碳纖維和鋼渣水泥基復合材料導電性及損傷識別研究

譚志催,馬德云，章萬軍，榮 華（.國家工業建構筑物質量安全監督檢驗中心，北京00088；.北京市建筑工程研究院有限責任公司，北京0009；.北京首鋼國際工程技術有限公司，北京0004）

0 引言

我國從建國至今已有70年，伴隨著民生、經濟的迅猛發展，土木工程學科行業也日臻完善，全國各地高樓大廈、居住建筑、公共建筑、工業廠房、橋隧等如雨后春筍般拔地而起。一般建筑的設計基準周期為50年，加之使用環境、改造、標準更迭、建造水平、自然災害等因素，很多既有建筑已出現不同程度的老化、破損，尤其上世紀80年代以前的既有建筑在地震等自然災害面前顯得不堪一擊。因而，對既有建筑結構進行結構健康診治，發現結構損傷，進行防災預測和評估，進行結構安全評估已逐步成為土木工程學科發展的一個重要領域。為探索智能混凝土結構，近年來國內外有關學者開始注重混凝土導電性能和相關機敏性研究[1，2]，李亮等研究了其動力學性能[3]，趙潔等研究了纖維表面鍍鎳對壓敏性能的影響[4]。本文擬結合試驗研究碳纖維水泥基復合材料的導電性，并利用導電性對構件的損傷進行識別。

1 基本思路和模型

導電性是材料的一個基本特性，固定的構件相當于一個完整的導體。從理論上講，在通路情況下，若試塊的應力越大，則應變將會增大，進而產生開裂，隨著裂縫的增大，整個試塊某些截面變小，整體電阻必然增大，測試電阻值可能用于判定構件是否損傷及識別損傷程度。普通的水泥基材和混凝土是不良導體，而碳纖維、鋼渣導電性能極好，為增強材料的導電性能，本文擬在水泥基復合材料中添加不同含量的碳纖維和鋼渣，以研究碳纖維、鋼渣水泥基復合材料的導電性和相關性能。

試驗分兩個階段：第一個階段在水泥凈漿中添加不同含量的碳纖維，測試構件導電性、抗壓和抗折試驗情況下的電阻-應力應變關系；第二階段在添加碳纖維的基礎上參入不同含量的鋼渣，以研究碳纖維-鋼渣構件導電性、抗壓和抗折試驗情況下的電阻-應力應變關系。試驗構件模型尺寸為400mm×400mm×1600mm，在距離兩端各30 mm處預埋銅片、引出導線，測量試塊的電阻值，見圖1。

圖1 試件模型及成品

2 第一階段試驗過程及結論

第一階段為在水泥凈漿試塊中按不同的體積百分率摻入碳纖維進行試驗，水泥采用盾石牌325普通硅酸鹽水泥，摻入分散劑(甲基纖維素：取質量分數0.4%)、消泡劑（磷酸三丁酯：取質量分數0.1%），碳纖維采用短切的PAN基碳纖維，按體積摻量的不同（占總體積量：0%，0.4%，0.8%，1.2%，1.6%）5組試驗，每組制作試件9個（留樣3個，抗壓試驗3個，抗折試驗3個），水灰比0.30。碳纖維性能見表1，碳纖維用量及分組見表2。

表1 碳纖維性能表

表2 PAN碳纖維用量及分組表

2.1 導電性試驗結果及分析

本階段試驗前7天每天都要測量其電阻值，以后則間隔測量試塊的電阻值。養護第60d各組平均電阻值與纖維含量關系如圖2，各組電阻平均值和養護時間的關系圖如圖3。分析圖2、圖3，可得出如下結論：

（1）不摻碳纖維的試件60d電阻值約為10000 Ω，纖維體積率低于1.2%時，試件60d電阻值呈線性下降，摻入量為1.2%時，試件60d電阻值約600 Ω，說明碳纖維對試件導電性有非常顯著的影響；

（2）纖維體積率為1.2%～1.6%時，試件60 d電阻值（約為600Ω）呈水平直線狀態，說明1.2%為本次試驗的最佳摻入量，摻入量大于1.2%不會對導電性產生顯著影響；

（3）見圖3，碳纖維顯著影響試件導電性，纖維體積率1.2%和1.6%的試件測試電阻值基本相同，說明1.2%為本次試驗的最佳摻入量，摻入量大于1.2%不會對導電性產生顯著影響；

（4）見圖3，纖維體積率為0.8%～1.6%時，試件電阻值在7天后隨時間變化較為平穩；纖維體積率為0.4%時，試件電阻值在30天后隨時間變化較為平穩；沒有摻入碳纖維的試件電阻值整體呈上升趨勢、約50天后趨于平穩。說明碳纖維對試件導電穩定性有顯著影響。

圖2 60d電阻和纖維含量關系圖

圖3 電阻和時間關系圖

2.2 抗壓試驗結果及分析

養護60d后，每組隨機選取3個試塊進行抗壓試驗，分析碳纖維水泥基復合試件的電阻-應力變化關系及應變-應力關系。試驗分級加載，每次加力8 kN，加載面積為40 mm×40 mm，折合成壓應力為每級5 MPa，逐級加載，同時測試并記錄其應變值。抗壓試驗示意圖見圖4，電阻-應力變化關系見圖5，應變-應力關系見圖6。

圖4 抗壓試驗示意圖

分析圖5和圖6，可得出如下結論：

（1）無論是電阻-應力關系圖，還是應力-應變關系圖在加載后期大都會出現突變，其原因是試件受到較大的損傷，開裂截面不斷增加，裂縫逐漸增大，裂縫處纖維之間的連接逐漸被削弱，從而導致整個試塊電阻值或應變值出現較大的變化。利用這個突變處的電阻值與其他應力處的電阻值進行比較即可判斷試件是否損傷。

（2）比較電阻-應力關系圖和應力-應變關系圖可以看出，后者的突變較前者更明顯。這與測量方法的準確性有關系，由于本試驗采用的是兩級法測量電阻，所以不能很有效的消除兩端銅片產生的接觸電阻，對試驗結果產生了一定影響。

圖5 電阻-應力關系圖

圖6 應變-應力關系圖

2.3 抗折試驗結果及分析

養護60d后，每組取3個試塊進行抗折試驗，分析碳纖維水泥基復合試件的電阻-荷載變化關系及應變-荷載關系。試驗分級加載，每次加力0.30kN，折合成拉應力為每級1 MPa，逐級加載，同時測試并記錄其應變值。抗壓試驗示意圖見圖7，電阻-荷載變化關系見圖8，應變-荷載關系見圖9。

分析圖8和圖9，可得出如下結論：

（1）在試件破壞前電阻或應變值都會出現突變，若以破壞前一級電阻為臨界電阻，其他時刻電阻與定義的臨界電阻比較即可判斷試件是否損傷，其差別程度則可以說明試件損傷的嚴重程度。也可以定義此臨界電阻值為1，其他時刻電阻值與臨界電阻的比值大于1的即可定義為已破壞試件，小于1的即為未破壞試件。其差別程度同樣可以反映試件損傷的嚴重程度。

圖7 抗折試驗示意圖

圖8 電阻-荷載關系圖

圖9 應變-荷載關系圖

（2）從以上抗壓試驗和抗折試驗數據分析可以看出，摻有碳纖維的水泥試塊其抗壓強度并未得到提高，而起抗拉強度則較素水泥試塊得到了較大的提高。首先，這是因為碳纖維具有較高的抗拉強度，本試驗采用的碳纖維抗拉強度達到了3 000～3500MPa，高抗拉強度的碳纖維散布在水泥基體中也相應的增強了水泥基體的抗拉強度。其次，細小的碳纖維提高了水泥試塊的密實度，從而提高了其抗拉強度。

3 第二階段試驗過程及結論

普遍認為鋼渣較水泥灰強度高、導電性好，故本試驗設計了第二階段試驗，在碳纖維水泥基體中摻入鋼渣，利用鋼渣等質量代替部分水泥，重復進行第一階段的試驗過程，測試碳纖維-鋼渣水泥基復合試件的導電性、抗壓和抗折性能。

參考1階段試驗結果，碳纖維摻入量恒定采用體積率1.2%，鋼渣摻量按與水泥灰質量比0、0.3、0.6、1、1.5和 2，分 6組進行試驗（編號 0～5組），外加劑、水灰比等同第一階段。第二階段計劃每組制作試塊6個，共制作碳纖維-鋼渣水泥基復合試件33個（后由于鋼渣數量不夠第5組只做了3個試塊），過程略。

3.1 導電性試驗結果及分析

本階段試驗養護第60d各組平均電阻值與鋼渣含量關系如圖10，各組電阻平均值和養護時間的關系圖如圖11。分析圖10，11，可得出如下結論：

圖10 60天電阻和鋼渣含量關系圖

圖11 電阻和時間關系圖

（1）試件60d電阻值與鋼渣含量無規律性，即鋼渣沒有顯著影響碳纖維水泥基復合試件的導電性；

（2）比較摻入鋼渣和沒摻鋼渣的曲線，可以看出，沒摻鋼渣的曲線較之摻入鋼渣的曲線較為平穩，也與1階段D組日均電阻值圖較為符合；

（3）摻入鋼渣后，水泥試塊電阻值的變化在30～40d時是最不穩定的，到了45d后則逐漸趨于平穩，其值只有第4組試塊較之1階段有較大幅度減小（減小了1/3），而其他組電阻值則并未出現明顯減小。

3.2 抗壓試驗結果及分析

進行第二階段抗壓試驗，過程與第一階段相同，電阻-應力變化關系見圖12，應變-應力關系見圖13。分析圖12和圖13，可得出如下結論：

（1）該階段試驗結果與第一階段相似，從電阻－應力關系圖和應力－應變關系圖可以看出在加載后期豎軸數值大都會出現突變，同樣可以定義一個臨界電阻，利用這個突變處的臨界電阻與其他應力處的電阻值進行比較即可判斷試件是否損傷。

圖12 電阻-應力關系圖

圖13 應變-應力關系圖

4.3 抗折試驗結果及分析

進行第二階段抗折試驗，過程與第一階段相同，電阻-荷載變化關系見圖14，應變-荷載關系見圖15。分析圖14和圖15，可得出如下結論：

圖14 電阻-荷載關系圖

圖15 應變-荷載關系圖

（1）比較兩個階段試驗情況，對于兩個階段大部分試塊而言，試塊電阻值或應變在加載后期都會出現較大突變，定義突變處的電阻值為臨界電阻，其他時刻的電阻值與這個定義的臨界電阻比較即可判別是否損傷，根據差值的大小還可以判斷損傷的嚴重程度。

（2）比較前后兩個階段可以看出，在摻加碳纖維的基礎上摻入鋼渣后，水泥試塊的導電性能變化起伏較大、不穩定。

4 總結

本文試驗和研究了碳纖維水泥基復合試件和碳纖維-鋼渣水泥基復合試件的導電性能、抗壓抗折性能，試驗表明：

（1）碳纖維能夠顯著改善水泥基材的導電性，碳纖維參量大于等于1.2%時，其導電性能最佳，且碳纖維對試件導電穩定性有顯著影響；

（2）在碳纖維水泥基材中參入鋼渣并不會顯著影響試件導電性，會顯著影響導電穩定性；

（3）抗壓和抗折試驗結果表明利用導電性判斷構件是否損傷（開裂）及損傷程度在試驗上是可行的（相關作用機理還需深入研究）。