纳米碳纤维混凝土在劈裂及抗弯试验中的压敏特性研究.pdf
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1、纳米碳纤维混凝土在劈裂及抗弯试验中的压敏特性研 究 庄 国方 6 9 纳米碳纤维混凝土在劈裂及抗弯试验中的压敏特性研究 庄 国方 ( 上海建 科 工程 咨询有 限公 司 , 上 海 2 0 0 0 3 2 ) 摘要 : 为促进智能混凝 土材料在 桥梁上 的应 用 , 通 过劈裂及 抗弯试 验研究 纳米碳纤维 混凝土 的压敏 特性。 试验结果显示 : 纳米碳 纤维 混凝 土的电阻会 随压应 力的增 大而减小 , 随拉应 力 的增 大而增大 , 电阻 变化率与 拉、 压 应力之间呈 良好 的线性规律 ; 适当掺量且分散 良好 的纳米碳纤 维可 以使 混凝 土复合材料 获得 良好 的压敏特 性 ,
2、成 为 自身具有损伤评估和应变监测功能 的传感器 。基于纳米碳纤维混凝 土的 良好 压敏特性 , 将其作为 具有应变监测 功能的智 能混凝土材料应用 于桥梁结构 中非常可行 。 关键词 : 纳米碳纤 维; 混凝 土; 电阻变化率 ; 压敏特性 ; 试验 中图分类号 : T U5 2 8 文献标志码 : A 文章编号 : 1 6 7 1 7 7 6 7 ( 2 0 1 :2 ) 0 4 0 0 6 9 0 4 1 引 言 桥梁健康监测是对桥梁结构进行整体行为的实 时监控和结构状态 的智能化评估 , 但 目前对桥梁结 构整体的损伤识别与定位 尚未成熟。现有研究方法 主要采 用在桥 梁结 构 中置人
3、传 感器 进行应 变监 测 和 数据采集处理口 。该方法成本大 , 且外置传感器 受温度等环境 因素影响, 虽然有研究对测量结果进 行 了一定 的补偿计算 , 但应变数据的准确性仍有 待商榷 。有研究表 明, 由于水泥基材 中的纤维在微 裂缝开合过程中的拉 出与推人, 引起 复合材料导电 性 能 的变化 , 其直 流 电阻会对 应变 、 损伤 和温 度变 化 产生响应。短切碳纤维混凝土和纳米碳纤维砂浆的 自我 监测功 能就 是基 于在压 力作 用下其 电阻与应 变 间的响应关系 , 使得这些复合材料成为一种新型 应变感应器_ 7 。由于纳米材料 的特异效应 , 掺加 纳米材料的混凝土复合材料物
4、理性能明显优于普通 混凝土 , 且该 复合材料 的渗滤 电导效应和隧道 电导效应使其还具有应变监测和电磁屏蔽的性能。 为促进智能混凝土材料在桥梁结构上的应用 , 以及为桥梁结构的健康监 测提供有效的技术支持 , 本文主要通过劈裂试验和四点抗弯试验研究纳米碳 纤 维普 通混凝 土 ( C NF C) 和 纳米 碳 纤 维 自密 实混 凝 土( C NF S C C ) 的压敏 特性 。 2试 验材料 和试 件制 备 2 1试验材 料 ( 1 )纳米碳 纤维 ( C NF ) 。试 验 中采 用来 自 P P I 公 司 的纳 米 碳 纤 维 产 品 , 型 号 为 P R 一 1 9 一 X T
5、 L HT OX, 其经过 氧化 和高温 表i 处 理, 具有 更好 的导 电性 。 ( 2 )混 凝 土 外 加 剂 。高 效 减 水 剂 ( HR WR) 采 用 B AS F C h e mi c a l 公 司 的 G l e n i u m 3 2 0 0 HE S, 它 是一种聚羧酸盐高效早强型外加剂 , 用 以降低混凝 土 的粘 稠度 , 同时也 有 助 于 纳 米碳 纤 维 的分 散 。消 泡剂 采用 Do w C o r n i n g公 司的 An t i f o a m 2 2 1 O ( AF, 硅酮乙二醇乳液) , 以帮助减少加入表面活性剂以后 与水搅拌时产生的气泡。
6、 ( 3 )混 凝 土 材 料 。试 验 采 用 TX I 公 司 的低 碱 波特兰水泥 T y p e I I I; 粗骨料采用辉绿岩碎石, 其粒径为 5 2 0 mm; 细骨料采用细度模数为 2 7 1 的普通河砂 ; 水采用普通 自来水。 2 2 试件的制备 试验设计 了 8种不 同配合 比的混凝 土 ( 见表 1 ) 。试 验制 备 了圆柱 体 和 长方 体 2种 形状 的试 件 , 分别用于劈裂试验和抗弯试验。圆柱体试件直径为 1 0 c m、 高 2 0 e m。长方体试件尺寸为 7 5 c m7 5 c m 2 0 C l T I 。 制备 C NF C试 件时, 先将水与 C
7、NF置于最大 速度为 2 4 0 0 0 r p m 的搅拌器中, 高速搅拌 3 mi n得 到水 、 C NF悬 浊 液 。在 C NI S C C配 方 中 同 时 加 入 高效 减水剂 和 消泡剂 , 得 到水 、 HR WR、 AF 、 C NF悬 浊液 。把粗 、 细骨料和水泥混入离心搅拌机 中搅拌 3 rai n拌和 均 匀后 , 缓 缓倒 入水 、 C NF或水 、 HR - WR、 AF 、 C NF 悬浊液 , 再搅 拌5 mi n 直到获得 良好 收 稿 日期 : 2 0 1 2 0 3 2 0 作者简 介: 庄 国方( 1 9 7 7 一) , 男 , 工程师 , 2 0
8、 0 0年毕业于中南 大学交通土建专业 , 获学士学位 , 2 0 0 5年毕业于中南大学结构工程专业 , 获硕士 学 位( E ma i l : Z h u a n g g u 0 f a n g i k e c c o r n c n ) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 0 世界 桥 梁 2 0 1 2 , 4 0 ( 4 ) C CNFC2 O CNF C2 5 S CC CNF S CC1 O CNF S CC1 5 CNF SCC2 0 CNF SCC2 5 5 7 2 5 7 2 5 7 2 1 0 0 5 1 0 0 8 1 0 0 8 1
9、 0 0 8 1 0 0 8 的和 易 性 。在 对 C和 C NF C进 行 坍 落 度 、 C NF S C C 进行坍落扩展度和表观稳定指标测试合格后 , 将混 凝土 灌 注 到模 具 中 , 并 对 C 和 C NF C 试 件 进 行 振 捣 , 然后放进养护室中, 2 4 h后拆 模并将试 件放 入 水 中养护 。 3试验 方法 3 1 力 学试验 劈裂 试验 依据美 国材 料与试 验协 会 ( A S TM) 标 准 C 4 9 6 C 4 9 6 M一0 4 , 使 用最大加载能力为 2 0 0 0 k N 的 T i n i u s Ol s e n万 能材 料 试 验 机进
10、 行 。加 载 采 用 荷载 控制 , 加载 速率 为 2 5 0 N s , 直 至破 坏 。 四点 抗 弯 试 验 依 据 美 国材 料 与 试 验 协 会 ( AS T M) 标准 C 1 6 0 9 M一0 6 , 对混凝 土试件在纯弯 状态下 ( 二集 中力三分点) 的抗弯( 抗折) 能力进行测 试 。试验也 使用 T i n i u s Ol s e n万能材 料试验机进 行 。加 载 时先采 用 速 率 为 0 2 5 mm mi n的位 移 控 制直 到荷 载值达 到 4 5 0 N, 然 后切 换 到 速率 为 0 0 5 mm mi n的位移控制 , 加载直至破坏。在试件下
11、部 中心安 装 3 c m 应 变片 以记 录试 件 的应变 。 3 2 电 阻测量 试验中试件 的电阻测量采用 四电极法L 1 。为 了比较不同电阻测试方法对 电阻变化率 的影响, 在 C NF S C C圆柱体试件 中使用预埋铜 网内置电极 的 方法测试 , 并且试验开始前先接通电路 , 待万用表读 数稳定后开始加载 , 以减小极化效应对电阻测量结 果 的影 响 。 4试验 结果 及分 析 4 1 电阻变 化率 与应变 、 荷载 的关 系 图 1为 C NF S C C 1 0试 件 在 四点 抗 弯 试 验 中 电 阻变化 率与应 变之 间 的关 系 。可 以看 出拉 区 电阻随 着应变
12、的增大而增大 , 与压区电阻变化趋势完全相 反 。可 以认 为 主要 是 由 于 拉 区产 生 了较 大 的 微 裂 缝, 使得水泥基体 中胶结的导电纤维被拉出, 导电纤 维团之间的间距增大, 从而导致复合材料的导 电性 能迅速下降, 电阻变化峰值可 以达到 1 8 0 。而压 区电阻 随着 应 变 的增 大 而减 小 , 可 以认 为 主要 是 由 于 压区 的导 电纤 维 ( 团) 之 间距 离缩短 或物 理连 接增 多 引起复 合材料 导 电性能 增强 所致 。不论 压 区还是 拉区, 其电阻变化率与应变之间都表现 出了 良好 的 线 性关 系 。 褂 崮 应变 X1 0 - 4 图 1
13、 CNF S C CI O试 件 电 阻变 化 翠 与应 变关 系 图 2为 采用铜 丝 导 电胶 表 面电极 的 C、 C NF C 2 0 和 C NF C 2 5试 件 在 劈 裂试 验 中 电 阻变 化 率 与 荷 载 之问的关 系。由结 果 可 知, 当荷 载增 大 时 , 不 含 C NF的普 通混凝 土 的 电阻变化 是 随机 的 , 而 且 变 化 幅度 也很 大 ; C NF C 2 0和 C NF C 2 5试 件 的 电阻 均 随 荷载增大而减小, 峰值变化率分别为 4 和 7 。相 对 于 同样 试件 在抗 压试验 中的结果 ( 限于 篇 幅 , 本 文 不 予介绍 )
14、 , 电阻 的变 化 小 了很 多 , 这 主要 是 因为 在 劈裂试验 中纳米碳纤维混凝土试件受到压应力和拉 应 力 的共 同作 用所 致 。 图 3为 C NF S C C试件 电阻变化率与荷载关系。 从 图 3可 以看 出 , 不 含 C NF的普通 自密 实混 凝土 的 电阻在试验过程中的变化也没有规律 ; 其它不 同体 积掺量 的C NF S C C混凝 土的电 阻基本 上随荷 载的 0 0 O O 1 1 1 1 O O O n u 孙 5 5 5 1 2 2 2 2 如 O 5 O 5 0 5 O 2 2 O 1 1 2 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c
15、 o m 纳米碳纤维混凝 土在劈裂及抗 弯试验 中的压敏特性研究 庄 国方 槲 蛊 害 甲 2 、 、 糌 爱 口回J F C 2 0 祷C N F C 2 5 +C 髫 拟 合曲 线 晷 ( C N F C 2 0 ) 拟合曲线 ( C N F C 2 5 ) 图 2 C、 C N F C试件电阻变化率与荷载关系 S C C C N F S C C 1 0 C N F S C C 1 5 C N F S c c 2 0 C N F S C C 2 5 拟合曲线 ( C N F S C C1 0 ) 拟合曲线 ( C N F S C C1 5 ) 拟合 曲线 ( C N F S C C 2 0
16、 ) 拟合曲线 ( C N F S C C 2 5 ) 圈 3 CNF S C C试 件 电 阻变 化 率 与荷 载 关 系 增加而减 小, 最大 变化率发生 在 C NF S C C 1 0试件 上 , 峰值 为 0 6 左右 。 4 2 电阻测量方法对电阻变化率的影响 通过试验发现, 使用铜 网预埋 电极试件的电阻 变 化规 律与使 用铜 丝导 电胶表 面环绕 电极 的试 件相 似 , 均随荷载的增 加而减小 , 但对 荷载不是十分敏 感 , 电阻最大变化率只接近 0 6 。这主要是 由于 在使用表面电极的情况下 , 混凝 土内部 电流分布不 均 匀 , 电流强 度 由表 面 向 中心递
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- 纳米 碳纤维 混凝土 劈裂 试验 中的 特性 研究
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