損傷自診斷機(jī)敏混凝土材料研究

[摘　要] 具有機(jī)敏特性的水泥基復(fù)合材料日漸成為研究熱點(diǎn)。本文研究了摻有碳纖維的混凝土材料在單軸受壓和三點(diǎn)彎曲負(fù)荷下的電阻相對變化與材料內(nèi)部損傷間關(guān)系，為開發(fā)具有自診斷功能的混凝土材料提供了材料基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]機(jī)敏混凝土；　損傷自診斷；　碳纖維

　　20 世紀(jì)80 年代中期，人們提出了智能材料的概念[ 1 ] 。智能材料要求材料體系集感知、驅(qū)動和信息處理于一體，形成類似生物材料那樣的具有智能屬性的材料，具備自感知、自診斷、自修復(fù)等功能。而傳統(tǒng)的水泥混凝土材料，由于功能單一和脆性大，很難想象能與智能機(jī)敏特性聯(lián)系在一起。隨著科技的發(fā)展和社會的進(jìn)步，人們對建筑結(jié)構(gòu)的要求愈來愈高，尤其在9．11 事件之后，人們更是渴求作為結(jié)構(gòu)承重的水泥混凝土能夠?qū)崿F(xiàn)損傷自診斷，從而避免建筑結(jié)構(gòu)由于突然斷裂而引發(fā)的災(zāi)難性事故。

      機(jī)敏水泥基材料的提出和研究[ 2～4 ] ，是適應(yīng)上述研究背景的。普通的水泥混凝土材料已不能適應(yīng)日新月異的多功能需要和新技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用。因此，對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料水泥混凝土進(jìn)行改性，研究和開發(fā)堅韌、具有感知能力的機(jī)敏混凝土，使其成為功能、結(jié)構(gòu)材料一體化，不但順應(yīng)了當(dāng)前材料科學(xué)的發(fā)展趨勢，促進(jìn)能源材料向高新技術(shù)和多功能材料的發(fā)展，為智能結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了材料基礎(chǔ)，而且對實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)在服役和受臺風(fēng)及地震等自然災(zāi)害期間結(jié)構(gòu)完整性的自診斷、損傷和缺陷的早期預(yù)報、減少經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。

      普通的水泥混凝土是電的不良導(dǎo)體，將具有導(dǎo)電功能的碳纖維均勻地分散于其中。不僅顯著改變了水泥混凝土的導(dǎo)電性能，而且賦予了水泥混凝土的某些特殊功能，如電磁屏蔽，損傷自診斷等[ 5～9 ] 。本文研究了碳纖維水泥基復(fù)合材料在單軸受壓和三點(diǎn)彎曲負(fù)荷下，通過測試其電阻的變化，探討其損傷自診斷功能。

1 　實驗方法

1.1 　樣品制備

      基本原料為PAN 基高強(qiáng)短切碳纖維，其性能指標(biāo)見表1； 硅灰，其顆粒粒徑約0101μm～011μm ，Elken 公司提供；525 # 普通硅酸鹽水泥；ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂。

　　試樣制備是在實驗室中進(jìn)行。首先稱取30 %的水，將甲基纖維素分散于其中，同時用玻璃棒攪拌，靜置20 分鐘左右確保甲基纖維素完全溶解，隨后將碳纖維加入溶液中，并不斷攪拌。將剩下的70 %的水加入攪拌鍋中，分次加入硅灰、水泥和標(biāo)準(zhǔn)砂，最后將分散有碳纖維的溶液加入攪拌，一共需攪拌3 分鐘左右。攪拌完畢，將拌合料裝入不同的試模中，進(jìn)行高頻振動成型，并按規(guī)定尺寸預(yù)埋不銹鋼電極。試樣脫模后，送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

1.2 　樣品測試

     實驗加載裝置采用Istron 8501 伺服式萬能實驗機(jī)，自動記錄荷載和試件變形，加荷速度依據(jù)實驗要求自行控制。在加載過程中采用FLUCK89 精密數(shù)字電阻儀直接與試件兩端的電極相連，測試其電阻變化。

      實驗裝置加載過程中，同時利用聲發(fā)射儀對其損傷進(jìn)行監(jiān)測。聲發(fā)射儀采用美國PhysicalAcoustic Corporation 生產(chǎn)的SPARTAN AT2000 系列。采用諧振頻率為150kHz 的壓電換能器，每次測試時都與試件相同的位置耦合(凡士林為耦合劑) ，前置放大器設(shè)為40dB ，主體放大器選為30dB ，為排除噪音干擾，經(jīng)實驗驗證，門檻閥值設(shè)為43dB。

2 　實驗結(jié)果與討論

2.1 　單軸受壓損傷自診斷

      圖1 為試件在單軸受壓下電阻相對變化與應(yīng)力水平關(guān)系。可以看出，在應(yīng)力水平低于最大荷載60 %時，電阻隨應(yīng)力而迅速下降，達(dá)到最低值后，電阻隨應(yīng)力增大而升高。類似于高分子導(dǎo)電復(fù)合材料電阻隨溫度升高而增大的PTCR效應(yīng)，我們定義電阻隨壓力的增大而降低或升高的變化為電阻的負(fù)或正壓力系數(shù)(Negative/ Positive Pressure Coefficient of Resistive ， N/ PPCR) 效應(yīng)。

     碳纖維水泥基復(fù)合材料體系中，體系導(dǎo)電主要依賴于均勻分散于水泥基體中相互搭接的碳纖維形成的導(dǎo)電滲流網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)試件受到外界荷載作用時，其內(nèi)部同時發(fā)生兩個相互作用的過程：

(1) 在外力作用下，試件內(nèi)部變得愈加緊密，使得彼此相鄰的碳纖維增加了相互搭接的機(jī)會;同時使得碳纖維在受力方向排列易于定向性，形成新的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)果必然導(dǎo)致試件導(dǎo)電率的增大，即電阻的減小;

(2) 外加荷載繼續(xù)增大必然引起試件內(nèi)部發(fā)生破壞產(chǎn)生裂紋，增加碳纖維的間隔勢壘，使得已存在的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)破壞，引起試件導(dǎo)電率下降，即電阻增大。

       因此在加載的初始階段，第一個過程處于主導(dǎo)地位，試件電阻隨荷載的增大而降低呈現(xiàn)負(fù)壓力系數(shù)效應(yīng);外界荷載繼續(xù)增大，試件內(nèi)部不斷有損傷出現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)可見裂縫時，試件的電阻則呈現(xiàn)相反的變化，即正壓力系數(shù)效應(yīng)，此時試件已經(jīng)發(fā)生了較為嚴(yán)重的損傷。因此，通過測試試件電阻的變化，能夠進(jìn)行損傷自診斷。

2.2 　循環(huán)荷載作用下?lián)p傷自診斷

      考察在四個不同大小的單軸壓力循環(huán)作用下，碳纖維水泥基材料在壓縮過程中的電阻特性。圖2 給出了10 次壓縮循環(huán)的電阻相對變化與荷載(ΔR/ R - P) 關(guān)系。

　　可見：在每個循環(huán)過程中，加載時，電阻隨荷載增大呈近似線性關(guān)系降低;卸載時，電阻呈線性增大。電阻的相對變化與荷載之間具有鮮明的對應(yīng)關(guān)系。但在不同的加載幅度下，電阻的相對變化與荷載之間關(guān)系存在一定的差異。在低幅度的加載下，如圖2 (a) 中，加載幅度為最大破壞荷載的30 % ，在第一個循環(huán)中，呈現(xiàn)NPC (負(fù)壓力系數(shù)) 效應(yīng)，而當(dāng)經(jīng)過第一次循環(huán)，卸載后電阻出現(xiàn)了較大的不可逆減小，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，這種不可逆減小逐漸降低，在第四個循環(huán)時，電阻的變化隨荷載的變動完全可逆，但電阻的變化仍未能恢復(fù)到初始值；而在圖2 (b) 、(c) 中，加載幅度為最大破壞荷載的60 %和80 % ，經(jīng)過第一次循環(huán)，卸載后電阻變化基本可逆，回復(fù)到初始位置，但隨著循環(huán)次數(shù)增加，卸載后電阻出現(xiàn)了較原始值增大的趨勢， 呈現(xiàn)PPC(正壓力系數(shù)) 效應(yīng)，且隨著循環(huán)過程的進(jìn)展，這種增大幅度逐漸增大；在高幅度的加載下(加載幅度為最大破壞荷載的90 %) ，圖2 (d) ，經(jīng)過第一次循環(huán)后，電阻便呈現(xiàn)PPC 效應(yīng)，卸載后電阻值超過初始值，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，電阻殘余增加值越來越大。

      通過上述實驗現(xiàn)象表明，在循環(huán)荷載下，同樣存在著如單軸壓力下的兩個相互作用過程。在低加載幅度下，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的重組與形成處于主導(dǎo)地位，經(jīng)過最初的兩個循環(huán)后，試件內(nèi)部原有的缺陷、孔隙和微裂縫基本被壓密實，試件發(fā)生了不可逆的變形，所以電阻出現(xiàn)了不可逆的降低，在以后的加載和卸載過程中，由于應(yīng)力較低，沒有新的裂紋產(chǎn)生，試件處于一種彈性變形階段，因而電阻變化基本可逆。在加載幅度為最大荷載的60 %左右時，在最初的加載和卸載過程中，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的破壞與重組基本處于一種動態(tài)平衡狀態(tài)，隨著循環(huán)次數(shù)增加，試件內(nèi)部在不斷地發(fā)生損傷，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的破壞逐漸占主導(dǎo)地位，引起卸載后電阻不能回復(fù)到初始值而不斷增加。在加載幅度為最大荷載的80 %和90 %時，試件內(nèi)部的新裂紋不斷產(chǎn)生，使得導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的破壞一直起主導(dǎo)作用，因此當(dāng)每經(jīng)歷一個循環(huán)卸載后，電阻不能回復(fù)到初始值而是隨循環(huán)次數(shù)的增加而不斷升高。

      聲發(fā)射是對材料內(nèi)部發(fā)生損傷進(jìn)行實時監(jiān)測最有效的方法之一，為了探討電阻測試方法的有效性，同時進(jìn)行了聲發(fā)射測試。圖3 分別是以上不同加載幅度下，聲發(fā)射事件發(fā)生率與時間對應(yīng)關(guān)系。在圖3 (a) 中，只有在最初的兩個循環(huán)中，有聲發(fā)射事件發(fā)生，主要是試件在被壓密實過程中產(chǎn)生的，此后的加載和卸載過程基本沒有聲發(fā)射事件產(chǎn)生，對應(yīng)的電阻變化是可逆的；而在圖3 (b) 、(c) 和(d) 中，每個循環(huán)都有不同程度的聲發(fā)射事件產(chǎn)生，表明試件內(nèi)部有損傷產(chǎn)生，相應(yīng)的每個循環(huán)的電阻變化峰值也增加。因此，通過測試電阻變化峰值可以對材料內(nèi)部損傷進(jìn)展進(jìn)行實時監(jiān)測，從而避免材料在沒有任何征兆的情況下發(fā)生破壞?！?

2.3 　三點(diǎn)彎曲負(fù)荷下的機(jī)敏性

      三點(diǎn)彎曲梁是研究水泥基材料斷裂特性常用的一種試件形式。圖4 給出了碳纖維水泥基材料在三點(diǎn)彎曲負(fù)荷下對應(yīng)的電阻變化與荷載- 撓度曲線及監(jiān)測的聲發(fā)射事件對應(yīng)關(guān)系。圖4 可見：在荷載- 撓度曲線上升段，電阻的相對變化與荷載-撓度曲線間具有良好的對應(yīng)關(guān)系，隨著荷載的增大，電阻相對變化增大。對應(yīng)監(jiān)測的聲發(fā)射實驗結(jié)果，可以將荷載- 撓度與電阻相對變化曲線在整個加載過程中，明顯分成三個區(qū)段。

(a) Ⅰ區(qū)： (0 < 撓度值< 0101mm) ，為撓度隨荷載的增大成線性增加的彈性階段。在此階段，電阻隨撓度的增大而成近似線性增大。

(b) Ⅱ區(qū)： (0101mm < 撓度值< 01015mm) ，為有可見裂紋出現(xiàn)的非彈性變化階段。在此階段，荷載- 撓度曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，呈現(xiàn)非線性變化;而電阻隨撓度增大迅速增大，與荷載- 撓度曲線對應(yīng)，有一個明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

(c) Ⅲ區(qū)： (撓度值> 01015mm) ，屬于荷載- 撓度曲線下降段。

歸結(jié)起來，上面三個過程區(qū)分別對應(yīng)材料內(nèi)部的微觀受載過程為： (1) 微裂紋處于穩(wěn)定階段; (2) 微裂紋不斷開始形成并擴(kuò)展成為宏觀裂縫; (3) 裂紋失穩(wěn)快速擴(kuò)展階段。

因此，通過測試電阻的相對變化，可以直接進(jìn)行斷裂過程判斷。

3 　結(jié)論

(1) 將碳纖維均勻地?fù)饺胨嗷鶑?fù)合材料中能顯著改善體系的導(dǎo)電性能，并賦予了其特殊的機(jī)敏性能。

(2) 在單軸受壓負(fù)荷下，碳纖維水泥基復(fù)合材料具有顯著的正壓力系數(shù)效應(yīng)和負(fù)壓力系數(shù)效應(yīng)。碳纖維水泥基復(fù)合材料的負(fù)壓力系數(shù)和正壓力系數(shù)分別對應(yīng)著碳纖維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的重組與破壞兩個過程。在較低應(yīng)力下，以導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成為主， 電阻減小;在較高應(yīng)力下，破壞過程占主導(dǎo)地位，電阻增大，預(yù)示材料要發(fā)生破壞。實驗結(jié)果表明：通過電阻測試，能夠探知材料內(nèi)部損傷，具有自診斷功能。

(3) 在循環(huán)荷載作用下，通過測試電阻變化峰值可以對材料內(nèi)部損傷進(jìn)展進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)電阻變化峰值超過零時，預(yù)示材料要發(fā)生破壞。

(4) 在三點(diǎn)彎曲負(fù)荷下，碳纖維水泥基復(fù)合材料電阻相對變化與荷載- 撓度曲線間存在著良好的對應(yīng)關(guān)系，通過測試其電阻相對變化可以對試件的斷裂過程進(jìn)行監(jiān)測。

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[作者簡介] 　陳兵(1973 - ) ，男，安徽安慶人，博士。研究領(lǐng)域為：水泥基材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能，無機(jī)2有機(jī)新型復(fù)合建筑材料的制備與性能分析，機(jī)敏水泥基復(fù)合材料的研究以及水泥基材料的無損檢測。

[單位地址] 　上海交通大學(xué)建筑工程與力學(xué)學(xué)院(200240)

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