复掺功能填料机敏混凝土的压阻响应

周天舒，孙亚飞，彭月月

(1.江苏大学 土木工程与力学学院，江苏 镇江 212013； 2.盐城工学院 土木工程学院，江苏 盐城 224051； 3.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232000)

1 前 言

随着水泥基材料自诊断、自愈合、自适应等新概念的提出，机敏混凝土(Smart concrete)因具有以电阻率变化反应外部环境变化的能力而倍受关注。众多学者除了尝试使用多种导电功能填料制备拥有良好感知性能的机敏混凝土外，还专注于探讨导电机理，调控其导电行为，并研究电阻对应力的响应敏感性[1]。但目前机敏混凝土离实际应用仍有一定距离，主要是因为混凝土是一种非均质材料，制备过程容易受外界因素影响，电阻率和灵敏度分布离散性大，难以利用现有方法对其导电行为和力-电响应规律进行定量描述。

石墨烯晶格为苯六环状，是碳原子基于sp2杂化轨道组成而得[2]。独特的二维纳米晶体结构赋予了石墨烯稳定的结构状态和优异的的导电和热学性能。此外，其纳米材料属性还体现在量子霍尔效应、表面尺寸效应等多个方面[3]，将其复掺于机敏混凝土中以达到降低电阻率，提高压阻响应灵敏度目的。国外文献关于多层石墨烯纳米片(NGPs)的报道主要集中在对水泥浆体的水化过程、晶体结构及力学性能影响，对其在机敏混凝土中应用报道较少。SUN等[4]研究了掺NGPs水泥基复合材料，对不同的加载速率和加载振幅下分析了其点响应情况，探讨了掺NGPs水泥基复合材料在动态加载速率测量中的应用，结果表明，该材料在不同加载条件下对压阻效应具有敏感性与稳定的可重复性，当NGPs体积掺量为4%～10%时，压阻响应明显。JIN等[5]将掺NGPs水泥基复合材料浸泡入NaCl溶液，测试不同Cl-含量的复合材料电阻率。结果表明，电阻率随着Cl-含量升高而升高。可见，将掺NGPs水泥基复合材料应用于非破坏性检测技术具有广阔的前景。

本研究采用碳纤维(CF)、镀铜钢纤维(SF)、多壁碳纳米管(MWCNTs)与NGPs等功能填料复掺制备出一种低电阻率、高灵敏度的机敏混凝土。通过配合比设计，研究功能填料掺量对机敏混凝土力学强度、电阻率和灵敏度的影响。

2 实 验

2.1 原材料

水泥采用P.C 42.5复合硅酸盐水泥；砂采用天然河砂；减水剂减水率约为40%的液体聚羧酸型减水剂。SF长度为±35 mm；CF长度约为6 mm；硅灰、MWCNTs与NGPs均由公司生产。NGPs性能指标如表1所示。

表1 NGPs的基本性能

2.2 配合比及测试方法

根据项目组前期研究成果，设计了表2所示配合比。

表2 机敏混凝土配合比

试块成型尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，抗压强度测试标准为《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)。采用同惠TH2810D交流电桥、二电极法对不同龄期(3、7、14、21和28 d)的样品进行电阻值测量，以研究不同掺量的导电填料对混凝土电阻率的影响。加载选用微机控制电液伺服万能试验机(YAW-600C)，按照5、10、20和30 MPa/min的速率进行加载，直至100 MPa，以同样的速率(5 MPa/min)加载到不同幅值(20、40、80和160 MPa)，同时每隔5 s记录一次电阻以及荷载和应变(DH3818型静态应变仪)。

3 结果与讨论

3.1 NGPs表征

从图1可见，NGPs平面尺寸为4～10 μm，厚度为0.4～20 nm，具有较高的纵横比，外观像层薄纱，平面折叠呈褶皱结构，边缘平整呈少量锯齿形状。NGPs具有超大的比表面积，增加了与基体的接触面积，产生了更高粘结力和抗拉力，增强了复合材料的力学性能。同时，超大比面积的特性使其能够在基体中充分展开并与其他功能材料接触，提供更多电子跃迁和传递的通道。

图1 NGPs的TEM图像

3.2 功能填料掺量对机敏混凝土抗压强度的影响

图2为不同配合比机敏混凝土28 d抗压强度值。从图可见，机敏混凝土28 d强度CDF2>CDF1>CDF4>CDF3。随着MWCNTs的掺量从0.5%增加到1%时，试样强度也有所增加。原因可能是MWCNTs的掺入发挥了填充作用，改善机敏混凝土的微观结构，减小孔隙率从而提高抗压强度[6-7,10]。从图中还可看出，当CF掺量从0.6%增加到1.2%，试样抗压强度有所降低，降低幅度为35%。原因可能是为了使试样保持相似的流动性采用较大的水胶比，同时也可能是掺入CF在基体中分布不均，发生团聚现象[9]。当掺入0.03%NGPs，试样28 d抗压强度提高了27%。国内外诸多研究表明，NGPs在水泥水化过程中发挥了模板作用，NGPs因其独特的平面褶皱结构与超大的比表面积，能够大量吸附基体中自由水分子，与附着在NGPs上的未水化水泥颗粒发生反应，形成块状晶体结构，从而提高了抗压强度[8,11]。

图2 机敏混凝土28 d抗压强度

3.3 功能填料掺量对机敏混凝土28 d电阻率的影响

图3为不同填料掺量对机敏混凝土28 d电阻率值。从图可见，机敏混凝土28 d电阻率CDF4

图3 机敏混凝土28 d电阻率

3.4 不同加载幅值对压阻特性的影响和机理

为研究不同加载幅值下机敏混凝土压阻特性，同一配比试块分别以20、40、80和160 MPa四种不同的幅值加载，每个幅值经过3次循环加载，结果如图4所示。

机敏混凝土常以电阻率变化率为压阻响应灵敏度评价指标。从图可见，机敏混凝土在不同加载幅值下电阻率变化均呈现稳定性和重复性，灵敏度CDF2

图4 不同加载幅值下机敏混凝土压阻特性

3.5 不同加载速率对压阻特性的影响

为研究不同加载速率下机敏混凝土压阻特性，同一配比试块分别以5、10、20和30 kN/min速率加载到100 MPa，不同的加载速率经过3次循环，结果如图5所示。

图5 不同加载速率下压阻特性

由图5可知，多次循环作用下各组配合比试块仍然保持稳定的重复性，不同配合比的试块在相同加载幅值作用下灵敏度大小与第3.4节的基本一致。同一配合比试块在不同加载速率下电阻率变化幅度大致处于一个量级，但随着加载速率加快，变化幅度略有下降。如CDF1在四组加载速率不同的循环周期下，电阻率变化率分别为-3.41%、-3.37%、-3.33%和-3.11%。可能的原因有两个：一是相较于低加速率，高加载速率下的试块应变较小，导电网络变形实际受挤压程度也比较轻[4]；二是在经过一定程度的加载后，试块产生了不可逆的一些缺陷，导致闭合裂缝无法张开。

4 结 论

复掺CF、SF、MWCNTs与NGPs机敏混凝土压阻具有较高的灵敏度与稳定的重复性。当MWCNTs掺量由0.5%增到1%时，试样抗压强度略有上升，28 d电阻率下降了26%，灵敏度也下降了0.92%。相对于0.6%CF和2%SF的掺入，1.2%CF和4%SF的掺入使灵敏度提升了64%。这表明纤维是构建导电网络的主体，是影响机敏混凝土灵敏度的关键因素。当CF、SF、MWCNTs掺量分别为1.2%，4%，1%时，加载到160 MPa电阻变化率达到69.3%。

低掺量的NGPs可显著提高试样的力学强度，降低电阻率，提高受压灵敏度。28 d抗压强度达到28.5 MPa，电阻率为4184 Ω·cm，在160 MPa加载条件下电阻变化率达到74.92%。