混掺纤维自密实混凝土压敏性分析

吴万彦，孙 敏，万崔星，方有珍

（1.苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011；2.苏州二建建筑集团有限公司，江苏 苏州 215011）

目前许多工程存在施工周期长、噪声大、节点位置振捣困难，出现问题难以及时监测[1]。Okamura教授通过研制自密实混凝土可以解决节点等部位的施工难题[2]，但仍无法及时监测这些施工难点和受力关键点的工作状态，不能及时发现隐患。而导电混凝土可以通过力与电阻之间的压敏效应，实现混凝土材料在结构中出现开裂、变形的自监测[3-5]。如何实现两者的功能互补也是当下急需解决的难题。

自密实混凝土与普通混凝土相比，同样具有抗拉强度低、韧性差等不足[6]；其次，因自身水胶比较低、自生收缩反应剧烈，其抗裂性能也较差，通过纤维改性可以有效地改善这些情况[7-9]。钢纤维具有很高的抗拉强度和弹性模量，加入到混凝土中，能表现出具有优良的阻裂增韧效果，同时也可提升力学性能、导电性能[10-12]。Athiyamaan将钢纤维加入自密实混凝土中，发现抗弯强度最高可提升50%～60%，有效抑制了裂缝的扩展，具有很好的延性[13]。Abbas发现钢纤维能有效增加高性能混凝土的抗弯强度和劈裂抗拉强度，并且能控制裂缝的宽度，具有很好阻裂效果[14]。碳纳米管纤维为一种具有高弹模、高抗拉性能、高导电性能的纳米级纤维[15-16]，张苡铭[17]等发现将碳纳米管加入到自密实混凝土中，能有效提升混凝土材料的受弯机敏性，加入钢纤维后，两种纤维可以在不同尺寸级别共同发挥阻裂、导电的作用。

因此，将钢纤维和碳纳米管纤维掺入到自密实混凝土中可以在提升自密实混凝土力学性能的同时实现其“智能”性。基于以上的理论分析，本文研究了钢-碳纳米管混杂纤维自密实混凝土的试件尺寸和含水率对其极化时间的影响，以及这种混杂纤维在循环荷载作用下的压敏性能，并与碳纳米管自密实混凝土试件的压敏性进行对比。

1 试验

1.1 试验材料

试验原材料包括强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥；细骨料采用天然河砂，粒径小于4.75 mm，细度模数为2.68，表观密度为2 654 kg/m3；粗骨料采用粒径在5～20 mm的碎石；硅灰选用河南铂润新材料有限公司生产的优质微硅粉；粉煤灰选用河南侯钢牌一级粉煤灰，颜色呈灰黑色，孔隙率在50%～80%；减水剂为Q8081PCA型减水剂，减水率超过30%，含固率为40%，密度为1 100 kg/m3。钢纤维为市面上较为常见的直径为0.8～1 mm，长度30 mm，抗拉强度620 MPa，密度8 200 kg/m3，长径比30的剪切波纹型钢纤维；碳纳米管选用经转毂式低温等离子体改性处理[18]后实现表面活化的多壁碳纳米管。

1.2 试验配比

考虑到加入钢纤维会对自密实混凝土工作性能有很大的破坏，一般的配比无法容纳过多的钢纤维，本文经过多次试配使C50自密实混凝土的工作性能达到SF2等级下的最大坍落扩展度值750 mm，具体配合比如表1所列。

表1 C50自密实混凝土配合比 kg/m3

混杂纤维掺量为钢纤维掺入1.8%，碳纳米管纤维掺入0.2%，此时具有较好的力学性能；单掺碳纳米管纤维掺量为0.3%，通过查找文献[4]，此掺量下压敏效果最佳。28 d抗压强度、劈裂抗拉强度如表2所列。

表2 28 d抗压、劈裂抗拉强度试验结果 MPa

1.3 试件制作

利用SJD-60型强制式单卧轴搅拌机制备自密实混凝土试件。为研究混杂纤维自密实混凝土的不同尺寸对极化时间和电阻率的影响，试验分别制备两种尺寸——A组为40 mm×40 mm×160 mm；B组为150 mm×150 mm×150 mm，每组三个试件。在试件中预埋入四片电极，电极选用304不锈钢制作骨架，采用铜网包裹骨架[19-20]，根据试件的实际尺寸，制作出两种尺寸的电极片，电极片A尺寸为80 mm×30 mm×2 mm，电极片B尺寸为210 mm×55 mm×2 mm，如图1、图2所示。为比较混杂纤维自密实混凝土和碳纳米管纤维自密实混凝土的压敏性，制作C组试件，试件尺寸及电极片尺寸同B组。将制作完成的试件放入标准养护室，在标准养护条件下养护28 d后取出，A、B组试件如图3、图4所示。

图1 电极片A

图2 电极片B

图3 A组试件

图4 B组试件

1.4 预压通电极化试验

混凝土在进行通电之后，试件电极周围会出现电化学反应，试件中游离的离子出现迁移、反向运动，会导致试件的电阻值不断增加，经过一定时间，游离的离子运动稳定后，电阻值会趋于平稳。只有在电阻稳定后才可以进行加载，故加载前需对试件进行预压极化。为研究试件尺寸对极化时间的影响，分别对两种不同尺寸的A组和B组试件进行预压环境下的极化试验。

另外，为研究含水率对试件极化时间的影响，对比分析了A组试件烘干前后的极化时间。烘干条件为：将试件置入101型电热鼓风烘干箱，在105℃的温度下烘干2 h，去除试件中的水分，再对烘干后的试件进行预压通电极化试验。

选用Agilent 34401A数字万用表，通过四电极法[21]连接每组试件。预压通电极化试验具体流程如下：

（1）将测试试件放在电液伺服压力试验机平台上，试件电极片与数字万用表相连接，移动下横梁使试件压紧；

（2）设置数字万用表参数，采样频率为1 s，采集数据，并观察电阻率变化情况，分析电阻极化所需时间。电阻率计算公式为：ρ=RS/L，其中，ρ为电阻率，Ω·m；R为电阻值，Ω；S为电极片与水泥基传感器的接触的表面积，m2；L为两电极片之间的距离，m。

图5 试件测试

1.5 循环荷载作用下压敏试验

在极化试验完成后，选用B组试件（150 mm×150 mm×150 mm)、C组试件（150 mm×150 mm×150 mm）进行循环荷载作用下的压敏性试验，具体试验流程如下：

（1）利用电液伺服压力试验机将B组试件固定在工作台面上，将数字万用表与试件上的电极片连接，设置好数字万用表的取样频率为1s等参数，进行极化试验；

（2）待试件极化效应消失，电阻值趋于稳定后，设置循环荷载试验荷载参数为0～300 kN，约为抗压强度的40%，循环20次；

（3）启动压力试验机，开始加载，观察电阻变化，待20次循环加载完成后，保存试件电阻变化数据。

2 试验结果及分析

2.1 通电极化试验结果与分析

在试件通电之后，混凝土内部产生电化学反应，生成的电荷由于电性相反并且产生了相反的电场，使得混凝土中游离的离子开始反向运动，所以电阻值会随着电化学反应的时间不断增大直至稳定。对A、B两组试件分别进行多次通电极化，对各组极化试验结果进行整理，绘制极化效应结果图如图6、图7所示。

图6 A组试件极化效应对比图

图7 B组试件极化效应

由图6可见：试件无论是否烘干，在通电之后，随着时间的增加，电阻率开始会不断增加，最后在某一个数值范围内持续波动，趋于稳定。烘干前的试件在通电45 min左右时，电阻率变化趋于稳定，而试件烘干后，电阻率在25 min左右就基本趋近于稳定。其次，在烘干前，试件的电阻变化率稳定在17 000Ω·m，经过烘干处理后，试件电阻率有所降低，保持在14 000Ω·m。这是由于试件在经过烘干后，其中的水分含量降低，原先在试件中不均匀存在的水分会对离子的迁移产生影响，而水作为一种弱电解质，其中含有电解质的多少，是其导电性能强弱的主要原因。混凝土为不均匀的多相多孔性材料，微量水溶液在其中分布也不均匀，所以离子的跃迁，也会出现波动，通过电阻率的变化可以看出：在烘干前，试件的电阻率曲线相对于烘干后的曲线存在较为明显的波动，也是导致试件完成极化效应时间会更长。

从图7可以看出B组试件在预压通电极化试验过程中电阻率仅为A组未烘干试件电阻率值的5%，并且随着时间的增长，电阻率增加速率要更低，A组在45 min就增长了3 000Ω·m，而B组在近4 h的时间电阻率才增长了近300Ω·m，变化更稳定。其次，它需要的极化时间也更长，是小试件的11倍左右。这是由于150 mm×150 mm×150 mm试件中容纳的钢纤维的量更多，相对于小试件受到模具的尺寸影响，大试件可以容纳更多的钢纤维在其中乱向分布，从而形成更好的导电通路；其次，钢纤维相互搭接与碳纳米管纤维微观分布在混凝土的网络共同形成了导电网络，电阻率也会降低许多。随着试件尺寸的增大，其中带电离子完成跃迁的时间也会更久，所以达到电阻率稳定所需要的时间会更久。

综上可以看出，试件中的水分会对试件的电阻率变化产生影响，降低试件中的含水率可以有效的降低试件完成电阻极化所需时间。另外试件的尺寸也对极化时间有影响，尺寸越大，完成极化所需的时间也越长，但此时电阻率值会较低，电阻率变化更稳定，能获得更佳的极化效果。

2.2 循环加载压敏试验结果

对B组试件进行多次循环加载（见图8），并对试验结果进行整理，最终绘制出电阻率在循环荷载作用下随时间变化关系曲线如图9所示。从图9可以看出，试件的电阻率随着荷载的上升，电阻率不断下降，随着荷载的降低，电阻率不断提升，反映了试件具有很好的压敏性能。在20组循环荷载作用下，电阻率随着随着荷载变化表现出可恢复性，但是在前五组循环可以看到曲线上出现了黑点，这是由于在这几个位置原先应随着荷载增加或减小电阻率也随之减小或增加的位置电阻率出现了突变的情况，这是由于试件内部的钢纤维由于受到外力的影响导致钢纤维之间的搭接错开，此时电阻率处于下降的阶段，搭接错开后电阻会出现突增，而卸载的时候，试件所受外力降低，电阻率回升，此时原先因压力导致错开的钢纤维之间搭接恢复，电阻率突然下降，在几次循环荷载作用之后，试件被压紧密实，钢纤维之间的搭接趋于稳定，所以在后期的循环加载过程中，电阻率没有出现突变的状况。

图8 循环加载制度

图9 电阻率在循环荷载下随时间变化关系线

其次，在整体加载过程中，电阻率变化呈现波峰和波底的电阻率不断上升的状态，最后几次循环才趋于稳定，可能是因为试件在受到荷载作用时，内部在外力作用下产生了微裂缝或者损伤，电流通过的截面减少，所以电阻率不断提升，最后电阻率的变化范围相对稳定，能够恢复到上一次循环的最小值和最大值，说明了此时内部的初始裂缝趋于稳定，不再有新的裂缝拓展和损伤，所以材料表现出良好的可恢复性和可循环性。

以上可以发现，钢-碳纳米管混掺纤维自密实混凝土在循环荷载作用下，电阻率会随荷载的变化而明显变化，表现出了良好的压敏性能，对于混凝土结构的智能监测具有一定的应用价值。

2.3 循环加载压敏试验对比

对C组试件进行多次循环加载，并将得出的试验结果进行整理，与B组试件在循环荷载作用下的电阻率率变化曲线绘制于同一图中，如图10所示。图10中，B组为混杂纤维自密实混凝土，C组为碳纳米管纤维自密实混凝土。从图中可以看出，对于C组试件，在压力作用下，其电阻率会随着荷载的增加快速降低，荷载卸去后，电阻率又会快速上升，压敏性能优异。其次，在整个循环荷载作用过程中，电阻率在前期的每个循环加载之后都会出现略微“上移”的现象，最后逐渐趋于稳定，能够恢复到上一次循环的最小值和最大值，这与B组试件现象相同。

图10 循环荷载下电阻率对比图

将两组曲线对比来看，可以发现C的初始电阻率更大，约为1 000Ω·m，而B的初始电阻率较小，约为915Ω·m；其次，在同等大小的荷载作用下，C组的电阻率下降幅值较大，约为750Ω·m，B组的电阻率下降较不明显，约为30Ω·m。但是，从总体来看，B组试件由于变化幅度较小，其在循环加载下的电阻率变化相对稳定，相较于C组试件而言，每次循环得出的最大值与最小值与上次循环结果相差更小，表现出更好的可恢复性和可循环性。

综上比较可以得出，混杂纤维自密实混凝土与碳纳米管纤维自密实混凝土均具有明显的压敏性，并且碳纳米管纤维自密实混凝土在受压时的电阻率变化更灵敏，变化范围更大，压敏性能较优。但是混杂纤维自密实混凝土的电阻变化更稳定，具有更好的可恢复性和可循环性，加上其本身优异的力学性能，用于混凝土结构的健康监测，仍具有重要意义。

3 结论

（1）本文所制备的钢纤维掺量为1.8%、碳纳米管纤维掺量为0.2%的混杂纤维自密实混凝土，在通电后会出现极化现象，通过烘干降低试件中的含水率可以有效减短试件的极化时间，比未烘干试件极化时间缩短了20 min左右。

（2）试件的尺寸会对极化时间产生影响，试件尺寸越大，极化效应趋于稳定所需的时间也会越多，但此时试件电阻率变化会更稳定，波动范围更小，变化值仅为小试件的10%，表现出更佳的极化效果。

（3）这种混掺纤维自密实混凝土试件在整个循环荷载作用过程中，电阻率会随荷载变化而变化，表现出明显的压敏性能，但其电阻率变化关系线会出现波峰和波底的电阻率不断上升的现象。

（4）较于碳纳米管纤维自密实混凝土而言，这种混掺纤维自密实混凝土在压力作用下的电阻率变化范围较小，但其在循环加载下的电阻变化较稳定，具有更好的可恢复性和可循环性。