混凝土柱中石墨水泥砂浆试块的压阻特性研究.pdf

混凝土柱中石墨水泥砂 浆试块的压阻特性研 究 范晓明等 6 9 混凝土柱 中石墨水泥砂浆试块 的压 阻特性研 究 范晓明 ， 方 东 ， 李卓球 ， 孙明清 ( 1 武汉理工大学材料科学与工程学院， 武汉 4 3 0 0 7 0 ； 2 武汉理工大学理学院， 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘要 将石墨 水泥砂浆( GC C) 试块( 4 0 mmX4 0 minx4 0 mm) 预 埋混凝 土柱 ( 1 O O mml O O m m3 0 0 mm) 中， 利 用四电极法研究了其在混凝土柱受到不同幅值循环荷载和单调加载作用下的压阻特性。研 究结果表明， G C C试块 体积电阻的变化率与混凝土柱的受力状态呈现 良好的对应关系。 关键词 石墨水泥砂浆压阻特性智能结构混凝土 S t u d y o n t he Pi e z o r e s i s t i v i t y o f Gr a p hi t e Ce me nt M o r t a r Bl o c k Em b e d d e d i n Co n c r e t e Co l u mn F AN Xi a o mi n g ，FANG Do n g ，LI Z h u o q i u 。 ，S UN M i n g q i n g ( 1 S c h o o l o f Ma t e r i a l s Sc i e n c e a n d En g i n e e r i n g，W u h a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y， W u h a n 4 3 0 0 7 0； 2 Sch o o l o f Sc i e n c e ，Wu h a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y， W u h a n 4 3 0 0 7 0 ) Ab s t r a c t Th e p i e z o r e s i s t i v i t y o f g r a p h i t e c e me n t - b a s e d e o mp o s i t e s ( GCC)b l o c k( 4 0 mm 4 0 mmX 4 0 mm)e m b e d d e d i n t h e c o n c r e t e c o l u mn ( 1 O O mmX 1 0 0 mm3 0 0 ram)wh i c h i S s u b i e c t t O d i f f e r e n t a mp l i t u d e s o f c y c l i c l o a d i n g a n d mo n o t o n i c l o a d i n g a r e s t u d i e d b y f o u r - e l e c t r o d e me t h o d，a n d t h e f e a s i b i l i t y u s i n g G CC b l o c k t O mo n i t o r s t r e s s a n d s t r a i n s t a t e o f c o n c r e t e c o l u mn i s a l s o d i s c u s s e d Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e i s g o o d c o r r e s p o n d i n g r e l a t io n s h i p b e t we e n t h e v o l u me r e s i s t a n c e c h a n g e r a t e o f GCC b l o c k a n d t h e c o mp r e s s i v e s t r e s s o f c o n c r e t e c o l u mn Ke y wo r d s g r a p hi t e c e me n t mo r t a r ，p i e z o r e s i s t i v i t y，s ma r t s t r u c t u r e ，c o n c r e t e 水泥基导电复合材料 具备本 征 自感 知功能 1 ， 其压阻 特性是实现土木工程健康监测功能 的基础 。目前 ， 水 泥基压 阻复合材料一般以碳纤维为主 ， 其性能和应用形式已得到了 较为系统的研究 3 。由于碳纤 维价格 昂贵 ， 导致碳纤维水 泥基复合材料造价较高 ， 同时又由于存在骨料 ， 使得在现有 制备工艺下获得的压敏性其重复性和稳定性不够理想 ， 此外 钢筋等导电体也给碳纤维混凝土结构 的电阻测量带来许多 问题l_ 7 。欧进萍等E 提出了一种碳纤维水泥基 复合 材料新 型的应用形式 ， 即应用碳纤维水泥石制作 嵌入式压敏传感 器 ， 这样既降低了造价又可通过工艺的精 细化而解决制备问 题 。 石墨水泥基复合材料 ( G C C ) 的电学性能和 自感 知特性 的研究结果 9 3 表明， 内掺 C C C W 的石墨水泥砂浆试样具有 良 好的压阻性能。为了解 GC C试块在多轴变形状态下 的压电 电阻性能 ， 为其工程应用提供参考依据 ， 研究 了预埋 混凝 土 柱中的 GC C试块在混凝土柱受到不 同幅值的循环荷载和单 调荷载时的压阻特性 。 1 试验 1 1 G C C试块的制备及电阻测试 原材料包 括 4 2 5普通硅酸盐水泥 、 石英砂 ( 颗粒度为 0 1 5 4 0 3 1 5 ra m) 、 鳞片石墨( 石墨纯度大于等于 9 7 ， 颗粒 度小于等于 0 0 7 1 m m) 、 自来水和 C C C W 材料 的 K I M 水 泥 添加剂 。灰砂 比( 质量 比) 为 1： 1 ， 水灰 比( 水 与水泥 +石墨 的质量 比) 为 0 4 2 。K I M 和石墨 的加入量分别为水泥质量 分数的 4 和 3 0 。先按比例称取各组分， 将水泥、 K I M、 石 墨与砂进行干拌后， 倒入砂浆搅拌机搅拌 ， 并 逐步加入拌合 水 。待均匀后 ， 放人金属模具中， 并在振动台上震实 2 m i n ， 置 于室内， 1 天后脱模 ， 标准养护 2 8 天。然后磨平试块表面 ， 并 用无水乙醇将其洗净， 晾干。用银粉导电胶在试块表面制成 4 个电极 ， 采用 四电极法测试石墨水泥砂浆试块的电阻。外 侧 2 个电极由 KE I T HL E Y直流稳压电源作为恒流源 ， 内侧 2 个电极连接 2 7 0 0 多通道数据 自动采 集处理系统记录电压 值。中间 2个 电极 间 的体积 电 阻 RVI I ， 电阻率 为 ID R S L， 其中 S =4 0 mmX4 0 mm， L=2 0 mm。 1 2 内嵌 G C C试块混凝土柱的制备 混凝土柱为 1 0 0 m mX 1 0 0 m m3 0 0 m m 的棱柱体 ， 强度 等级取 C 3 0 ， 材料及用量 为 ： 4 2 5普通硅 酸盐水泥 4 2 7 k g m 3 ， 中砂 6 2 6 k g m a ， 石子 l 1 6 3 k g m a ， 水 1 6 9 0 k g m a 。混凝 土的搅拌浇注过程和设备与一般混凝土相同， 2 4 h后拆模， 放 于标准养护室中养护 2 8天。在混凝土柱浇注成 型过程 中， 利用 自制定位架将用环氧树脂密封好的 G C C试样布设于柱 *国家自然科学基金资助项 目( 5 0 8 7 8 1 7 0 ； 1 0 6 7 2 1 2 8 ) 范晓明： 男， 1 9 6 3年生， 双硕士， 博士生， 副教授， 研究方 向为智能材料与结构Te l ： 0 2 7 8 7 8 6 9 3 1 7 E - ma i l ： f a n x mwh u t e d u c n 7 0 材料导报 ： 研究篇 2 0 1 0年 2月( 下) 第 2 4 卷第 2 期 中心 ， 如图 1所示。G CC试块 的电极用导线 引出混凝土柱 外 ， 电阻测试方向与柱的加载方向平行。 图 1 预埋柱中心 G C C试块压阻性能的测试示意图 F i g , 1 S k e t c h o f p i e z o r e s i s t i v i t y t e s t o f GCC b l o c k e mb e d d e d i n c o n c r e t e c o l u mn 1 3 测试 采用 I N S T R O N 5 8 8 2 万能材料试验机测定混凝土柱 中 G C C试块在不同幅值压力下 1 O 次循环加载时的电阻变化； 采用 WE - 1 0 0液压式万能材料试 验机上进行单调加载破坏 试验。循环加载采用三角波加载， i 见 0 试环境条件为 R H 7 5 和 2 0 C。加载过程中同步采集电阻。 2 结果及讨论 2 1 循环荷载 下混凝土柱 中 内嵌 G C c试 块的压 阻 特性 图 2 为混凝土柱轴向压力 幅值分别为 l O k N、 3 1 3 k N和 6 2 5 k N时在单轴压力循环荷载作用下预埋柱中心 G C C试 块电阻的变化率曲线。从图 2 中可以看出 ， 试块的电阻变化 率与柱所受的压应力呈现鲜明的对应关系， 3条曲线的力 电 变化规律基本相 同。在每个循环过程中， 加载时， 试块 的电 阻变化率随荷载的增大呈近似线性关系降低 ； 卸载时， 电阻 变化率则随荷载的减小呈近似线性关系增加， 电阻的回复性 较好 。但是在不同加载幅度下 ， 电阻变化率 的相对变化与荷 载之间存在一定的差异。随着循环次数的增加 ， 卸载后的初 始电阻( 荷载为 0 ) 逐渐下降， 电阻变化率的峰值逐 渐减小 。 而当荷载幅值逐步变大时， 试块电阻变化率峰值的变化逐步 减小 ， 并随循环次数的增加逐步趋于稳定 ， 见图 2 ( c ) 。荷载 幅值越大 ， G C C试块的电阻变化率越大 。 2 2 单调加载 下混凝土柱 中内嵌 G C C试块 的压 阻 特性 对应混凝土柱单调加载直至其破坏的 G C C试块 电阻变 化曲线如 图 3所示。由图 3可知 ， 在 混凝土柱受 压前期 ， G C C试块测得的电阻值随压力的增大逐渐减小。当进入加 载后期 ， G C C试块进入塑性变形阶段时， 其电阻值逐渐稳定 。 随着压力的继续增大， 混凝土柱逐渐被压坏 ， 内嵌的 G C C试 块亦不断出现裂缝 ， 电阻值逐步增大 ， 直至破坏。因此， 图 3 中AB 、 B C和 C D 3个 阶段分别对应于 GC C试块 的弹性范 围、 塑性范围和破坏范围。当混凝土柱被加载到最大值而被 破坏时， G C C试块的电阻测试才中断， 表明 G C C试块完整地 监测了混凝土柱从开始受载直至破坏的全过程。 、 1 、 I 图 2 不同幅值循环荷载作用下 G C C试块的电阻变化率 F i g 2 Resi s t a n c e c h a n g e r a t e o f GCC s p e c i me n u n d e r t h e d i f f e r e nt a mp l i t u d e s o f c y c l i c l o a di n g 图 3 单调荷载作用下 G C C试块体积电阻的变化 曲线 Fi 舀 3 Th e v o l u me r e s i s t a n c e o f GCC b l ock u n d e r mo n o t o n i c l o a d i n g 2 3 讨论 G C C试块的含水量会极大地影 响其电阻值 ， 因此 ， 预埋 之前的环氧树脂密封显得极为重要 。实验结果表明， 环氧树 日 、 b 皇m A I 昌0 u 日 (I 窆、 b _d 三 j 1 器 【1 吕0J 日 窆、 b 器 皇 I 蛊 富0 u ( 1 、 b 0 暑 A I 盆 昌0rj 混凝土柱 中石墨水泥砂浆试块的压 阻特性研 究 范晓明等 7 1 脂密封不仅保证了 G C C试块的含水量基本没有受到混凝土 柱制备及养护过程 的影响 ， 而且保证 了刷银粉导 电胶电极 良 好 的导电效果 。由于环氧树脂防水能力很好 ， 变形能力也优 于水泥基材料 ， 从 而保证 了 G C C试块在混凝土柱 中电阻测 试的准确性。对破坏柱的观察表明， G CC试块 的断口不是在 试块与柱的界面处 ， 而是在试块 内部 ， 说 明试块与柱的相容 性较好。 研究表明， 压阻复合材料感知功能的实现与其 电导 性能密切相关 ， 因此 ， 对其导电机理 的研究有助于深入认识 其压阻特性机理。图 2 和图 3 的试验结果表明， 当 G C C试块 在弹性范围内循环受载时 ， 其 内部基本无损伤发生， 试块 的 电阻变化与加载压力保持了较好的近似线性对应关系 ， 当荷 载进入塑性阶段后 ， 试件 内部发生损伤 ， 微裂缝 的发展使得 电阻值增大。解释压阻复合材料 电导行为的导电机理模 型 主要有渗滤理论 、 有效介 质理论 、 隧道效应理论等 1 。本实 验中石墨含量为水泥加入量的 4 O ( 质量分数) ， 超过 了石墨 水泥砂浆的渗流阈值 2 0 ， 因此 ， 导电方式应以接触 导电和 隧道效应导电为主。综合相关理论可以认为， G C C试块之所 以具有很好的应力和应变感知特性 ， 是因为此材料 由导电性 良好的石墨均匀分散在导 电性不 良的水泥基体 中而形成 了 复合材料。在压应力的作用下， 阻隔石墨的水泥基材 间隔变 薄， 石墨间的绝缘 势垒相应减小， 因此混凝土 的电阻率显著 下降； 当压应力达到一定程度后 ， 在水泥基材 间隔变薄造成 电阻率下降的 同时 ， 也会产生破坏裂纹从 而造成 电阻率 升 高 ， 当电阻率的升与降达到动态平衡 时数值保持相对稳定 ； 如果压应力进一步增大 ， 试块的内部会产生大量裂纹而趋于 破坏， 此时其 电阻率将迅速升高。由此可见， G C C试块能很 好地感知结构的受力状况 ， 可用作混凝土柱的传感元件， 广 泛应用于结构的健康监测 、 车辆称重等工程领域 。 需要指出的是 ， 埋入混凝 土柱中的 G C C试块在压 阻试 验中处于三向受力状态， 其压阻特性与其多轴变形有关， 而 非仅与加载方向或电阻测试方 向的变形有关。G C C试块与 混凝土柱的力学性能也存在差异。因此 ， 相关配套理论尚需 深入研究。 3 结论 ( 1 ) 在循环荷载的作用下 ， 内嵌柱 中心 G C C试块的电阻 变化率与混凝土柱所受的压力呈现 良好 的对应关系。在每 个循环过程中， 试块的电阻随荷载增大或减小呈近似线性关 系的减小或增大。不同的加载幅度下， 电阻变化率的相对变 化与荷载之间存在一定的差异。 ( 2 ) 在单调加载条件下 ， 试块 的电阻值可 以清晰地反映 试块的弹性范围、 塑性范 围和破坏范 围， 因此 ， 当 G C C试块 的力学性能与混凝土柱的力学性能相匹配时可作为传感器 ， 能较精确地监测结构埋入 G C C试样部位的受力状态 。 参考文献 1 C h u n g D D L Ce me n t - ma t r i x c o mp o s i t e s f o r s ma r t s t r u c t u r e s l, J S ma r t Ma t e r S t r u c t ， 2 0 0 0 ， 9 ( 4 ) ： 3 8 9 2 Ya o Wu ( 姚武 ) ，Wu Ke r u ( 吴科如) T h e r e s e a r c h s t a t u s a n d d e v e l o p me n t t r e n d s o f i n t e l l i g e n t c o n c r e t e ( 智 能混 凝 土 的研究现状及其发展趋势) I - J N e w B u i l d i n g Ma t e r i a l s ( 新 型建筑材料) ， 2 0 0 0 ( 1 0 ) ： 2 2 3 W e n S i h a i ，Ch u n g D D L Ef f e c t o f c a r bo n f i b e r g r a d e o n t h e e l e c t r i c a l b e h a v i o r o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e me n t l, J Ca r b o n， 2 0 0 1 ， 3 9 ( 3 ) ： 3 6 9 4 S u n Mi n g q i n g，Li Zu o q i u ，Ma o Qi z h a o ，e t a 1 S t u d y o n t h e r ma l s e l f - mo n i t o r i n g o f c a r b o n f i b e r c o n c r e t e J C e me n t Co n c r Re s ， 1 9 9 9， 2 9 ( 5 ) ： 7 6 9 5 Ya o Wu ( 姚武) ， Z h a n g C h a o ( 张超) C o n t a c t r e s i s t a n c e b e t we e n c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c e me n t a n d e l e c t r o d e ( 碳纤 维 水泥基材料与电极 的接触电阻) E J Ma t e r Re v ( 材料导 报 ) ， 2 0 0 7 ， 2 1 ( 4 ) ： 1 0 4 6 Z h e n g L i x i a ( 郑立霞) ，S o n g Xi a n h u i ( 宋显辉) ，L I Z h u o q i u ( 李卓球) S e K - mo n i t o r i n g o f t h e d e f o rm a t i o n i n s ma r t c o n c r e t e s t r u c t u r e s ( 机敏混凝 土结构变形 的 自诊断) J J Hu a z h o n g Un i v e r s i t y S c i T e c h n ： Na t u r e S c i E d i t i o n ( 华中科 技大学学报 ： 自然科学版) ， 2 0 0 4 ， 3 2 ( 4 ) ： 3 0 7 Ho u Z u o f u ( 侯作富) ，L i Z h u o q i u ( 李卓球) ，Wa n g J i a n j u n ( 王建 军 ) D i s c u s s i o n o n s e v e r a l p r o b l e ms i n t h e s t u d y o f c a r b o n f i b e r c e me n t b a s e d c o mp o s i t e s ( 碳纤维水泥基复合材 料研究中存在的若干问题探讨) 1- J 1 E l e c t r E n g Ma t e r ( 电工 材料) ， 2 0 0 7 ( 2 ) ： 2 8 8 Ou J i n p i n g ( 欧 进萍 ) ，Ha n B a o g u o ( 韩宝 国) C a r b o n f i b e r c e me n t p a s t e p i e z o r e s i s t i v e s e n s o r s a n d t h e i r p r o p e r t i e s ( 碳纤 维水泥石压敏传感器及其性能研究) I- J J F u n c t Ma t e r ( 功 能材料 ) ， 2 0 0 6 ， 3 7 ( 1 1 ) ： 1 8 5 1 9 F a n Xi a o mi n g ( 范 晓 明 ) ，D o n g Xu ( 董旭 ) ，S UN Mi n g q i n g ( 孙明清) ， e t a 1 Re s e a r c h o n t h e e l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i c a n d p r e s s u r e s e n s i t i v i t y o f g r a p h i t e - c e me n t b a s e d c o mp o s i t e s ( 石 墨水泥基复合材料 的导电及压敏特性研究) J J Wu h a n Un i v e r s i t y Te c h n ( 武汉理工大学学报) ， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 1 2 ) ： 1 2 1 0 Gu a n Xi n c h u n( 关 新 春 ) ，Ou J i n p i n g( 欧 进 萍 ) ，HAN B a o g u o ( 韩 宝 国) ，e t a 1 S t a t e o f a r t o f c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( 碳纤维机敏混凝土材料的研究与进展) I- J J Ha r b i n Un i v e r s i t y C i v i l E n g Ar c h i t e c t u r e ( 哈尔滨建筑大 学报) ， 2 0 0 2 ， 3 5 ( 6 ) ： 5 5 ( 责任编辑张竞)