碳纖維RPC力電性能綜述

溫曲星 王麗霞 張?jiān)讫?/p>

（1.吉林建筑大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130118；2.吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118）

0 引言

混凝土是當(dāng)代工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的原材料，優(yōu)點(diǎn)是能夠就地取材，資源儲(chǔ)備量大，價(jià)格低廉，可塑性好，并且由于溫度線膨脹系數(shù)相近所以能與鋼構(gòu)件結(jié)合使用并且整體性好。混凝土是現(xiàn)代工程領(lǐng)域中使用最廣泛的原材料，它具有儲(chǔ)量大，成本低和可塑性極佳的優(yōu)點(diǎn)，因此，它被廣泛用于世界各地的橋梁、公路、隧道、港口和工業(yè)和私人建筑，但其強(qiáng)度低限制了其進(jìn)一步發(fā)展。

然而，其低強(qiáng)度限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。面對(duì)日益嚴(yán)重的交通環(huán)境以及建筑業(yè)的迅速發(fā)展，人們對(duì)更高強(qiáng)度和耐久性的材料的需求已經(jīng)提到日程上來。而活性粉末混凝土因其良好的力學(xué)性能和耐久性受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，簡(jiǎn)稱RPC)是繼高強(qiáng)混凝土、高性能混凝土之后，于1994 年開發(fā)出的水泥基復(fù)合材料[1]。RPC 的基本設(shè)計(jì)思路是通過加入硅灰提高材料組分的細(xì)度和活性，剔除粗骨料以提高基體勻質(zhì)性及減少材料內(nèi)部的缺陷，加入高效減水劑提高流動(dòng)性，以獲得超高強(qiáng)度和高耐久性，進(jìn)行適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)以進(jìn)一步提高早期強(qiáng)度，RPC 由于其優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能在工程應(yīng)用中將越來越受到重視

在RPC 中加入碳纖維可形成高性能纖維混凝土。與普通碳纖維混凝土相比較，碳纖維RPC 不僅可以大幅提高混凝土的整體強(qiáng)度和韌性，還可以有效阻止裂縫的發(fā)展，防止混凝土結(jié)構(gòu)損傷的進(jìn)一步發(fā)展和積累，從而大大提高了混凝土的抗變形能力和耐久性。而且RPC 組成成分的硅灰和礦粉也可以提高碳纖維的分散，這對(duì)混凝土的導(dǎo)電性和壓敏性[2]具有很大的影響。本文主要對(duì)碳纖維RPC 的力學(xué)性能、電學(xué)性能及壓敏特性的研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納總結(jié)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

日本的Norio Muto 等在1992 年最早提出了“自診斷機(jī)敏混凝土”概念。這種混凝土集功能與結(jié)構(gòu)為一體，使混凝土具有在通過自身的物性變化來反應(yīng)外界環(huán)境對(duì)自身作用的能力[3]。20 世紀(jì)90 年代初，各國學(xué)者僅對(duì)碳纖維混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究，研究表明：與普通混凝土相比，CFRC 具有更好的抗壓、抗拉性能以及更高的延性、抗沖擊和抗凍融性能，同時(shí)其耐腐蝕性也大大提高。在此之后，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)碳纖維增強(qiáng)混凝土的壓敏性、導(dǎo)電性、溫敏性及電磁屏蔽的性能進(jìn)行研究，同時(shí)對(duì)CFRC 材料的配合比、工藝和機(jī)理等方面進(jìn)行了探討，并取得了重大突破。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明CFRC 具有感知應(yīng)變、損傷、溫度以及電場(chǎng)等功能。可以制成具有實(shí)時(shí)感知性能的傳感器，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型土木工程結(jié)構(gòu)的在線健康檢測(cè)。美國D.D.L.Chung 教授及其課題組首先發(fā)現(xiàn)了碳纖維的摻入可以使混凝土的電阻隨材料的變形而改變，并把這種試驗(yàn)現(xiàn)象稱為壓敏性。研究表明[4]，在循環(huán)壓縮加載時(shí)，碳纖維水泥砂漿的電阻率隨著應(yīng)力（應(yīng)變）增大而減小，隨著應(yīng)力（應(yīng)變）減小而增大。其中對(duì)拉應(yīng)變的靈敏系數(shù)可達(dá)到700，是一般箔式電阻應(yīng)變計(jì)的300 多倍，這為自感知水泥基復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

我國對(duì)于纖維混凝土的研究起步相對(duì)較晚，但是發(fā)展速度很快，并在我國學(xué)者的不懈努力下取得了豐厚的研究成果。李卓球[5]帶領(lǐng)的課題組在國內(nèi)較早開展了碳纖維機(jī)敏混凝土的研究，發(fā)現(xiàn)彈性范圍內(nèi)碳纖維混凝土的電阻是可逆的，而在彈塑性范圍外或開裂后，其電阻是不可逆的，因此根據(jù)碳纖維混凝土的電阻變化規(guī)律就可以預(yù)測(cè)其自身的損傷狀況。李源[8]研究了CFRC在短柱中的應(yīng)用，研究了CFRC 傳感器及短柱的制作工藝，研究了在單調(diào)荷載作用下，CFRC 智能塊的相對(duì)電阻隨荷載、應(yīng)變、位移的變化關(guān)系。并利用數(shù)學(xué)方法總結(jié)出應(yīng)力（應(yīng)變）與電阻之間的關(guān)系公式，為碳纖維混凝土結(jié)構(gòu)的推廣和應(yīng)用提供了必要的理論依據(jù)。

2 碳纖維RPC 力學(xué)性能

1、抗拉強(qiáng)度：碳纖維對(duì)RPC 抗拉強(qiáng)度提高作用十分明顯。碳纖維的摻入可以分散基體內(nèi)毛細(xì)管的收縮應(yīng)力，能有減少應(yīng)力集中的現(xiàn)象，并且在RPC中碳纖維可以起到減緩裂縫開裂的作用。在外部施加荷載作用時(shí)，由于碳纖維的加入，使RPC 的橫向受力出現(xiàn)約束，從而延緩基體破壞。因此，碳纖維對(duì)于RPC 的抗拉性能的提升尤為顯著。試驗(yàn)表明[7]，碳纖維的摻入對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度有很大的提高，并且在一定范圍內(nèi)，抗拉強(qiáng)度與碳纖維含量呈現(xiàn)良好的線性增長(zhǎng)關(guān)系。

2、抗折強(qiáng)度：碳纖維對(duì)RPC 的抗折強(qiáng)度的提高起著非常大的作用。由于碳纖維的彈性模量遠(yuǎn)大于RPC，在RPC 中起到橋接裂縫的作用，在RPC出現(xiàn)裂縫后碳纖維可限制其宏觀裂縫的擴(kuò)展，從而大大提高了試件的承載能力。試驗(yàn)表明[7]：碳纖維RPC 的抗折強(qiáng)度基本上是隨著碳纖維摻量的增加而增大，呈現(xiàn)出遞增趨勢(shì)并在碳纖維摻量為2%時(shí)達(dá)到最大。

3、抗壓強(qiáng)度：柯開展研究了碳纖維RPC 在不同養(yǎng)護(hù)制度和纖維摻量下的棱柱體抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明：摻入碳纖維對(duì)RPC 抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)作用是明顯的，且有顯著的增韌和阻止微裂縫開展的作用，但對(duì)最終的破壞形態(tài)貢獻(xiàn)不大。這是因?yàn)楫?dāng)摻量未達(dá)到結(jié)團(tuán)界限時(shí)，碳纖維在RPC 中充分發(fā)揮阻裂效應(yīng)，阻礙了RPC 的橫向擴(kuò)展，這在一定程度上提高了RPC 的抗壓強(qiáng)度。但當(dāng)碳纖維摻量大于臨界值時(shí)，混凝土基體內(nèi)部碳纖維會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部缺陷增加，抗壓強(qiáng)度有所降低。

3 碳纖維RPC 電學(xué)性能

碳纖維不僅對(duì)混凝土的力學(xué)性能有很大提升，而且還可以利用其導(dǎo)電性在電磁干擾屏蔽和冬季路面融雪等方面發(fā)揮重大作用。Faneca 等[8]將不同長(zhǎng)度的碳纖維摻入到混凝土中，發(fā)現(xiàn)制得的試塊具有較好的導(dǎo)電性和力學(xué)性能。這是由于未摻碳纖維的素RPC 是不良導(dǎo)體，在內(nèi)部主要靠離子進(jìn)行導(dǎo)電，這使得RPC 的電阻很大，而碳纖維具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，在RPC 基體中相互搭接構(gòu)成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，這使RPC 得電阻發(fā)生斷點(diǎn)式下降。

4 碳纖維RPC 壓敏性能

碳纖維RPC 壓敏性能表現(xiàn)在受到外界荷載作用時(shí)，材料的電信號(hào)（電阻、電壓、電流等）隨著外荷載的改變而做出相應(yīng)的響應(yīng)變化，這種現(xiàn)象被稱為壓敏特性。與力學(xué)參數(shù)（應(yīng)力、應(yīng)變等）相比，電信號(hào)更容易被采集和測(cè)量，因此通過檢測(cè)電信號(hào)可以實(shí)時(shí)記錄材料受到的應(yīng)力、應(yīng)變情況。李源[8]研究了碳纖維摻量為0.3%、0.5%、0.9%時(shí)對(duì)混凝土電學(xué)性能及力學(xué)性能的影響，研究表明：CFRC 的相對(duì)電阻隨受壓荷載的增加而減小，在碳纖維摻量達(dá)到0.5%時(shí)，CFRC 的壓敏性較明顯，壓敏性效果最好，且在摻量為0.5%時(shí)，對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度提升最大；同時(shí)隨著碳纖維含量的增加，CFRC 的劈裂強(qiáng)度也隨之增大。陸見廣[9]研究碳纖維摻量依次為0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%時(shí)對(duì)電阻率的影響及碳纖維摻量為0.6%時(shí)的壓敏性，結(jié)果表明：碳纖維水泥凈漿試塊的上臨界值為0%-0.2%，下臨界值為0.6%，試驗(yàn)獲得最佳靈敏度的碳纖維最佳摻量為0.6%。這是因?yàn)樗淼佬?yīng)是碳纖維RPC 發(fā)生壓敏性的直接原因。在外荷載作用下，相鄰碳纖維之間的間隔減小，這使得電子發(fā)生躍遷的可能性增加，因此導(dǎo)致RPC 的電阻率降低。實(shí)驗(yàn)證明，纖維摻量對(duì)碳纖維RPC 的壓敏性影響很大。當(dāng)纖維摻量過少時(shí)，相鄰纖維之間的間隔很大，電子仍然難以克服勢(shì)壘，無法形成隧道效應(yīng)，因此壓敏性不好；當(dāng)纖維摻量過多時(shí)，纖維之間已經(jīng)搭接成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，隧道效應(yīng)很弱，壓敏性同樣不理想。因此，需要合適的碳纖維摻量，使得纖維在基體中均勻分散，纖維之間的距離適中，在外荷載作用下既可發(fā)生隧道效應(yīng)，又不會(huì)使纖維之間連接成通路，此時(shí)才能獲得最佳的壓敏性。

5 結(jié)束語

碳纖維RPC 在實(shí)際工程中的應(yīng)用有很大的優(yōu)勢(shì)，其強(qiáng)度高、耐久性強(qiáng)，可滿足實(shí)際項(xiàng)目工程中的各種使用需求，尤其是在橋梁方面的建設(shè)中，對(duì)橋梁耐久性的提高起到了積極的促進(jìn)作用。現(xiàn)階段碳纖維RPC 的研究仍然是一個(gè)新興領(lǐng)域，目前在力學(xué)性能方面的研究，對(duì)碳纖維能提高RPC 力學(xué)性能和耐久性，顯著增強(qiáng)RPC 的抗裂性能和韌性已基本達(dá)成共識(shí)。同時(shí)，碳纖維RPC 還具備極強(qiáng)的使用壽命，這將會(huì)大大減少工程結(jié)束后的維修養(yǎng)護(hù)成本。