石墨烯混凝土正交于受力方向的力—電效應

陳錦毅 劉雪揚 田雨婷

(江蘇大學土木工程與力學學院，江蘇鎮江212001)

0 引言

在21世紀初，Chung在混凝土中加入碳纖維，發現能使混凝土擁有一定的壓敏性，成為一個可以探測變形的智能混凝土[1]。基于智能混凝土的壓敏性，工程師們可以通過測試混凝土所處的工作狀態，實現對結構工作狀態的在線監測[2]。

石墨烯是一種碳原子單層排列的蜂窩狀晶格結構[3,4]。石墨烯可作為一種介質加入到混凝土中使其成為智能混凝土。Saafi等研究發現，當向石墨烯混凝土施加壓力荷載時，其沿壓力作用方向的電阻率會隨壓力的增加而逐漸降低，但是當向試件施加拉力時，其沿拉力方向的電阻率就會隨拉力的增加而逐漸增加[6]。

目前，關于石墨烯混凝土的研究一般都聚焦于探究沿受力方向的力—電效應。但在實際工程中，混凝土試件的裂縫是從某個破壞點開始，在發展中不一定沿受力方向，或者會產生分岔，形成側向的破裂體，影響建筑整體的使用。而且，直流四電極法能將電流控制在較小范圍內，可有效地消除極化以及接觸電阻、引線電阻等對電壓測定的影響，提高測試精度。因此，我們將使用直流源四電極法對石墨烯混凝土正交于受力方向上的力—電效應進行探究，為日后石墨烯混凝土的應用和探究提供一些參考。

1 實驗概況

1.1 實驗材料水泥

P.O42.5普通硅酸鹽水泥(江蘇鶴林水泥有限公司生產，性能符合GB 175—2007通用硅酸鹽水泥的技術要求)。細骨料：標準砂(廈門艾思歐標準砂有限公司)、粗骨料(粒徑6 mm)。表面活性材料：高效聚羧酸液態減水劑(聚羧酸母液，河南海洋進出口貿易有限公司)。并采用網眼為10目的銅網作為電極。

石墨烯：使用南京吉倉納米科技有限公司生產的石墨烯，規格為jcpg-99-1-105。參數如表1所示。使用超聲波將石墨烯打散，并添加表面活性劑來穩定石墨烯納米顆粒，以防止它們再次團聚。

表1 試驗采用石墨烯的參數

在熱場發射掃描電鏡(日本電子株式會社JSM-7001F)下對石墨烯的形貌進行觀察。在錫箔紙上滴取石墨烯懸濁液，待水分蒸干后，錫箔的表面就將會保留有一層石墨烯薄膜。將此錫箔置于掃描電鏡腔室中進行觀察，得到如圖1所示的形貌圖。

表2 配合比g

混凝土設計強度為C30。配合比見表2。改變石墨烯的摻量以探究不同配合比下的石墨烯混凝土的力—電效應。

1.2 試件制作

石墨烯懸濁液的制備可以參見文獻[7]。在試驗中，先把水以及聚羧酸減水劑混合，待其充分混合后，再將石墨烯加入到燒杯中，然后將燒杯置入超聲波儀器中進行分散，同時用玻璃棒來攪拌，以加速石墨烯在減水劑溶液中的分散。超聲處理的時間約為30 min。之后按照配合比秤取粗骨料、細骨料以及水泥并置于行星式攪拌機中，同時加入石墨烯懸濁液，攪拌的時間約為15 min；將混凝土倒入模具中，并固定好電極網片的位置坐標，然后置于振動臺上對混凝土進行振搗。將振搗后的試件置于混凝土養護箱(溫度為20 ℃±0.5 ℃，濕度為95%)養護48 h后脫模，脫模后繼續標準養護28 d。由于智能混凝土的壓敏性能的測試需要采用絕干狀態的試件，因而在進行智能性試驗之前，需對混凝土進行烘干處理，置于烘箱中在105 ℃±2 ℃中烘干48 h，取出后置于干燥皿中冷卻至室溫，為防止在試驗過程中試件長時間暴露在空氣中吸收水分影響試驗精度，故在試件表面均勻地涂抹上一層環氧樹脂薄膜來隔絕空氣中水分的進入。

1.3 試驗方法

測試試驗在10T電子萬能試驗機(濟南恒瑞金微機控制電子萬能試驗機WDW-100M)上進行。測試裝置如圖2所示。

在智能性能測試試驗正式開始前，需要對試件進行預加載，施加的荷載為35 kN(為極限載荷的60%)，以此來壓實試件中的初始孔洞。然后，在單軸方向上施加鋸齒狀循環荷載3次，加載荷載大小為20 kN(極限荷載的40%)。試驗機提供2 kN～20 kN的循環荷載，在2 kN和20 kN位置各保持荷載5 s，加載速率為0.1 kN/s。在上一步試驗的基礎上，對試件再進行壓力損傷試驗，即應力應變全曲線的測試，同時測試其壓敏性能響應。

根據設計強度，預估荷載最大值為50 kN。根據《混凝土結構試驗標準》[8]，確定加載的制度如下：試驗采用分級加載的方法，第一級的加載速度為0.1 kN/s，加載范圍為0 kN～30 kN；當荷載值大于30 kN時，就采用第二級加載，采用位移控制，加載的速度為0.000 3 mm/s，直至試件最終破壞。試驗中試件兩端墊置塑料薄膜，隔開試驗機與試件，防止對測量電阻產生影響。

加載的過程中采用FLUKE F15B+數字萬能表采集智能混凝土試件的電壓，采集的方式為直流四電極法，即將電阻儀兩個采集端與智能混凝土中部兩個電極分別相連，再利用直流穩壓電源(國睿安泰信APS3005D)分別與外部兩個電極片相連。裝置如圖3所示。同時調節直流源，使通過試件的電流保持在0.01 A。然后，通過對比分析石墨烯智能混凝土的電阻變化規律以及該方向上應變的變化規律，歸納它的壓敏性能特征。加載開始前30 s開始采集電阻值和應變值，加載結束后再持續采集30 s，以考察其穩定性。

2 實驗結果及分析

1)試件的初始電阻率為1 346 Ω·cm，在施加軸向載荷之后，電阻率呈現減小的趨勢，減小至1 325 Ω·cm，但此時的應力已經過了峰值點6 MPa；一個循環之后，當混凝土電阻再一次達到極小值時，電阻率為1 325 Ω·cm；在后續的循環中，極小值都進一步增大。

在循環荷載的作用下，混凝土的電阻也呈現循環變化，在應力達到最大即6 MPa的時候，混凝土的電阻并未達到最小，這中間表現出的滯后現象與文獻[9]報道的一樣。此外，隨著循環荷載的不停增加，混凝土的電阻表現出零漂現象，這與文獻[10]報道的一樣。圖4為應力—電阻曲線。

2)正交于受力方向的電阻和應變如圖5所示，首先可以看出，正交于受壓方向的應變與電阻率的變化趨勢基本一致，根據Sedaghat等人的實驗結論[7]，可以判定正交于受壓方向的應變為拉應變。圖5中最大的應變值為12 με。當壓應力從0 MPa增加到6 MPa時，正交于受力方向的拉應變從0 με增加到12 με，電阻值從13.46 kΩ下降到13.25 kΩ，變化率1.56%。

3 結語

1)在混凝土中添加石墨烯等材料，形成智能混凝土，在彈性階段時具有良好的壓敏性能。以相應的力—電變化為基礎，在智能混凝土中加入導電材料，可以在大型建筑中進行損傷監測。

2)正交于受壓方向上的應變為拉應變，而且電阻隨外加壓力的增加而減小，與試件應變趨勢基本一致。