林希，王榮，沈德爭

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0 引言

隨時間推移，混凝土結(jié)構(gòu)損傷累積，可靠性下降，導致構(gòu)件破壞、結(jié)構(gòu)倒塌。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)傳感器存在相容性差、成本高、耐久性差等不足，難以全壽命周期性普及應(yīng)用。導電水泥基元件為混凝土結(jié)構(gòu)自監(jiān)測提供了思路，可概述為：在水泥基元件中摻加導電材料，形成導電網(wǎng)，通過對關(guān)鍵區(qū)域的電極布置，實現(xiàn)測區(qū)的實時監(jiān)測，并由控制系統(tǒng)分析，進行風險評估，做到實時預(yù)警。

結(jié)合已有文獻和改性材料的導電性能、材料成本，選用碳纖維粉作為導電材料，對砂漿開展改性試驗分析，分析了碳纖維粉摻量、壓應(yīng)力、齡期對水泥基元件電阻率的影響，為相關(guān)研究與應(yīng)用提供參考。

1 試驗簡介

1.1 材料與儀器

碳纖維粉，作為導電成分，由天津市某公司生產(chǎn)，性能見表1；ISO標準砂，廈門某公司生產(chǎn)；普通硅酸鹽水泥，作為膠凝材料，P·O 42.5，海螺牌；銅網(wǎng)，作為電極，由安平縣某公司生產(chǎn)；飲用水等。

表1 碳纖維粉的基本參數(shù)

NJ-160A水泥攪拌機；SBY-32B養(yǎng)護箱；DY-208型水泥強度試驗機；ZS-15水泥膠砂振實臺；萬能試驗機；1010S恒溫干燥箱；電阻測試系統(tǒng)等。

1.2 試件制作

稱取原材料，將導電材料加入水泥中，在攪拌機上攪拌0.5 min，加水慢攪1 min，加砂慢攪0.5 min，停1 min，再快攪0.5 min，將拌合物倒入模具（40 mm×40 mm×160 mm）中，隨后在振搗臺上振搗，后抹平靜置，并插置銅電極，24 h后脫模，養(yǎng)護。到達齡期后，取出烘干，外表面刷環(huán)氧膠，再由萬能試驗機勻速軸向加壓，同時通過電阻測試系統(tǒng)測試電阻。

1.3 測試理論

據(jù)歐姆定律，有式（1）：

式中：R為電阻，U為電壓，I為電流。

據(jù)式（2）計算電阻率ρ：

式中：S為試件橫截面面積，L為電極距離。

據(jù)式（3）計算抗壓強度：

式中：Fe為最大壓力，A為受壓面積。

2 配合比與結(jié)果分析

膠砂配合比為水∶水泥∶砂為1∶2∶6，另摻入質(zhì)量分數(shù)為2%、4%、6%、8%的碳纖維粉，制作試件；養(yǎng)護齡期為7 d、28 d和120 d。試件配合比見表2，不同齡期、不同碳纖維粉含量試件的初始電阻率見圖1、2。120 d時，各試件在軸心壓力作用下的電阻率見圖3。

表2 碳纖維粉水泥基元件配合比

圖1 齡期-電阻率分析

圖3 壓應(yīng)力-電阻率分析

由圖1可知，隨齡期增加，各試件的電阻率均呈現(xiàn)先增后減規(guī)律。在28 d前水化反應(yīng)逐步完成，水化產(chǎn)物逐步穩(wěn)定增加，各試件的電阻率隨養(yǎng)護齡期的增長而增大。28 d后，試件內(nèi)部的水化反應(yīng)逐步完成，內(nèi)部含水量下降，碳纖維粉末與水化產(chǎn)物形成的復合相具有導電性能，各試件的電阻率隨齡期的增加而減小。

由圖2可知，相同齡期時，碳纖維粉摻量的增加，電阻率先降后增。各齡期試件中，摻量為2%時，改性試件的電阻率最低，這表明基于碳纖維粉改性水泥基試件的渝滲閾值接近于2%，此時試件的導電效應(yīng)明顯。

圖2 碳纖維粉摻量-電阻率分析

由圖3可知，自加載開始，至破壞前，各試件電阻率均隨壓應(yīng)力的增大而減小。以C-2為例，加載初期，由于荷載較小，只有少部分孔隙被壓密實，電阻率下降不明顯；隨著壓應(yīng)力逐漸增大，試件內(nèi)部孔隙與缺陷裂縫逐漸被壓密實，電阻率明顯下降；隨后試件內(nèi)部開始產(chǎn)生新的裂縫，電阻率變化趨于平緩。利用改性試件的壓應(yīng)力-電阻率關(guān)系，可以開展構(gòu)件關(guān)鍵區(qū)域的自監(jiān)測應(yīng)用。

3 結(jié)論

（1）養(yǎng)護齡期、導電材料的摻量對自監(jiān)試件的力阻性能有顯著影響。

（2）碳纖維粉試件的力阻特性明顯，試件電阻率均隨壓應(yīng)力的增大而減小，可用于水泥基構(gòu)件的實時自監(jiān)測分析。

（3）所測試件中碳纖維粉的較優(yōu)摻量為2%，接近于碳纖維粉改性試件的渝滲閾值。