童谷生，吳秋蘭

（華東交通大學土木建筑學院，江西南昌330013）

Tong Gusheng，Wu Qiulan

（School of Civil Engineering andArchitecture，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

在普通水泥基材料中摻入少量的帶電短切碳纖維，形成碳纖維增強水泥基復合材料（carbon fiber reinforced cement based composites，CFRC），改善了復合材料的導電性能，并使其具有電阻敏感性，形成智能材料。利用CFRC壓敏性制作用于土木結構健康監(jiān)測的傳感器，不僅可克服傳統(tǒng)傳感器耐久性低和穩(wěn)定性差的缺點，而且價格低廉、工藝簡單，因此有望成為土木結構健康監(jiān)測的理想傳感器之一[1-2]。目前已有不少CFRC制備工藝，碳纖維的分散性、長度及含量等因素對CFRC力學和導電性能影響方面的研究[3-7]，并由定性轉向定量研究[8-9]。但對這類材料力電性能尺寸效應的研究卻很少，對尺寸效應規(guī)律的研究是建立CFRC力學與電學性能本構模型的基礎，因此具有理論和實際意義。

擬在試驗的基礎上研究碳纖維增強水泥砂漿（CFRM）柱體在軸壓下的強度以及電阻率的變化，研究幾何相似的柱體在相同應力下的靈敏度系數(shù)以及極限荷載下尺寸效應率等問題，并初步分析其有關機理。

1 試樣制備

試驗研究表明[5-7]:碳纖維的類型、表面處理工藝、長度、含量及分散性等因素都影響碳纖維復合材料的力電性能。在研究碳纖維水泥砂漿力電性能前，制備分散均勻、粘結性能好且靈敏度試樣是減小和獲得穩(wěn)定電阻率的基礎。參考已有資料，在多次初步試驗后，選擇了如下材料與配合比。采用的水泥是普通硅酸鹽水泥（P·O42.5），由南昌萬年青水泥有限責任公司生產(chǎn)，細骨料采用本地標準砂（篩選細度模數(shù)為2.43的中砂），減水劑是由江西省創(chuàng)新外加劑有限公司生產(chǎn)，采用的短切碳纖維是由上海新卡碳素科技有限公司提供的硼基碳纖維，其性能指標如表1所示。所采用的配合比:m（水泥）∶m（砂）∶m（硅灰）∶m（水）=1∶1∶0.15∶0.45。按占水泥質量百分比計算，碳纖維水泥砂漿的配合比為碳纖維0.6%，聚羧酸高效減水劑2%，消泡劑（磷酸三丁酯）0.13%，CMC（羧甲基纖維素鈉）摻量為0.8%。

表1 碳纖維的主要技術指標Tab.1 Main technical indexes of carbon fiber

為了研究碳纖維水泥沙漿力電性能的尺寸效應，試驗研究設計制作了64個幾何相似的短切碳纖維水泥砂漿棱柱體，其尺寸為b×h（b為正方形截面邊長，h為柱高）。為使試件中部擺脫端部摩擦阻力的影響，處于單軸均勻受壓狀態(tài)，在本試驗中，試件的高徑比取2。試件尺寸見表2所示。

表2 CFRM試件尺寸及編號Tab.2 Size and serial number of CFRM specimens

對碳纖維水泥基復合材料的力電性能進行研究，通常利用二電極法或四電極法電極來測量其體積電阻率。試驗和分析表明:四電極法測量得到的壓敏性能較好反映碳纖維復合材料的真實壓敏性，本實驗采用四電極法測量試樣的電阻率。把攪拌好的碳纖維水泥砂漿倒入準備好的油模具中，振實成型后插入不銹鋼絲網(wǎng)（孔徑6 mm）電極。測試混凝土及砂漿類電阻率的電極制作目前沒有標準，本文電極的制作參考文獻[10]的制作方法，電極與鄰近受壓面的距離均為10 mm，可保證受壓時電極與試驗壓頭絕緣。試塊成型后24 h拆模，在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至28 d。

試樣養(yǎng)護完成后，在碳纖維水泥砂漿棱柱體表面正中位置（除插有電極的表面）粘貼豎向應變片（試驗所用的是浙江黃巖測試儀器廠生產(chǎn)的電阻應變片，應變片型號為BX120-50AA，電阻為119.8 Ω，靈敏系數(shù)為2.06%）。縱向應變片粘貼位置及制作好的試樣分別見圖1和圖2。

圖1 棱柱體表面應變片布置Fig.1 Layout of the prism surface strain

圖2 幾何相似試件Fig.2 Test specimens of geometrical similarity

2 試件力電性能測試結果及討論

2.1 電阻率測試

CFRM壓敏特性基于碳纖維水泥砂漿的電學性能，需對碳纖維水泥砂漿的導電性能進行測試，即測量碳纖維水泥砂漿的電阻率。而能反映碳纖維水泥砂漿內部應力、應變和裂紋變化情況的電阻率是體積電阻率。本試驗采用數(shù)字萬用表測量試件的電阻率，電源為直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源LW10J2，測試電壓為5 V。由于試驗模具的關系，試件分3批澆注，每一批次制作18個試樣。試件養(yǎng)護28 d后的測試電阻率，每批次測試所得到的電阻率值的算術平均值、標準差和變異系數(shù)如表3～5。

表3 第1批碳纖維水泥砂漿28 d后電阻率測試值Tab.3 Test value of CFRM resistivity for specimen after 28 d in the first batch

表4 第2批碳纖維水泥砂漿28 d后電阻率測試值Tab.4 Test value of CFRM resistivity for specimen after 28 d in the second batch

表5 第3批碳纖維水泥砂漿28 d后電阻率測試值Tab.5 Test value of CFRM resistivity for specimen after 28 d in the third batch

從表3～5可見，3批次的試件所測得的體積電阻率有相同的特性，隨著試件尺寸的增大，所測得的試件電阻率在減小，可以認為碳纖維水泥砂漿的電阻率存在尺寸效應現(xiàn)象，主要原因由于試樣尺寸的增大使試樣有更多的導電通路。

2.2 軸向荷載作用下的載荷－應變曲線與載荷－電阻率曲線

2.2.1 力電性能曲線

試驗主要研究是3種幾何相似碳纖維水泥砂漿的單向加載的壓敏性和試件幾何尺寸的變化對碳纖維水泥砂漿棱柱體單軸抗壓強度的影響。測試試件共18個，其中尺寸大小為66.7 mm×66.7 mm×133.3 mm的試件6個，100 mm×100 mm×200 mm的試件6個，150 mm×150 mm×300 mm的試件6個。對柱體進行軸心抗壓試驗的同時測量它的電阻率的變化。對柱體進行軸心抗壓試驗，必須保證壓板的中心與試樣的軸心對準，并在試樣的上下放置絕緣薄膜防止試件和其他的金屬器材接通。測試加載裝置如圖3所示。

體積電阻率采用公式（1）計算:

圖3 試驗儀器與測試設備Fig.3 Testing and measuring equipment

式中:L和S分別為兩電極間的距離和試件的橫截面面積。由（1）式可知，只要試件電阻測量準確，那么體積電阻率的相對變化值就等于電阻的相對變化值，即假設ρ0，ρ分別代表初始電阻率和瞬時電阻率，則與相應的電阻R0，R之間有如下關系:

試驗數(shù)據(jù)整理后，繪制出各組試件電阻率變化與壓應力之間的關系曲線及應力-應變關系曲線，如圖4～圖9所示。

圖4 碳纖維水泥砂漿柱體壓應力-電阻率變化曲線Fig.4 Curves of CFRM cylinder pressure stress and resistivity

圖5 碳纖維水泥砂漿柱體壓應力-電阻率變化曲線Fig.5 Curves of CFRM cylinder pressure stress and resistivity

圖6 碳纖維水泥砂漿柱體壓應力－電阻率變化曲線Fig.6 Curves of CFRM cylinder pressure stress and resistivity

圖8 碳纖維水泥砂漿柱體壓應力－應變曲線Fig.8 Curves of CFRM cylinder pressure stress and resistivity

圖9 碳纖維水泥砂漿柱體壓應力－應變曲線Fig.9 Curves of CFRM cylinder pressure stress and resistivity

由圖4～9可見，試件的電阻率都有明顯的變化，其電阻率與應變的變化趨勢是一致的，表明可以利用電阻率變化來反映試件的受壓以及整體損傷情況，進一步的工作是建立碳纖維水泥砂漿在受壓下應力與電阻率之間的定量變化關系，從而以砂漿的電阻率的變化來直接監(jiān)控試件的損傷變化。

2.2.2 靈敏度系數(shù)

碳纖維水泥砂漿的壓敏特性是指試件的電阻率隨著應變的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。碳纖維復合材料的靈敏度系數(shù)K是指單位應變的電阻率相對變化量。靈敏度系數(shù)K可通過公式（3）計算:

式中:Δε為應變的改變量。對3類不同尺寸的同一應力值進行平均計算，如表6給出。

表6 同一應力下的試件靈敏度系數(shù)K計算值Tab.6 Calculated value of sensitivity coefficient K of specimens under the same stress

試件的靈敏度系數(shù)反映了電阻率變化對應變和應力的敏感程度，從表6可見，隨著試件尺寸的增大，試件的電阻率變化也逐漸增加，即尺寸較大的試件表現(xiàn)出更好的壓敏特性，這與文獻[11]的試驗結果一致，不同的是文獻[11]中采用的是橫截面尺寸相同而高度不同的試樣（一維相似），而本文采用的是三維幾何相似試樣。尺寸效應的原因同樣可以認為高試樣在相同的應力下有更大的變形，使得更多的碳纖維相互靠近、接觸，從而導致電阻率降低較快。

2.2.3 軸心抗壓強度

為了研究碳纖維水泥砂漿的極限承載力與試件尺寸的關系，對同一批試件在軸壓下加載至破壞，通過極限荷載除以試件橫截面面積，可以得到試件的軸心抗壓強度，試驗結果見表7。

表7 CFRM試樣軸心抗壓強度試驗值Tab.7 Axial compressive strength of CFRM specimens

由表7可見，3種幾何相似碳纖維水泥砂漿試件的強度與普通混凝土強度一樣，具有尺寸效應，碳纖維水泥砂漿棱柱體試件的軸心抗壓強度隨著試件幾何尺寸的增加而降低。其原因在于，從碳纖維水泥砂漿的細觀結構來看，碳纖維水泥砂漿是由水泥漿、骨料與碳纖維之間的粘結帶所形成的復合材料，試件的宏觀破壞實質上是細觀結構損失斷裂行為的積累和發(fā)展，試件尺寸越大，各材料之間的粘結帶也就越多，越容易受載開裂，因此大試件的宏觀強度要低于小試件的宏觀強度，即表現(xiàn)為宏觀強度的尺寸效應。對準脆性材料強度尺寸效應，一般認為應滿足Bazant的尺寸效應律[11-12]。

由試驗結果可見，盡管在水泥砂漿中加入碳纖維可以起到增韌作用，但總體上仍呈現(xiàn)準脆性的性質，其尺寸效應可以用Bazant的尺寸效應律來擬合，這與普通混凝土強度特性類似。

3 結論

通過幾何相似水泥砂漿試樣電阻率及荷載作用下電阻率的變化和極限荷載的測試與分析，可以得到如下的結論:

1）碳纖維水泥砂漿棱柱體的電阻率隨著試件尺寸的增大而減小，即碳纖維水泥砂漿棱柱體的電阻率存在尺寸效應現(xiàn)象；

2）碳纖維水泥砂漿棱柱體具有壓敏特性，可以利用電阻變化率來監(jiān)控構件的自損傷；

3）尺寸幾何相似的碳纖維水泥砂漿棱柱體試件在單向加載作用下表現(xiàn)出的壓敏特性有所不同，碳纖維水泥砂漿棱柱體的壓敏特性隨尺寸增大，即電學性能具有尺寸效應；

4）碳纖維水泥砂漿棱柱體試件的軸心抗壓強度隨著試件幾何尺寸的增加而降低，具有尺寸效應現(xiàn)象。

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