石墨鋼珠復相智能樹脂混凝土的壓敏性研究

2019-01-17 03:27:30肖桐丁勇崔信國劉榮桂楊葉

新型建筑材料 2018年12期

肖桐，丁勇，崔信國，劉榮桂，楊葉

（1.南京理工大學土木工程系，江蘇南京 210094；2.煤炭工業濟南設計研究院有限公司，山東濟南 250031；3.江蘇大學土木工程與力學學院，江蘇鎮江 212013）

0 引言

聚合物混凝土有強度高、密度較小、耐磨損、耐腐蝕、耐水性以及與其它材料粘結性強等優點，在橋面鋪裝、水下作業、結構修補等領域具有廣泛的應用[1]。智能混凝土是一種新型的機敏材料，能對建筑結構進行健康監測和損傷診斷，可以用于結構關鍵部位對結構的健康情況做出準確及時的檢測，從而避免結構失效帶來的嚴重事故[2]。

目前，國內外學者對混凝土壓敏性研究對象多為水泥基混凝土，選用碳纖維或鋼渣作為導電摻料，而試驗結果得到電阻變化不單調，并且電阻變化率普遍較低[3-5]。為了得到更加優良的壓敏性，本文嘗試使用環氧樹脂作為膠粘材料，摻入石墨粉和鋼珠作為導電材料搭建導電網絡。將該材料應用于結構中的健康監測，需要材料的電阻變化率與結構應變有著準確且穩定的對應關系。為了解決以上問題，展開了對智能材料在重復荷載下的壓敏性研究，根據試驗結果進行機理分析。

1 試驗

1.1 原材料和試驗設備

智能樹脂混凝土制備原材料：E51環氧樹脂、593固化劑、691稀釋劑，南京昊卓材料科技有限公司；鱗片石墨粉：5000目，純度 99.99%，電阻率 1.5×10-5Ω·m，密度 1.0 g/cm3，東莞捷誠石墨制品廠；鋼珠：粒徑0.6 mm，廣州德可科鋼球有限公司；河砂：中砂；消泡劑：磷酸三丁酯；硅烷偶聯劑KH-550（促進石墨粉分散）。環氧樹脂的主要性能指標見表1。

表1 環氧樹脂的主要性能指標

其它試驗材料：紙浸膠基底應變片、Mirror glaze脫模蠟、熊貓牌多股銅芯導線，電極使用10目0.6 mm絲徑2 mm網孔不銹鋼鋼網。

主要試驗設備：JJ-5型水泥膠砂攪拌機；VICTOR 86D型數字萬用表，基本準確度為1（0.8%+4）；YE2538A程控靜態應變儀；電子萬能試驗機。

1.2 試件制備

表2為智能樹脂混凝土試件的質量配合比。

表2 智能樹脂混凝土試件的質量配合比

按照配方稱量相應試驗材料，將環氧樹脂和稀釋劑按比例調配，攪拌均勻并降低環氧樹脂的黏稠度，提高液體材料的流動性。將稱好的石墨粉均勻地噴撒在環氧樹脂混合料中，加入偶聯劑預拌，使石墨粉均勻分散于環氧樹脂膠中[6]，制成石墨/環氧樹脂導電膠；將混合料倒入攪拌鍋中，低速攪拌5 min后將鋼珠和中砂的混合料加至砂罐共同攪拌，加料完成后高速攪拌2 min，再低速攪拌3 min后將砂漿澆入預先涂抹脫模蠟的70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm三聯鑄鐵砂漿試模中。插入預先制作的鋼網電極，將電極固定位置，避免振搗過程中傾倒或者旋轉，并放置于振搗臺上振實。澆筑后24 h后即可拆模，置于養護箱室溫養護7 d后進行測試。

1.3 壓敏性試驗方法

通過萬能試驗機對試件進行軸向壓縮試驗，研究該材料的壓敏特性。試驗開始前，用砂紙打磨試件表面，在與壓縮方向平行的方向上粘貼應變片。壓縮方向與試件內電極垂直。萬能試驗機采用位移控制，加載速率為0.3 mm/min。為了使試件保持在彈性范圍內工作，避免變形過大對試件造成過多的不可逆破壞，控制試件應變在3000～3500 με之間停止試驗機的軸向壓縮。由于該復合材料存在遲滯性，需要在電阻值和應變數值趨于穩定后停止試驗。

為了防止應力集中，在壓頭與試件中間放置尺寸與試件相匹配的正方形金屬墊片；并在金屬墊片與試件之間添加絕緣墊層，用以排除試驗機與試件形成導電通路對試件電阻測試結果造成的干擾。本試驗采用兩電極法測試試件電阻，使用數字萬用表測量實時記錄電阻值變化情況和對應的應變變化情況。

2 數據處理與分析

2.1 單次加載下的壓敏性

圖1為同一組中3個試件在單調加載下電阻與應變的關系曲線和電阻變化率與應變的關系曲線（橫坐標應變的正負號表示方向）。

圖1 單調荷載下試件的壓敏特性曲線

由圖1可見，在單調加載作用下，試件呈現良好的壓敏特性，隨著應變的增大，電阻呈現穩定的增長。由于同組的3個試件存在一定的樣本誤差，初始電阻略有不同，但是同組內試件的電阻變化率-應變關系曲線呈現了良好的一致性。說明該材料電阻變化率與應變的對應關系具有一定的穩定性。

2.2 重復加載下的壓敏性

2塊相同試樣連續5次循環加載下的電阻-應變關系曲線和電阻變化率-應變關系曲線見圖2。

圖2 2塊相同試樣連續5次循環加載下壓敏特性曲線

由圖2可見，連續5次循環加載試驗下，試件電阻變化率對應變的響應逐漸減弱，并且衰減趨勢呈現收斂狀態。說明所用材料具有良好的重復性，具備重復使用的條件。

對于該材料的壓敏特性，用智能樹脂混凝土試件的靈敏度K表示單位應變變化量引起的電阻變化率的響應程度，將應變和電阻變化率的關系曲線近似擬合為1條直線，直線的斜率K即表征該試件的靈敏度[7]，即：

式中：dR/R——電阻變化率，%；

ε——應變，%。

2塊試樣靈敏度K1和K2在連續重復加載下的變化見表2。

由表2可以看出，在連續5次重復加載下，試樣的靈敏度會逐次降低，并且降幅逐漸減小，靈敏度的減小呈收斂趨勢。

表2 2塊試樣靈敏度在連續重復加載下的變化

圖3為2塊相同試樣分別在7 d第1次加載，14 d第2次加載，28 d第3次加載的電阻-應變關系曲線和電阻變化率-應變關系曲線。

圖3 2個相同試件在第7、14、28 d加載下的壓敏特性曲線

由圖3可見，2塊試樣的測試結果相同，試樣在14 d和28 d的加載試驗中，電阻變化率對應變的響應相對第7d時呈現一定程度的降低，而后2次的試驗結果更加接近。表明使用的智能樹脂混凝土材料在長期使用過程中具有一定的穩定性。

3 機理分析

該聚合物智能材料中，導電鋼珠和石墨導電膠構成二相導電體系。在環氧樹脂固化反應過程中，分散著石墨粉的環氧樹脂膠水緊密裹覆在鋼珠表面，聯通成整個導電網絡。由于導電顆粒在環氧砂漿中不能均勻且連續分散，部分導電顆粒之間存在一層很薄的聚合物介質層，獲得能量的電子被激活，從而穿過聚合物勢壘發生躍遷，形成隧道電流并接通導電通路。鋼珠尺度相對石墨粉的尺度大很多，所以將分散著石墨粉的導電砂漿視為一個整體。導電顆粒間的聚合物基體的導電能力也是影響導電通路狀態的重要因素[8]。聚合物基體由于隧道效應具備的電導率σc可以表示為：

式中：σR——導電粒子的電導率，S/m；

d——粒子間基體材料厚度，nm；

A——與導電粒子間基體性質有關的常數。

由式（2）可以得出，在壓縮試驗過程中，粒子間基體厚度d會隨之減小，聚合物基體電導率將有所提高，導致試件整體電阻呈一定的減小趨勢。同樣，根據歐姆定律可以解釋這一現象。這與普遍的聚合物導電混凝土壓縮試驗得到的壓敏性結論相同，隨著應變的增大，試件電阻隨之減小。

由于試驗中嘗試使用的鋼珠在導電體系中不可替代的作用，通過試驗得到不一樣的結論：隨著應變的增大，試件電阻隨之增大。原因在于軸向壓縮過程中，試件受外力壓縮整體變形，而內部的球形鋼珠相對環氧砂漿材料強度更高，即鋼珠變形量遠遠小于外層環氧砂漿，導致環氧砂漿與鋼珠脫離，導電通路斷開。這種宏觀變形產生的電阻變化遠高于上述隧道效應或歐姆定律帶來的電阻變化。

電阻的增長變化機理為：將裹覆于鋼珠表面的環氧砂漿視為流體，鋼珠間的界面層受到剪力作用。由于重度為ρ的基體流動堆積于鋼珠兩側，基體沿鋼珠球面流動速度V減小，即＜0。即根據勢流的伯努利方程[9]：

由式（3）可知，界面層的基體受到壓力P將隨著砂漿的流動而增大，導致界面層動態平衡失穩，從而與鋼珠表面脫離。所以壓縮變形使得鋼珠間的環氧砂漿層斷裂，與鋼珠表面部分脫開，產生貫穿2個鋼珠的豎向裂縫，如圖4所示。主要導電通路由接通變為斷開，試件的總體電阻開始呈現快速上升的趨勢。

圖4 樹脂混凝土內部導電通路示意

由于外部壓力使試件變形，使內部的導電砂漿與鋼珠的緊密貼合狀態發生改變，在恢復變形之后，鋼珠與導電砂漿的接觸狀態仍然會存在部分間隙。所以在重復加載下，已產生的裂縫對導電通路狀態的改變較小，因此隨著加載次數的增加，試件的靈敏度會呈現收斂性的降低。

使用的環氧樹脂混凝土材料有一定的彈性，在壓縮試驗結束后，卸載階段應變和電阻值呈現一定程度的恢復。試件變形逐漸恢復，導致原本脫開的鋼珠與導電膠的表面連接再次接觸，恢復了大部分的導電網絡。隨著時間的推移，試件內部的環氧樹脂趨于完全固化，強度的逐步提升使得導電膠與鋼珠的脫開變得困難，因此14 d和28 d的靈敏度相對較低。當材料內部的環氧樹脂最終固化完成，試件的靈敏度將趨于穩定，即14 d與28 d的靈敏度接近一致。同時由于微小的不可逆結構損傷，使得這一恢復過程最終不能完全恢復，因此試件的靈敏度也會相應的下降。