[摘 要] 具有機敏特性的水泥基復合材料日漸成為研究熱點。本文研究了摻有碳纖維的混凝土材料在單軸受壓和三點彎曲負荷下的電阻相對變化與材料內(nèi)部損傷間關系，為開發(fā)具有自診斷功能的混凝土材料提供了材料基礎。
[關鍵詞]機敏混凝土； 損傷自診斷； 碳纖維
20 世紀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敏特性聯(lián)系在一起。隨著科技的發(fā)展和社會的進步，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)的災難性事故。
機敏水泥基材料的提出和研究[ 2～4 ] ，是適應上述研究背景的。普通的水泥混凝土材料已不能適應日新月異的多功能需要和新技術(shù)發(fā)展與應用。因此，對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料水泥混凝土進行改性，研究和開發(fā)堅韌、具有感知能力的機敏混凝土，使其成為功能、結(jié)構(gòu)材料一體化，不但順應了當前材料科學的發(fā)展趨勢，促進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)的設計提供了材料基礎，而且對實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)在服役和受臺風及地震等自然災害期間結(jié)構(gòu)完整性的自診斷、損傷和缺陷的早期預報、減少經(jīng)濟損失具有重要意義。
普通的水泥混凝土是電的不良導體，將具有導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合材料在單軸受壓和三點彎曲負荷下，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 基高強短切碳纖維，其性能指標見表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 標準砂。
試樣制備是在實驗室中進行。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、水泥和標準砂，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，進行高頻振動成型，并按規(guī)定尺寸預埋不銹鋼電極。試樣脫模后，送入標準養(yǎng)護室中進行養(yǎng)護。
1.2 樣品測試
實驗加載裝置采用Istron 8501 伺服式萬能實驗機，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力水平關系。可以看出，在應力水平低于最大荷載60 %時，電阻隨應力而迅速下降，達到最低值后，電阻隨應力增大而升高。類似于高分子導電復合材料電阻隨溫度升高而增大的PTCR效應，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或正壓力系數(shù)(Negative/ Positive Pressure Coefficient of Resistive ， N/ PPCR) 效應。
碳纖維水泥基復合材料體系中，體系導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電滲流網(wǎng)絡。當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，形成新的導電網(wǎng)絡，其結(jié)果必然導致試件導電率的增大，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，使得已存在的導電網(wǎng)絡破壞，引起試件導電率下降，即電阻增大。
因此在加載的初始階段，第一個過程處于主導地位，試件電阻隨荷載的增大而降低呈現(xiàn)負壓力系數(shù)效應;外界荷載繼續(xù)增大，試件內(nèi)部不斷有損傷出現(xiàn)，當出現(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，此時試件已經(jīng)發(fā)生了較為嚴重的損傷。因此，通過測試試件電阻的變化，能夠進行損傷自診斷。
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關系。但在不同的加載幅度下，電阻的相對變化與荷載之間關系存在一定的差異。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 (負壓力系數(shù)) 效應，而當經(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，且隨著循環(huán)過程的進展，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，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，導電網(wǎng)絡的重組與形成處于主導地位，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，導電網(wǎng)絡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，導電網(wǎng)絡的破壞逐漸占主導地位，引起卸載后電阻不能回復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，使得導電網(wǎng)絡的破壞一直起主導作用，因此當每經(jīng)歷一個循環(huán)卸載后，電阻不能回復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)生率與時間對應關系。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)部損傷進展進行實時監(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 三點彎曲負荷下的機敏性
三點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彎曲負荷下對應的電阻變化與荷載- 撓度曲線及監(jiān)測的聲發(fā)射事件對應關系。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關系，隨著荷載的增大，電阻相對變化增大。對應監(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，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，有一個明顯的轉(zhuǎn)折點。
(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展成為宏觀裂縫; (3) 裂紋失穩(wěn)快速擴展階段。
因此，通過測試電阻的相對變化，可以直接進行斷裂過程判斷。
3 結(jié)論
(1) 將碳纖維均勻地摻入水泥基復合材料中能顯著改善體系的導電性能，并賦予了其特殊的機敏性能。
(2) 在單軸受壓負荷下，碳纖維水泥基復合材料具有顯著的正壓力系數(shù)效應和負壓力系數(shù)效應。碳纖維水泥基復合材料的負壓力系數(shù)和正壓力系數(shù)分別對應著碳纖維導電網(wǎng)絡的重組與破壞兩個過程。在較低應力下，以導電網(wǎng)絡形成為主， 電阻減小;在較高應力下，破壞過程占主導地位，電阻增大，預示材料要發(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)部損傷進展進行監(jiān)測。當電阻變化峰值超過零時，預示材料要發(fā)生破壞。
(4) 在三點彎曲負荷下，碳纖維水泥基復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關系，通過測試其電阻相對變化可以對試件的斷裂過程進行監(jiān)測。
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[作者簡介] 陳兵(1973 - ) ，男，安徽安慶人，博士。研究領域為：水泥基材料的組成、結(jié)構(gòu)與性能，無機2有機新型復合建筑材料的制備與性能分析，機敏水泥基復合材料的研究以及水泥基材料的無損檢測。
[單位地址] 上海交通大學建筑工程與力學學院(200240)
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