碳纤维粉改性水泥砂浆压阻特性分析

李十泉， 陈奕帆， 郭煜丰， 王荣

(1.南京理工大学泰州科技学院， 泰州 225300； 2.江苏大学土木工程与力学学院， 镇江 212013)

现代混凝土结构正向高性能、多功能、智能化方向发展。在长期荷载、偶然作用、环境侵蚀等共同作用下，混凝土结构出现损伤积累，导致在役混凝土构件/结构的可靠性降低。智能水泥基复合材料的应用可实现工程结构的实时、原位自监测，对结构可靠性评估起到关键作用，已成为结构健康领域的研究热点[1-5]。李进桥[6]研究了石墨混凝土电阻与应力关系，分析了试件电阻率与内部微裂纹之间的关系。侯作富等[7]介绍了导电混凝土除冰化学的原理，认为碳纤维是制备导电混凝土路面材料的理想掺料。周天舒等[5]研究了碳纤维、镀铜钢纤维等对混凝土压阻的影响，发现掺入1.2%碳纤维与4%镀铜钢纤维时，压阻响应显著。

作为智能混凝土分支，具备自监测功能的水泥基复合材料逐步发展。其自监测功能对工程结构的无损检测具有重要意义[8-10]。Farhad等[11]对碳纤维水泥基复合材料开展研究，并将其应用于人行道的无损检测。Yehia等[12]将碳纤维丝添加到水泥净浆中，降低了净浆的接触电阻和体积电阻，在监测混凝土结构的同时，对钢筋形成阴极保护。赵若红等[13]将钢屑、钢渣和铁砂混合掺入砂浆中，得到环保导电砂浆，分析了其电阻率与加载电压的变化规律。Hamza等[14]在水泥砂浆中添加碳纤维(carbon fiber，CF)，以降低其电阻率，分析了CF连接性、砂粒结构及其粒度分布的对砂浆自感知行为的影响。王燕锋等[15]分析了碳纳米管水泥砂浆的电导特性，提出了其压阻效应的数学模型。周琼等[16]对废弃锂电池中的石墨再生处理后，用于功能水泥制备，提升了其力学性能和压敏性能，对锂电池的回收利用提供了思路。

以上研究表明，智能水泥基复合材料的基体有混凝土、砂浆、净浆，其导电相主要有碳纤维、石墨、钢纤维、钢渣、石墨、纳米碳管、导电橡胶等。从强度、压阻特性、成本等方面考虑，碳纤维改性材料，如短切碳纤维、碳/钢混杂纤维具有明显的优势。目前，国内的碳纤维产能，仍处于不足状态[17]，短时间内，难有大量的碳纤维产品直接应用于导电混凝土。但导电混凝土所需碳纤维可来源于：碳纤维产品加工的尾料二次加工；碳纤维产品回收[18]；中低端碳纤维原丝束直接加工。碳纤维具有耐酸、耐碱、耐侯性好的特点，相关产品的回收、处理及尾料二次利用，有利于解决碳纤维产品链的形成，降低碳纤维产品的环境压力，构建循环经济体系。

短切碳纤维切丝不易在基体中均匀分散，导致含量较高时，复合材料强度下降。研究表明,掺加硅粉有助于分散碳纤维，改善复合材料的导电性，同时在一定程度上提高强度[19-20]。现采用CF粉作为导电介质，以改善导电介质的均匀性，并掺入硅粉以提高其的强度。开展CF单掺，SiO2/CF复掺试件的压阻测试，分析CF粉、硅粉掺量对复合材料的抗压强度、应变-电阻率影响，进行了应变-电阻率拟合与分析，以期明确具备良好强度和压阻特性试件的配合比。

1 实验介绍

1.1 材料

P·O 42.5水泥，泰州海螺水泥有限责任公司生产；ISO标准砂，厦门艾思欧标准砂有限公司；CF粉，长径比为10～20，沧州丽阳新材料有限公司；二氧化硅，天津致远化工有限公司；XP-G消泡剂，用量为0.05%(稀释10倍后使用)，天津伟合科技发展有限公司；聚羧酸减水剂用量为0.5%，苏州弗克技术股份有限公司；电极铜网，安平县富润精密滤材有限公司；电阻应变片，浙江黄岩测试仪器厂，材料参数如表1所示。

表1 材料参数Table 1 Material parameters

1.2 配合比

水泥砂浆的基础配合比为m(水)∶m(水泥)∶m(砂浆)= 1∶2.5∶6.8，其中m为质量。单掺CF粉时，取CF粉掺量为2%、4%、6%、8%(基于水泥与CF粉总质量)，以分析CF粉掺量对试件强度的影响。复掺时，结合文献[20]和前期尝试，在基础配合比中增加4%硅粉(基于水泥与硅粉总质量)，另掺加CF粉，形成复掺试件，分析其导电性能。为便于表达，CF2表示CF粉掺量为2%；Si4/CF2表示硅粉掺量为4%，CF粉掺量为2%。

1.3 试件制作与测试

以单掺CF粉改性试件为例，介绍试件制备及加载前准备。按配合比称取材料，CF粉与水泥加入JJ-5水泥胶砂搅拌机的搅拌锅，充分搅拌1 min；加入水、消泡剂、减水剂，再次搅拌，自动加入标准砂；拌合物入标准胶砂模具(试件长40 mm，宽40 mm，高160 mm，插捣边角，移至ZS-15振实台振动1 min；试件抹面，布置电极，室内静置24 h，脱模；放至SHYB-40B养护箱，养护条件参照ISO法，至龄期28 d后取出；用1010A干燥箱烘干[10，15]，烘干条件为105 ℃，12 h；测量电极间距、截面尺寸等；电极焊接导线，贴应变片，环氧胶表面密封处理。通过VC86E万用表测电阻，DH3816N应变仪测应变，采样频率1 Hz，用万能试验机对试件加载(图1)至破坏，位移控制0.2 mm/min。考因试件电阻数量级较大，导线及接触电阻均忽略[6]，故用两极法测电阻。

图1 加载与测试系统Fig.1 Load and test system

2 结果与讨论

2.1 试件强度

CF粉改性试件的抗压强度如图2所示。未掺CF粉时，试件抗压强度为57.9 MPa。这说明所选基础配合比较合理。随CF粉掺量增加，抗压强度呈降低趋势，且降幅较大。这将降低传其适用性。在提升试件导电性能的同时，必须关注其强度。

SiO2/CF试件的抗压强度如图2所示。当CF粉掺量为0时，增加4%硅粉相当在基础配合比中增加骨料，试件抗压强度为39.3 MPa，降幅达到32.1%。随CF粉掺量增加，复掺试件抗压强度先升后降。当CF粉掺量为4%时，试件强度最高，达52.4 MPa。其原因可能在于：在硅粉试件中，存在更多的骨料空隙，适量的CF粉可较好地填充骨料之间的空隙。但当CF粉过高后，其颗粒表面会吸附较多的水分，对水化过程造成较大影响，导致了试件的强度降低。

图2 试件抗压强度Fig.2 Compressive strength of specimens

2.2 应变-电阻率分析

传感元件电阻率ρ可表示为

(1)

式(1)中：R为元件电阻；L为电极距离；S为试件横截面面积，可表示为

S=ab

(2)

式(2)中：a、b分别为试件横截面长度和宽度。

应变灵敏度k是传感元件的重要指标。可将传感元件的应变-电阻率的灵敏度定义为单位应变相应的电阻率，可表示为

(3)

式(3)中：ε为轴向应变。

2.2.1 CF粉改性试件应变-电阻率

CF粉改性试件应变-电阻率曲线如图3所示，随压应变的增加，试件电阻率呈下降趋势。从加载开始，CF粉改性试件的应变-电阻率曲线可分为三阶段，依次为接触、承载和破坏阶段。

CF2表示CF粉掺量为2%；CF4表示CF粉掺量为4%； CF6表示CF粉掺量为6%图3 CF粉试件的应变-电阻率分析Fig.3 Strain-resistivity of specimens mixed with CF powder

接触阶段是接触区并非理想平面，试件内存在微孔隙，初始偏心距等因素导致。该阶段的区间很小，均不超过50 με。若传感元件内置于构件，与混凝土一同浇筑，则可有望消除该阶段。

承载阶段是传感元件全截面受压后的稳定工作阶段。随CF粉掺量增加，承载阶段的范围逐步变小。在承载阶段取任一应变值分析发现，随CF粉掺量的增加，试件电阻率先降后增，符合逾渗理论特征[21-23]。这意味着掺量4%接近其逾渗阈值。

在破坏阶段，曲线出现明显拐点。其主要原因是试件内部裂纹不再保持稳定，损伤累积，裂纹逐步发育，试件表明出现局部开裂、表层脱落等现象。

2.2.2 复掺试件应变-电阻率

复掺试件应变-电阻率曲线如图4所示，试件电阻变化率均随应变的增加呈下降趋势。从加载开始，复掺试件应变-电阻率曲线也分为三阶段，与CF改性试件一致。但其接触阶段的区间明显增大；承载阶段的区间明显降低；破坏阶段出现得更早。

与CF改性试件相比，复掺试件中硅粉的加入，使试件出现了更多的初始微裂纹。接触阶段的电阻率上升，就是内部微裂纹受压闭合所致。在压力作用下，待内部微裂纹完成闭合，后续加载作用下，试件整体产生变形，就形成了对应的承载阶段。破坏阶段的出现，意味着新裂纹的不断出现，或者局部损伤、脱落。可见，应变-电阻率反映了试件内原有初始裂纹的闭合、整体变形、损伤累积、新裂纹的产生和扩展破坏等过程。

在复掺试件的承载阶段，取任一应变值分析，随CF粉增加，试件电阻率先降后增，也符合逾渗理论特征。这意味着4%接近于CF粉掺量逾渗阈值。

2.2.3 应变-电阻率拟合分析

各组试件的承载阶段曲线的拟合式及参数、应变灵敏度等如表2所示。CF掺量接近逾渗阈值时，试件的应变灵敏度迅速降低。相应拟合线如图3、图4所示。在单掺、复掺试件中，随CF粉掺量的增加，且承载阶段的区间范围逐步变小，拟合式由线性关系，逐步发展为指数关系。CF粉改性试件承载阶段拟合式的相关性均达98.39%。复掺试件承载阶段拟合式的相关性均达98.33%。

图4 复掺试件应变-电阻率分析Fig.4 Strain-resistivity of specimens mixed with silica and CF powder

表2 试件承载阶段应变-电阻率曲线的拟合Table 2 Fitting of the strain-resistivity curve of the specimen during the load-bearing stage

3 结论

对CF粉、SiO2粉改性水泥砂浆试件开展了压阻测试及分析，得出以下结论。

(1)单掺试件的强度随CF掺量的增加而降低；复掺试件的强度随CF掺量的增加而先上升后降低，在CF掺量为4%时，复掺试件的抗压强度为52.4 MPa，适用性更广。

(2)试件电阻率随压应变的增加而下降；应力-电阻率曲线可分为接触、承载和破坏三个阶段，各阶段的区间随CF掺量发生变化；随CF掺量的增加，试件的电阻率均出现先降后升的现象，4%最接近CF粉掺量的逾渗阈值。

(3)CF掺量2%、4%时，单掺与复掺试件承载阶段的应力-电阻率呈线性关系。CF掺量为2%时，单掺、复掺试件线性相关系数分别为99.92%和99.45%；CF掺量为4%时，单掺、复掺试件线性相关系数分别为98.39%和98.33%。试件掺CF2%时，其灵敏度最高，线性区间最大。

(4)CF掺量为6%时，承载阶段分析表明：单掺、复掺试件应力-电阻率符合指数关系，但其承载阶段的范围明显降低。这是CF粉团聚所致。