水泥基材料在强度、韧性提升的同时，更兼具压敏特性。由于碳纤维对水的湿润性要求较高，且在水泥浆中的稳定性良好，可使其与水泥基中的材料保持较好的贴合度，水泥的水化产物可完成对碳纤维的包裹，有效地增强了水泥材料的力学性能。碳纤维的加入可以有效提升材料的劈裂抗拉强度、抗疲劳性能以及变形性能，而材料特有的压敏性可制作成嵌入式传感器，相容性较好的特点及较低的制造成本都可促使其实现广泛应用，并可以克服传统材料耐久性、稳定性较差的缺点[1]。碳纤维水泥基复合材料可制备成用于应力、应变及损伤监测的传感器，但混合材料的特殊性及养护过程中的随机性都容易造成材料的压敏特性呈现出非线性状态，这些都会制约材料在工程中的应用。

本文分析了目前国内外学者关于碳纤维水泥基材料压敏性的研究成果[2]，并在此基础上研究了碳纤维水泥基复合材料在持续加载与循环加载过程中的压敏性，探讨了材料含水率、碳纤维处理方式对压敏性的影响，并分析了材料压敏性的变化机理，为材料应用于实时动态监测领域提供了理论依据。

1 持续加载与循环加载对复合材料压敏性的影响

1.1 复合材料持续加载破坏的压敏性

对于碳纤维水泥基材料压敏性测试，加载过程存在两种方式，一种是一次性加载直至破坏，另一种是在材料弹性范围内进行循环加载，两种加载方式对压敏性有很大的影响。韩宝国等[3]研究了短切碳纤维长度对材料导电性的影响，表明碳纤维的长度越长、掺量越大、分散性越好，则材料的导电性能越好；在一次性加载试验中，碳纤维掺量为0.18%～0.5%的水泥基材料电阻率变化趋于线性降低，且变化范围在17%～35%区间；随纤维掺量的减少，电阻率变化率逐渐增大，且处于渗流区的变化较大。

1.2 复合材料循环加载的压敏性

对于循环加载过程，电阻率变化与循环加载之间存在明显的对应关系。加载时电阻率持续减小，加载达到峰值时，电阻率降到最低；而卸载时情况则恰好相反，随着卸载的进行，电阻率持续回升至初始值。从单向受压和三向受压两种模式进行讨论，可以发现在三向受压状态下，电阻率变化率的变化规律更为稳定；当加载幅度相同时，三向受压作用下，材料的电阻率变化幅度比单向受压时更大，表现出的变化也更加明显[4]。

2 材料性能对压敏性的影响

2.1 复合材料含水率对压敏性的影响

碳纤维水泥基材料在加载过程中的变化与加载方式有直接的关系，而材料性质对试样的力学性能和电学性能也有很大的影响，其中含水率对试样导电性影响尤为严重。王玉林等[5]研究了材料多次烘干后的压敏性，当材料中的水分逐渐减少时，压敏性变化明显，且存在“正压敏性”和“负压敏性”相互转化的现象。当试样含水率较高时，表现为“正压敏性”；少量失水时，呈现出“负压敏性”；持续失水导致试样含水率很低达到烘干状态时，转而表现为“正压敏性”；在一定含水率时，试样可能会呈现出“正压敏性”与“负压敏性”共存的状态。

2.2 碳纤维表面处理对压敏性的影响

碳纤维与水泥材料表面之间的作用，不是简单的二维边界，还包括界面间的过渡区和不同的层次，所以界面结构及边界效应直接影响着材料的最终性能。对碳纤维进行表面处理，可以有效改善碳纤维与水泥基材料的粘结性。目前，碳纤维表面处理方法分为表面化学反应以及表面涂覆两大类，表面化学反应中的氧化法分为液相和催化两种，非氧化法分为晶须法和聚合物接枝法等。王大鹏等[6]使用气液双效法对碳纤维进行表面处理，提升了碳纤维的抗拉强度，改善了碳纤维在水泥基材料中的分散性，促使材料层间剪切强度增加，使复合材料压敏性变得更为稳定。

3 复合材料压敏性的变化机理

3.1 复合材料的界面效应

对于复合材料压敏性的机理解释，多位学者提出了很多理论，其中包括材料在压缩和拉伸过程中碳纤维的拉拔模型、压缩过程中产生的隧道导电效应及电导渗流现象等，这些都有效解释了压敏性的变化机理。李卓球等[7]研究了基于界面效应的压敏性变化机理，通过研究复合材料在拉拔过程中的压敏性，讨论了剪滞理论在其中的应用，推导出了界面处轴向正应变的计算公式。研究发现，碳纤维在拉拔过程中界面电阻的变化是电阻率发生变化的主要原因，而界面应变的增大会导致试样电阻的增加。

3.2 复合材料微观结构研究

对材料的微观结构进行研究，有益于直观分析碳纤维在不同条件下的分布以及微观孔隙状态。黄世峰等[8]采用压力成型法制备碳纤维水泥基材料，发现10 MPa成型压力制备的试样较2 MPa成型试样的孔隙率明显变小。分析孔隙分布发现，2 MPa制备的试样>0.8 μm的孔径会增多，10 MPa制备的试样>0.2 μm的孔径会增多。2 MPa成型压力制备的试样与10 MPa试样的温敏性也存在一定的差异，其中2 MPa成型试样临界温度范围为75～100 ℃，10 MPa成型则为100～120 ℃。

4 结论

碳纤维水泥基材料具有高强度、高弹模的特点，同时其特有的压敏性可制作成嵌入式传感器。碳纤维与水泥基材料的相容性较好及较低的制造成本，可促使材料得到广泛的应用，且克服了传统材料耐久性、稳定性较差的缺点。通过对碳纤维水泥基复合材料在持续加载以及循环加载两种加载方式时压敏性的研究，探讨了材料含水率对压敏性的影响以及气液双效法处理碳纤维对材料的改善效果，从界面效应及微观结构分析了材料压敏性变化的机理，为材料的广泛应用提供了理论依据。