损伤自诊断机敏混凝土材料研究

[摘　要] 具有机敏特性的水泥基复合材料日渐成为研究热点。本文研究了掺有碳纤维的混凝土材料在单轴受压和三点弯曲负荷下的电阻相对变化与材料内部损伤间关系，为开发具有自诊断功能的混凝土材料提供了材料基础。

[关键词]机敏混凝土；　损伤自诊断；　碳纤维

　　20 世纪80 年代中期，人们提出了智能材料的概念[ 1 ] 。智能材料要求材料体系集感知、驱动和信息处理于一体，形成类似生物材料那样的具有智能属性的材料，具备自感知、自诊断、自修复等功能。而传统的水泥混凝土材料，由于功能单一和脆性大，很难想象能与智能机敏特性联系在一起。随着科技的发展和社会的进步，人们对建筑结构的要求愈来愈高，尤其在9．11 事件之后，人们更是渴求作为结构承重的水泥混凝土能够实现损伤自诊断，从而避免建筑结构由于突然断裂而引发的灾难性事故。

      机敏水泥基材料的提出和研究[ 2～4 ] ，是适应上述研究背景的。普通的水泥混凝土材料已不能适应日新月异的多功能需要和新技术发展与应用。因此，对传统结构材料水泥混凝土进行改性，研究和开发坚韧、具有感知能力的机敏混凝土，使其成为功能、结构材料一体化，不但顺应了当前材料科学的发展趋势，促进能源材料向高新技术和多功能材料的发展，为智能结构的设计提供了材料基础，而且对实现混凝土结构在服役和受台风及地震等自然灾害期间结构完整性的自诊断、损伤和缺陷的早期预报、减少经济损失具有重要意义。

      普通的水泥混凝土是电的不良导体，将具有导电功能的碳纤维均匀地分散于其中。不仅显著改变了水泥混凝土的导电性能，而且赋予了水泥混凝土的某些特殊功能，如电磁屏蔽，损伤自诊断等[ 5～9 ] 。本文研究了碳纤维水泥基复合材料在单轴受压和三点弯曲负荷下，通过测试其电阻的变化，探讨其损伤自诊断功能。

1 　实验方法

1.1 　样品制备

      基本原料为PAN 基高强短切碳纤维，其性能指标见表1； 硅灰，其颗粒粒径约0101μm～011μm ，Elken 公司提供；525 # 普通硅酸盐水泥；ISO 标准砂。

　　试样制备是在实验室中进行。首先称取30 %的水，将甲基纤维素分散于其中，同时用玻璃棒搅拌，静置20 分钟左右确保甲基纤维素完全溶解，随后将碳纤维加入溶液中，并不断搅拌。将剩下的70 %的水加入搅拌锅中，分次加入硅灰、水泥和标准砂，最后将分散有碳纤维的溶液加入搅拌，一共需搅拌3 分钟左右。搅拌完毕，将拌合料装入不同的试模中，进行高频振动成型，并按规定尺寸预埋不锈钢电极。试样脱模后，送入标准养护室中进行养护。

1.2 　样品测试

     实验加载装置采用Istron 8501 伺服式万能实验机，自动记录荷载和试件变形，加荷速度依据实验要求自行控制。在加载过程中采用FLUCK89 精密数字电阻仪直接与试件两端的电极相连，测试其电阻变化。

      实验装置加载过程中，同时利用声发射仪对其损伤进行监测。声发射仪采用美国PhysicalAcoustic Corporation 生产的SPARTAN AT2000 系列。采用谐振频率为150kHz 的压电换能器，每次测试时都与试件相同的位置耦合(凡士林为耦合剂) ，前置放大器设为40dB ，主体放大器选为30dB ，为排除噪音干扰，经实验验证，门槛阀值设为43dB。

2 　实验结果与讨论

2.1 　单轴受压损伤自诊断

      图1 为试件在单轴受压下电阻相对变化与应力水平关系。可以看出，在应力水平低于最大荷载60 %时，电阻随应力而迅速下降，达到最低值后，电阻随应力增大而升高。类似于高分子导电复合材料电阻随温度升高而增大的PTCR效应，我们定义电阻随压力的增大而降低或升高的变化为电阻的负或正压力系数(Negative/ Positive Pressure Coefficient of Resistive ， N/ PPCR) 效应。

     碳纤维水泥基复合材料体系中，体系导电主要依赖于均匀分散于水泥基体中相互搭接的碳纤维形成的导电渗流网络。当试件受到外界荷载作用时，其内部同时发生两个相互作用的过程：

(1) 在外力作用下，试件内部变得愈加紧密，使得彼此相邻的碳纤维增加了相互搭接的机会;同时使得碳纤维在受力方向排列易于定向性，形成新的导电网络，其结果必然导致试件导电率的增大，即电阻的减小;

(2) 外加荷载继续增大必然引起试件内部发生破坏产生裂纹，增加碳纤维的间隔势垒，使得已存在的导电网络破坏，引起试件导电率下降，即电阻增大。

       因此在加载的初始阶段，第一个过程处于主导地位，试件电阻随荷载的增大而降低呈现负压力系数效应;外界荷载继续增大，试件内部不断有损伤出现，当出现可见裂缝时，试件的电阻则呈现相反的变化，即正压力系数效应，此时试件已经发生了较为严重的损伤。因此，通过测试试件电阻的变化，能够进行损伤自诊断。

2.2 　循环荷载作用下损伤自诊断

      考察在四个不同大小的单轴压力循环作用下，碳纤维水泥基材料在压缩过程中的电阻特性。图2 给出了10 次压缩循环的电阻相对变化与荷载(ΔR/ R - P) 关系。

　　可见：在每个循环过程中，加载时，电阻随荷载增大呈近似线性关系降低;卸载时，电阻呈线性增大。电阻的相对变化与荷载之间具有鲜明的对应关系。但在不同的加载幅度下，电阻的相对变化与荷载之间关系存在一定的差异。在低幅度的加载下，如图2 (a) 中，加载幅度为最大破坏荷载的30 % ，在第一个循环中，呈现NPC (负压力系数) 效应，而当经过第一次循环，卸载后电阻出现了较大的不可逆减小，随着循环次数的增加，这种不可逆减小逐渐降低，在第四个循环时，电阻的变化随荷载的变动完全可逆，但电阻的变化仍未能恢复到初始值；而在图2 (b) 、(c) 中，加载幅度为最大破坏荷载的60 %和80 % ，经过第一次循环，卸载后电阻变化基本可逆，回复到初始位置，但随着循环次数增加，卸载后电阻出现了较原始值增大的趋势， 呈现PPC(正压力系数) 效应，且随着循环过程的进展，这种增大幅度逐渐增大；在高幅度的加载下(加载幅度为最大破坏荷载的90 %) ，图2 (d) ，经过第一次循环后，电阻便呈现PPC 效应，卸载后电阻值超过初始值，随着循环次数的增加，电阻残余增加值越来越大。

      通过上述实验现象表明，在循环荷载下，同样存在着如单轴压力下的两个相互作用过程。在低加载幅度下，导电网络的重组与形成处于主导地位，经过最初的两个循环后，试件内部原有的缺陷、孔隙和微裂缝基本被压密实，试件发生了不可逆的变形，所以电阻出现了不可逆的降低，在以后的加载和卸载过程中，由于应力较低，没有新的裂纹产生，试件处于一种弹性变形阶段，因而电阻变化基本可逆。在加载幅度为最大荷载的60 %左右时，在最初的加载和卸载过程中，导电网络的破坏与重组基本处于一种动态平衡状态，随着循环次数增加，试件内部在不断地发生损伤，导电网络的破坏逐渐占主导地位，引起卸载后电阻不能回复到初始值而不断增加。在加载幅度为最大荷载的80 %和90 %时，试件内部的新裂纹不断产生，使得导电网络的破坏一直起主导作用，因此当每经历一个循环卸载后，电阻不能回复到初始值而是随循环次数的增加而不断升高。

      声发射是对材料内部发生损伤进行实时监测最有效的方法之一，为了探讨电阻测试方法的有效性，同时进行了声发射测试。图3 分别是以上不同加载幅度下，声发射事件发生率与时间对应关系。在图3 (a) 中，只有在最初的两个循环中，有声发射事件发生，主要是试件在被压密实过程中产生的，此后的加载和卸载过程基本没有声发射事件产生，对应的电阻变化是可逆的；而在图3 (b) 、(c) 和(d) 中，每个循环都有不同程度的声发射事件产生，表明试件内部有损伤产生，相应的每个循环的电阻变化峰值也增加。因此，通过测试电阻变化峰值可以对材料内部损伤进展进行实时监测，从而避免材料在没有任何征兆的情况下发生破坏。　

2.3 　三点弯曲负荷下的机敏性

      三点弯曲梁是研究水泥基材料断裂特性常用的一种试件形式。图4 给出了碳纤维水泥基材料在三点弯曲负荷下对应的电阻变化与荷载- 挠度曲线及监测的声发射事件对应关系。图4 可见：在荷载- 挠度曲线上升段，电阻的相对变化与荷载-挠度曲线间具有良好的对应关系，随着荷载的增大，电阻相对变化增大。对应监测的声发射实验结果，可以将荷载- 挠度与电阻相对变化曲线在整个加载过程中，明显分成三个区段。

(a) Ⅰ区： (0 < 挠度值< 0101mm) ，为挠度随荷载的增大成线性增加的弹性阶段。在此阶段，电阻随挠度的增大而成近似线性增大。

(b) Ⅱ区： (0101mm < 挠度值< 01015mm) ，为有可见裂纹出现的非弹性变化阶段。在此阶段，荷载- 挠度曲线出现转折点，呈现非线性变化;而电阻随挠度增大迅速增大，与荷载- 挠度曲线对应，有一个明显的转折点。

(c) Ⅲ区： (挠度值> 01015mm) ，属于荷载- 挠度曲线下降段。

归结起来，上面三个过程区分别对应材料内部的微观受载过程为： (1) 微裂纹处于稳定阶段; (2) 微裂纹不断开始形成并扩展成为宏观裂缝; (3) 裂纹失稳快速扩展阶段。

因此，通过测试电阻的相对变化，可以直接进行断裂过程判断。

3 　结论

(1) 将碳纤维均匀地掺入水泥基复合材料中能显著改善体系的导电性能，并赋予了其特殊的机敏性能。

(2) 在单轴受压负荷下，碳纤维水泥基复合材料具有显著的正压力系数效应和负压力系数效应。碳纤维水泥基复合材料的负压力系数和正压力系数分别对应着碳纤维导电网络的重组与破坏两个过程。在较低应力下，以导电网络形成为主， 电阻减小;在较高应力下，破坏过程占主导地位，电阻增大，预示材料要发生破坏。实验结果表明：通过电阻测试，能够探知材料内部损伤，具有自诊断功能。

(3) 在循环荷载作用下，通过测试电阻变化峰值可以对材料内部损伤进展进行监测。当电阻变化峰值超过零时，预示材料要发生破坏。

(4) 在三点弯曲负荷下，碳纤维水泥基复合材料电阻相对变化与荷载- 挠度曲线间存在着良好的对应关系，通过测试其电阻相对变化可以对试件的断裂过程进行监测。

[参考文献]

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[9 ]陈兵，姚武，吴科如. 用交流阻抗法研究碳纤维混凝土导电性[J ] . 材料科学与工程，2001 ，19 (1) ：76.

[作者简介] 　陈兵(1973 - ) ，男，安徽安庆人，博士。研究领域为：水泥基材料的组成、结构与性能，无机2有机新型复合建筑材料的制备与性能分析，机敏水泥基复合材料的研究以及水泥基材料的无损检测。

[单位地址] 　上海交通大学建筑工程与力学学院(200240)

[联系电话] 　021 - 54744095