水泥基智能材料構筑及機敏性能研究

周界龍 王林彬 易碧良 高 寒 王海洋

（1 廣州北環智能交通科技有限公司；2 華南農業大學 水利與土木工程學院）

0 引言

水泥基智能材料，相較于傳統的水泥材料，能更好地應對建筑物受損的問題。在水泥基材料中加入本身具有傳感、反饋、自我診斷、調節功能和信息積累等功能的智能材料，不僅可以大大提高建筑物的安全性和穩定性，還能很大程度上減少了人工診斷、修復的過程，節省人力物力。通過試驗研究可以找到更方便、更智能的水泥材料配比方案，配制出更先進的水泥基智能材料。在水泥基中混入少量納米級材料如納米炭黑、鋼纖維等，有可能找到智能性更強的水泥基材料。這類材料對電信號的機敏性可以運用于檢測構筑物的裂縫，而這類材料對壓力信號的機敏性則可以用于反映構筑物所出現的形變。目前關于以水泥為基體的智能復合建筑材料的研究還很少。

本實驗旨在利用鋼纖維與基體間的橋接作用來增強水泥基材料的機械性能，以納米炭黑的高強、高導電性特性來輔助完善復合材料機械性能和構筑機敏性能，測量其在不同養護條件下的抗壓、抗折、抗拉性能，以及使用四電極法測試不同納米炭黑摻量的復合材料的機敏性能。

1 試驗研究

1.1 原材料

水、52.5 級普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、石英砂、鋼纖維、超導納米炭黑、減水劑。

1.2 實驗測試方法

1.2.1 抗壓強度測試

本實驗采用100mm×100mm×100mm 混凝土立方體試塊進行試驗，按照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢測方法》進行測試。將混凝土試塊置于微機控制電液伺服萬能試驗機下，可以達到的最高荷載為1000kN。采用連續、均勻加載方式，以0.4MPa/s 的速率進行加載。在試件破壞后記錄試件破壞時的強度值，每組包含3 個試件，取3 個試件抗壓強度平均值為最終結果。

1.2.2 抗折強度測試

實驗材料：根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》規定，實驗采用100mm×100mm×100mm 混凝土試塊（非標準試件），在標準養護條件下（溫度20±2℃，相對濕度95%以上）養護。每組包含3 個試件。

實驗方法：用MTS 萬能試驗機測定其抗折強度，加載均勻、連續，加載速度取0.05～0.08MPa/s，并使兩個相等荷載同時作用在試件兩端距離試件邊緣75mm 處，如圖1 所示。

圖1 MTS 壓力機測定抗折強度示意圖

數據處理：參照《GB/T 50081－2019 混凝土物理力學性能試驗方法標準》，彎曲抗折強度計算公式為：

式中：

fft，m——混凝土的抗折強度，MPa；

Pmax——最大荷載，mm；

l——支座間距，mm；

b——試件截面寬度，mm；

h——試件截面高度，mm。

在使用非標準試件進行試驗時，要乘以尺寸換算系數0.85。每組試件中若有一個折斷面位于兩個集中荷載之外，則抗折強度按另外兩個試件的實驗結果計算。若這兩個測量值之間的差值不大于較小值的，則抗折強度按兩個數值的平均值計算，否則實驗無效。

1.2.3 劈拉強度試驗

試塊的劈拉性能測試按照《水工混凝土試驗規程》(DL/T 5150—2001)中規定進行。本實驗采用100mm 邊長立方體作為標準混凝土試塊進行試驗，墊條規格：截面為5mm×5mm，長度約為200mm，使用壓力機以0.04～0.06MPa/s 的加載速率進行加荷，劈拉試驗試塊受力示意圖如圖2 所示。

圖2 劈拉試驗受力示意圖

試件劈裂抗拉強度計算公式為：

式中：

fts——劈裂抗拉強度，MPa；

P——破壞荷載，N；

A——試件劈裂面面積，mm2。

本試驗劈裂抗拉強度取值方式：每種配合比在不同養護條件下分別取3 塊進行試驗，取3 個試塊的平均劈裂抗拉強度值作為試塊試驗值。

1.2.4 機敏性能測試

機敏性測試采用四電極法，在砂漿試件的制備過程中(振搗完成后)埋入電極。4 片電極沿試件中線對稱布置，內側電極之間設置距離為60mm，外側電極之間的設置距離為100mm，電極高度為40mm，寬度為10mm，厚度為1mm，電極植入砂漿內部的高度為30mm。電極片尺寸及其布置示意圖見圖3。

圖3 電極片尺寸及其布置示意圖

外側兩電極作為測量電流用，內側兩電極作為測量電壓用。電源采用交流穩壓電源，電壓和電流的測量采用數字萬用表進行。電阻計算公式為：

式中：

R——電阻，Ω；

U——電壓，V；

I——電流，A。

考慮試樣尺寸后計算出電阻率，其計算公式為：

式中：

ρ——電阻率，Ω·mm2/mm；

S——試件橫截面面積，mm2；

L——試件長度，mm。

2 配合比研究

2.1 水膠比

分別設定水膠比w/b=0.16、0.17、0.18、0.19、0.20，膠凝材料為水泥、粉煤灰，集料為石英砂，減水劑摻量為膠凝材料質量的3.5%。

表1 水泥凈漿配比設計

對上述實驗組分別進行3d、7d、28d 抗壓、抗折、劈拉強度實驗。

在試驗中可以發現A3 組的流動性和工作性能更加優異，沒有泌水現象，接下來的研究在A3 組基礎上進行。

2.2 鋼纖維摻量研究

在A3 實驗組的配比基礎上摻入鋼纖維，摻量分別設定為1.8vol%、1.9vol%、2.0vol%、2.1vol%，因鋼纖維具有良好的導電性，故對鋼纖維水泥基復合材料進行機敏性能測試。

對上述實驗組采取自然養護和澆水養護，并進行3d、7d、28d 抗壓、抗折、劈拉強度實驗，對養護28d 的復合材料進行機敏性能測試。

從工作性能和經濟效益出發，挑選B3 實驗組的配合比進行后續試驗研究。

表2 鋼纖維水泥基復合材料配比設計

2.3 納米炭黑摻量研究

在B3 實驗組的配比基礎上摻入納米炭黑，摻量分別設定為水泥質量的0.3%、0.5%、1.0%、2.0%，但因為納米炭黑具有的長徑比大，范德華引力高，因此納米炭黑在混合物中很容易呈現出團狀，影響材料的均勻分布，采用超聲分散法對納米炭黑進行分散處理。

對上述實驗組采取自然養護和澆水養護，并進行3d、7d、28d 抗壓、抗折、劈拉強度實驗，并對養護28d 的復合材料進行機敏性能測試。可以發現，當混凝土水膠比為0.18、鋼纖維摻量2%、納米炭黑摻量0.5%時，制備的水泥基材料能達到預定試驗要求。

表3 鋼纖維-納米炭黑水泥基復合材料配比設計

3 結論與展望

通過上述試驗可以發現，在水泥基材料中摻入合適摻量的鋼纖維和超導納米炭黑，通過規范的制備工藝和流程，可以得到力學性能、機械性能、機敏性能優異的高性能混凝土拌合物。本研究發現，當混凝土水膠比為0.18、鋼纖維摻量2%、納米炭黑摻量0.5%時，制備的水泥基材料具備高強、自診斷、易檢測等特性，通過對該混凝土機敏性能的開發利用，可以實現對構筑物受力情況的監測，同時反映構筑物裂縫的產生和發展情況，可以運用在新型智能建筑材料領域。