钢/铜纤维混凝土电介质特性的研究

[关键词] 智能混凝土；电介质；极化

1　引　言

在实际设计中，为了保证建筑结构的可靠性，设计方案通常是建立在大大超过基本安全设计要求的基础之上。即便如此，某些设计或人为因素造成的建筑失效仍屡屡出现。人们用光纤、压电陶瓷等功能材料作为传感器对建筑结构的力学状况进行实时在线健康监测。然而这些传感器件的传感信号意义不易确定，设备环境要求高、安装复杂、价格昂贵等问题，限制了这一技术的广泛应用。发展一种能准确反映结构性能状况，实时在线监控其健康状况且成本较低廉，应用简便的建筑结构力学状况传感系统成为当务之急。研究发现，混凝土具有电、磁、热、力耦合特性，其自身的电、磁信号的输出变化能够反映其温度和受力状态的变化。但普通混凝土的这一特性较弱，人们通常要用一些方法以增强其耦合特性。我们把具有较强的电、磁、热、力耦合特性，并能够明显反映出温度、受力等状态变化的混凝土材料或结构称为智能混凝土。

2　已有研究状况

1991年，Banthia等^[3]研究了不同碳纤维和钢纤维增强水泥的电阻率特性，发现纤维能有效地增强混凝土的导电性。他们认为，其导电的原因是由于纤维之间连接成了一个连通的网络。张跃等^{[4 ]}也于1992年发现，在混凝土中加入少量的短切碳纤维就能大大降低混凝土的电阻率。他们认为，这一现象可能是由智能混凝土中的电子通过分散在基体中的导电材料形成网络，并通过隧道效应连通网络的绝缘间隔进行传导引起的。从1993年起，Chung等^[5-6]研究了碳纤维与钢纤维混凝土的电阻率变化与加载的关系，发现二者成一定的近似比例关系，同时电阻率变化的部分不可逆性表明电阻率变化能够反映材料结构的损伤。他们认为电阻率随加载变化的原因仅仅是由于纤维与混凝土的接触电阻增加(压入)和减少(拉出)引起的。

毛起等人^[7]也研究了智能混凝土的压阻特性。他们引用张跃等^[4]的解释，并认为受压时混凝土中的缺陷闭合，电子更易通过势垒阻碍；压力增大后，既有老裂纹闭合，又有新裂纹产生，在压力一定范围内变化不大，处于平衡状态；压力达到一定值后，新裂纹贯通扩展，导电网络破坏，电阻迅速增大。

最近，Mingqing Sun^[8]等人发现，混凝土同时也具有压电性，当对混凝土加4kN/s的力时，混凝土会产生几个毫伏的电压，并且素混凝土的压电性优于含导电纤维的混凝土。他们认为这一现象可用固液界面双层模型解释:混凝土的孔洞中含有导电的电解液，电解液与固体形成固液双层界面；一些电荷吸附在液体界面上，而相反的电荷吸附在固体界面上，故而造成了混凝土的压电性。

与此同时，智能混凝土在其他领域的应用也正被广泛探索，如电阻率随温度变化、电磁屏蔽、电加热性能、温差产生电压等。

3　研究进展

前述研究只是在实验基础上获得的感性认识，它们并不能从理论上真正认识智能混凝土外部热力学表象的内部机理。作者用钢纤维和铜纤维智能混凝土作了电阻率、电压与拉伸、压缩加载关系的初步试验发现：

(1)在刚加上低压直流电压时，智能混凝土的电阻率很快达到一较小值，然后逐渐增大，同时增幅逐渐减小，过了很长一段时间(约两个小时)智能混凝土的电阻率才稳定下来；而加高压直流电压时，电阻率很快达到与加低压直流电压最初时相同的电压值，且不会变化；

(2)电阻率值与智能混凝土的尺寸、纤维的多少不成正比关系，分散性很大；

(3)钢纤维智能混凝土的电阻率变化不受拉伸加载的影响，但与压缩加载的压力成比例；

(4)铜纤维智能混凝土的电阻率变化与加载成近似比例关系；

(5)材料损伤后，智能混凝土的电阻率不再变化；

(6)混凝土自身由于自极化，即使未受外作用也会产生几十毫伏可测量的电压，且电极反向后电压也相应变为负值；

(7)智能混凝土加载后会产生电压变化，并且电压变化与压力变化成一定比例关系。

到目前为止，没有见到关于上述(1)、(2)、(6)三点的研究报道。

我们发现，智能混凝土的这些性质是一种典型的电介质性质，普通混凝土的电阻率很大，加导电杂质后，其电阻率产生了几个数量级的变化；智能混凝土最初的电阻率是由绝缘层电容充电产生的，电容放电一段时间后某个时间表现出的电阻率是材料结构的电导电阻率。这一电导主要由导电杂质及表面湿度引起，材料结构由于极化而产生的感应电阻率在这一阶段相对较小而不明显；电容放电完毕并且混凝土极化完成后表现出的电阻率是材料的感应电阻率与电导电阻率之和(图1)。

多且距离较近的预应力主、次梁，各梁内预应力筋张拉后对楼板产生的预压应力已经能够控制楼板的收缩变形裂缝，因此，新航站楼的楼板内沿纵向没有配置通长直线的抗裂无粘结预应力筋。新航站楼的横向(短向)各框架梁距离为15m，各梁内预应力筋张拉后对楼板产生的预压应力尚不能有效控制楼板的收缩变形裂缝，故新航站楼的楼板内沿横向配置了分布的通长直线的抗裂无粘结预应力筋。

4　小　结

在混凝土结构的构件内施加预应力能够有效地控制变形和裂缝，但预应力混凝土构件在建筑整体结构中不能独立存在，因此，设计预应力混凝土构件时，除分析计算配筋外，尚需进行大量的节点设计和构造设计。当建筑整体结构为非常规结构时，为实现整体结构设计目的，节点设计和构造设计尤为重要。本文以济南遥墙机场新航站楼为例，分析介绍了超大平面、大跨度、圆柱框架结构大型公共建筑预应力楼盖的构造设计特点，包括:预应力筋张拉长度、分段位置和张拉端及锚固端构造设计；预应力损失最大部位的构件抗裂构造设计；梁、柱节点布筋方式构造设计；集中荷载作用点抗弯剪构造设计；超长楼板的抗裂构造设计。这些设计方法仅是针对具体工程的具体方法，但可以提供给其它类似工程作为参考。

[参考文献]

[ 1 ]GB50204- 92，混凝土结构工程施工及验收规范[S].

[ 2 ]JGJ/T92-93，无粘结预应力混凝土结构技术规程[S].