賈興文,錢覺時,唐祖全

(重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400045)

水泥基智能材料具有感知應(yīng)力、應(yīng)變、損傷、溫度以及電場的功能,可以實現(xiàn)智能混凝土結(jié)構(gòu)的自診斷,在重大工程的長期安全檢測與監(jiān)控等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景[1-4]。制備水泥基智能材料的導(dǎo)電材料主要是半導(dǎo)電類的碳纖維、石墨、炭黑以及金屬類的超細鋼纖維、鎳粉甚至銀粉等,但上述導(dǎo)電材料價格較高,且制備水泥基智能材料時工藝復(fù)雜或與水泥基體相容性差,嚴重制約了水泥基智能材料的應(yīng)用[5-7]。鋼渣中FeO的含量為26.39%,FeO在常溫下的電阻率為5×10-2Ω?cm,與瀝青基碳纖維的電阻率基本相同,因此鋼渣有可能作為導(dǎo)電材料用于制備導(dǎo)電砂漿。通過對比試驗發(fā)現(xiàn),鋼渣摻量超過50%時,鋼渣砂漿的導(dǎo)電性與摻加粗細集料的碳纖維混凝土或石墨混凝土的導(dǎo)電性基本相同,壓敏性和力學(xué)性能優(yōu)于上述2種導(dǎo)電混凝土,且制備成本很低,在結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測、電磁屏蔽等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景[8]。但是導(dǎo)電相摻量和分散性以及含水率、環(huán)境溫度齡期和養(yǎng)護方法等諸多因素都會影響水泥基智能材料的機敏性,從而影響結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測的準確性。

導(dǎo)電相形態(tài)、分散性、制備工藝等因素是影響水泥基智能材料機敏性內(nèi)部因素,可控性相對較好,歐進萍認為水泥基智能傳感器的長期穩(wěn)定性以及溫度、含水率等外部不可控因素對其機敏性的影響是水泥基智能材料應(yīng)用的主要障礙[4]。韓寶國、歐進萍等研究了含水率對碳纖維水泥基材料(CFRC)濕敏性的影響,溫度為20℃時,含水率從氣干狀態(tài)變化到吸水飽和狀態(tài),CFRC的電阻變化率從25%增加到100%,表明CFRC的電阻變化率隨含水率增大而顯著增加[9-10]。李卓球等研究了齡期對CFRC壓敏性的影響,隨著齡期增加,CFRC的壓敏性變差[11]。姚武、劉小艷等研究了溫度對CFRC電阻變化率的影響,認為在10～40℃范圍內(nèi),溫度變化對電阻變化率影響較小,溫敏性較好,超出此溫度范圍后,溫敏性降低[12-13]。用碳纖維和石墨制備的水泥基智能材料中導(dǎo)電載流子(電子)的濃度比鋼渣砂漿中導(dǎo)電載流子(電子和空穴)的濃度高,而導(dǎo)電載流子濃度越低,則溫度和含水率等因素對水泥基智能材料的導(dǎo)電性和壓敏性的影響越大,因此研究養(yǎng)護方式、齡期、含水率和溫度等因素對鋼渣砂漿壓敏性的影響規(guī)律,是其實現(xiàn)工程應(yīng)用的前提。

1 壓敏性原理和測試方法

1.1 壓敏性原理

壓敏性是指CFRC等水泥基智能材料在壓力作用下發(fā)生變形時自身電阻變化的效應(yīng),也包括阻抗、電容等電學(xué)參數(shù)的變化[11]。相同應(yīng)力下,電阻變化率越大,壓敏性越好。金屬導(dǎo)體依靠電子定向輸運導(dǎo)電,導(dǎo)電性極好,由于金屬中電子濃度很高,壓力作用下,雖然金屬也會產(chǎn)生壓縮變形,但是受壓時金屬中電子濃度變化很小,因此金屬幾乎沒有壓敏性。普通混凝土電阻率為106～109Ω?cm,屬于電的不良導(dǎo)體,普通混凝土受壓時產(chǎn)生壓縮變形,由于其導(dǎo)電載流子的濃度極低,也幾乎沒有壓敏性,可以說壓敏性是水泥基智能材料的特性。水泥基智能材料受壓縮時,其電阻率會減小,且這種效應(yīng)是可逆的,即卸載時電阻率恢復(fù)到初始值;受拉伸時,其電阻率可逆地增加,其效應(yīng)與電阻應(yīng)變片相似。因此通過對電阻變化即壓敏性的測試,可以監(jiān)測水泥基智能材料及其結(jié)構(gòu)的健康狀況。

1.2 試驗方法

鋼渣(SS)為風淬轉(zhuǎn)爐渣,物理和化學(xué)性質(zhì)見表1和表2,試驗證明鋼渣體積安定性良好[8]。水泥(C)為地維42.5R普通硅酸鹽水泥,強制式砂漿攪拌機攪拌,振動成型,試件尺寸為40 mm×40 mm×160mm,水中養(yǎng)護。兩塊 30 mm×30 mm×0.3 mm不銹鋼電極垂直于試件縱軸布置,間距 120 mm,導(dǎo)線為多股銅芯屏蔽線。電阻測試試件每組6～9條,用DT9978數(shù)字萬用表測量試件電阻,用ρ=RA/L計算試件電阻率,其中,ρ為電阻率,Ω?cm;A為電極橫截面積;L為2電極的距離;R為電阻,測量結(jié)果取平均值。壓敏性試驗使用M TS 815巖石性伺服力學(xué)試驗系統(tǒng)。

表1 鋼渣的物理性能

表2 鋼渣的主要化學(xué)成分/%

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 單軸受壓時鋼渣砂漿的壓敏性

鋼渣砂漿(后續(xù)試驗除注明外均為SS∶C=1∶1)單軸受壓時從加載至破壞階段的電阻變化見圖1,鋼渣摻量對壓敏性的影響見圖2,壓力增速1 kN/s。根據(jù)圖1和圖2,鋼渣砂漿具有與碳纖維混凝土同樣良好的壓敏性,并且隨鋼渣摻量增加,壓敏性明顯增強。鐵是易變價的過渡元素,它的價電子組態(tài)是3d64s2,因此,鐵氧化物成為組分變化范圍很大的非化學(xué)計量化合物,具有半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,鋼渣中FeO含量高達26.39%,FeO在常溫下的電阻率為5×10-2Ω?cm,與瀝青基碳纖維的電阻率基本相同。從隧道模型可知,電子和空穴通過分散在基體中的導(dǎo)電材料形成網(wǎng)絡(luò),并通過隧道效應(yīng)連通網(wǎng)絡(luò)間的絕緣間隔進行傳導(dǎo)[11]。具有導(dǎo)電功能的含F(xiàn)eO鋼渣顆粒均勻分散在絕緣的水泥基體中,電子和空穴通過隧道效應(yīng)穿透被水泥基體隔開的非常鄰近的鋼渣顆粒的勢壘,產(chǎn)生躍遷并形成隧道電流。當試件受到軸向壓力時,勢壘降低,隧道電流增強,導(dǎo)致電阻降低。鋼渣摻量較低時,分散在水泥基體中的鋼渣顆粒間距較大,受壓后勢壘雖有減小,但電子云間隔仍然較大,穿越水泥基體勢壘的電子數(shù)量不多,隧穿幾率較小,因此壓敏性并不明顯。隨著鋼渣摻量增加,鋼渣顆粒的接觸越來越緊密,隧穿幾率明顯增大,同時,鋼渣顆粒之間的接觸電阻逐漸降低,在壓力作用下,鋼渣砂漿電阻變化率增大,即壓敏性增強。

圖1 從加載至破壞時電阻的變化率

圖2 鋼渣摻量對壓敏性的影響

2.2 養(yǎng)護制度對壓敏性的影響

養(yǎng)護對砂漿的水化產(chǎn)物生成和力學(xué)性能具有重要影響,從而影響鋼渣砂漿的壓敏性。試驗對比了拆模后分別水養(yǎng)1 d和7 d然后在空氣中養(yǎng)護至28 d齡期以及拆模后水養(yǎng)至28 d時鋼渣砂漿的壓敏性差異,結(jié)果見圖3。

根據(jù)圖3,水養(yǎng)時間越長,試件的壓敏性越好。由于水養(yǎng)時間相差較大,當水養(yǎng)28 d的試件從水中取出后,試件含水率為飽和狀態(tài),放置數(shù)小時后,試件含水率雖然明顯降低,但仍然高于水養(yǎng)7 d的試件。如果將水養(yǎng)7 d的試件在28 d齡期時再次泡水3 d,待其吸水飽和后取出,測試其與水養(yǎng)31 d的試件在面干狀態(tài)下的壓敏性,發(fā)現(xiàn)2種養(yǎng)護條件下試件的壓敏性無差異。因此,養(yǎng)護制度對壓敏性的影響主要是試件含水率變化造成的,表明試件含水率對壓敏性的影響比養(yǎng)護制度對壓敏性的影響大得多,因此實際應(yīng)用時可以忽略養(yǎng)護制度對壓敏性的影響。

圖3 養(yǎng)護制度對壓敏性的影響

2.3 齡期對壓敏性的影響

隨著齡期延長,鋼渣砂漿的壓敏性逐漸降低(見圖4)。根據(jù)圖4,當壓應(yīng)力為25 MPa時,7 d齡期時試件的電阻變化率為26.2%,而28 d齡期時試件的電阻變化率只有12.9%。早齡期時,由于水泥水化不充分,水化產(chǎn)物還不能完全包裹鋼渣顆粒,砂漿抗壓強度較小,其彈性模量和軸向抗壓強度也較低,但是試件在相同壓力下的壓縮變形卻更大,因此早齡期時鋼渣砂漿具有較好的壓敏性。隨著水泥水化不斷進行,水化產(chǎn)物數(shù)量增多,包裹鋼渣顆粒,裸露的導(dǎo)電相數(shù)量減少,電阻率逐漸增大,在低應(yīng)力狀態(tài)下,鋼渣砂漿的電阻變化率相對于早齡期時明顯降低。隨著齡期延長,鋼渣砂漿的抗壓強度和彈性模量明顯提高,相應(yīng)的極限壓應(yīng)變和彈性段的應(yīng)變也隨著齡期延長而明顯提高,因此,其電阻變化率的最大值也明顯提高。此外,隨著鋼渣砂漿導(dǎo)電性的增強,超過28 d后,齡期對壓敏性的影響逐漸減小,較長齡期時鋼渣砂漿的壓敏性與28 d齡期時基本相同。

圖4 齡期對壓敏性的影響

2.4 含水率對壓敏性的影響

鋼渣砂漿含水率從吸水飽和狀態(tài)至面干狀態(tài),隨著含水率降低,電阻率逐漸增大;含水率從面干狀態(tài)至氣干狀態(tài),電阻率繼續(xù)增大,但增加幅度很小;含水率從氣干狀態(tài)至絕干狀態(tài)(80℃下烘至恒重),含水率降低幅度較小但電阻率大幅增加。為了研究含水率對鋼渣砂漿壓敏性的影響,試驗過程中通過稱量試件重量將試件的含水率分別控制在飽和狀態(tài)、面干狀態(tài)、氣干狀態(tài)和絕干狀態(tài),然后測試不同含水率狀態(tài)下鋼渣砂漿的壓敏性,試驗結(jié)果見圖5。

圖5 含水率對壓敏性的影響

根據(jù)圖5,隨著試件含水率的降低,鋼渣砂漿的壓敏性逐漸降低;從飽和狀態(tài)到面干狀態(tài),含水率降低較多,壓敏性明顯降低;從面干狀態(tài)到氣干狀態(tài),壓敏性降低幅度很小,可以認為基本穩(wěn)定;從氣干狀態(tài)到絕干狀態(tài),鋼渣砂漿的壓敏性明顯降低。水泥水化硬化后,毛細孔和凝膠孔中充有的水(即凝膠水和毛細管水)為可蒸發(fā)水,水泥石內(nèi)離子水溶液的滲流會增強機敏砂漿導(dǎo)電性[14]。試件含水率較高時,水泥石內(nèi)毛細孔和凝膠孔在外力擠壓下,毛細孔水和凝膠孔水連通,大量的陰離子可沿界面偶電層的滑移面在相互連通的孔隙中流動,水泥石內(nèi)離子水溶液的滲流會對壓敏性產(chǎn)生增強作用[15]。試件干燥后,水泥石內(nèi)離子水溶液的滲流減少,因此鋼渣砂漿在絕干狀態(tài)時壓敏性較差。實際應(yīng)用時,砂漿常處于氣干狀態(tài)至面干狀態(tài),可以通過判斷鋼渣砂漿的含水率狀態(tài),來選擇應(yīng)力-電阻變化率曲線來判定不同電阻時對應(yīng)的應(yīng)力。

2.5 環(huán)境溫度對壓敏性的影響

從分子運動論觀點看,溫度是物體分子平均平動動能的標志,是大量分子熱運動的集體表現(xiàn),分子運動愈快,物體愈熱,即溫度愈高;分子運動愈慢,物體愈冷,即溫度愈低。溫度影響鋼渣導(dǎo)電砂漿內(nèi)導(dǎo)電粒子的運動速度,從而影響其電阻和壓敏性。將試件分別放置在低溫箱和干燥箱,測試-15℃、5℃、25℃和50℃時鋼渣砂漿的壓敏性,恒溫時間3 h。由于升溫會改變試件含水率,因此在較高溫度時,通過提高干燥箱內(nèi)的相對濕度,使試件的含水率保持近似不變,試驗結(jié)果見圖6。

圖6 環(huán)境溫度對壓敏性的影響

根據(jù)圖6,溫度低于0℃時,電阻隨壓力增大而增大。負溫時,由于試件中毛細孔水和吸附水結(jié)冰膨脹,使鋼渣顆粒的距離增加,勢壘增大,電子躍遷幾率降低,壓敏性降低。溫度降低引起材料內(nèi)部含水狀態(tài)的改變,水泥基體的收縮會改變電子躍遷的高度和能隙寬度,電子躍遷的幾率也會降低,這3方面的綜合作用導(dǎo)致負溫時鋼渣砂漿壓敏性降低。溫度高于0℃后,隨著溫度升高,電子受熱激發(fā)獲得能量,電子克服水泥基體的勢壘產(chǎn)生躍遷的幾率增加,試件電阻下降,壓敏性增強[14,16],在5℃和25℃時,鋼渣砂漿的壓敏性無明顯差異,說明鋼渣砂漿的壓敏性在5～25℃常溫下保持相對穩(wěn)定。溫度達到50℃后,鋼渣砂漿壓敏性反而變差。溫度升高會引起水泥基體和鋼渣顆粒的膨脹,由于水泥基體的熱膨脹系數(shù)遠大于鋼渣顆粒的熱膨脹系數(shù),隨著溫度升高,鋼渣顆粒的距離增大,間隔勢壘增加,破壞了已有的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),使試件電阻增大,因此當溫度高于50℃時,試件壓敏性降低。

3 結(jié) 論

1)鋼渣砂漿具有良好的壓敏性,隨著鋼渣摻量增加,鋼渣砂漿壓敏性顯著增強,提高鋼渣摻量可以降低環(huán)境因素對壓敏性的影響。

2)隨著水養(yǎng)時間的延長,鋼渣砂漿的壓敏性有所增強,但水養(yǎng)主要是改變了試件的含水率,從而影響壓敏性,養(yǎng)護對壓敏性的影響較小,可以忽略。

3)齡期對壓敏性影響較明顯,隨著齡期的延長,鋼渣砂漿壓敏性逐漸降低,28 d齡期時的電阻變化率比7 d齡期時的降低了13.3%。

4)飽和含水率時,鋼渣砂漿壓敏性較好,隨著含水率降低,鋼渣砂漿壓敏性逐漸降低。當含水率從面干狀態(tài)至氣干狀態(tài)時,鋼渣砂漿的壓敏性保持穩(wěn)定。

5)0℃以下,隨著溫度降低,鋼渣砂漿壓敏性變差,壓力增大時電阻也逐漸增大;溫度為5～25℃時,鋼渣砂漿壓敏性良好,溫度變化時,壓敏性保持穩(wěn)定;溫度達到50℃時,鋼渣砂漿的壓敏性僅為5～25℃時的39.7%,壓敏性明顯降低。

6)影響鋼渣砂漿壓敏性的因素較多,如何排除影響因素的干擾極其重要。實際應(yīng)用時可以忽略養(yǎng)護制度和齡期對壓敏性的影響,然后根據(jù)環(huán)境溫度和含水率選擇應(yīng)力-電阻變化率曲線來判定電阻變化時構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)。

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