基于取向的水泥基导电复合材料研究进展.pdf

第 23 卷 第 4 期 中 国 水 运 Vol.23 No.4 2023 年 4 月 China Water Transport April 2023 收稿日期：2022-10-09 作者简介：朱云飞（1996-），男，青岛理工大学，硕士生。通讯作者：冯 超（1984-），青岛理工大学土木工程学院。基金项目：国家自然科学基金（51909128）；国家自然基金项目（51708123）。基于取向的水泥基导电复合材料研究进展 朱云飞，程 浩，冯 超（青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266520）摘 要：基于取向的水泥基导电复合材料是将传统水泥基材料中随机分布的导电材料进行取向，使导电材料在水泥基体中沿着固定的方向分布。进行取向分布的导电材料更容易在较低含量下相互搭接形成导电路径进而改善水泥基材料的电学性能和压阻效应。文中介绍了近些年国内外学者对基于取向的水泥基导电复合材料的研究，同时对基于取向的水泥基导电复合材料的未来发展进行了展望。关键词：水泥基导电复合材料；电学性能；取向分布 中图分类号：TQ172 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2023）04-0155-03 混凝土作为当今社会被广泛使用的资源，其通常用于构建基础设施。例如：建筑物、高速公路、桥梁和隧道等1。随着高性能和超高性能混凝土等先进混凝土的迅速发展，越来越多的混凝土被用于高层建筑和海洋结构等特殊结构2。然而，混凝土结构由于开裂、老化、恶劣的环境和荷载等原因而发生退化，严重破坏其功能和结构完整性3。在结构使用过程中尽早准确地检测损坏情况，能够预防结构进一步退化，从而减少必要的维修成本4。结构健康监测是一种通过传感器测量应变、应力、位移等参数的方法，对传感系统现场收集的数据进行分析从而对结构进行状态评估，它可以达到对结构连续监测要求，还可以有效评价基础设施的性能5-7。在施工中主要采用的电阻应变片、压电应变传感器和光学传感器普遍存在耐久性差的缺点，无法满足长时间的性能监测的要求，只能用于结构短时期的性能检测8,9。传统传感器通常由金属、纤维等组成，还会导致混凝土结构的性能差异，出现与混凝土结构不兼容、连接不良、准确性低等问题4,10。随着对混凝土结构健康监测需求的不断增加，具有自感知性能的水泥基复合材料引起了学者的关注4,11。自感知水泥基材料作为一种既有结构功能又具有自感知功能的多功能材料，它不需要嵌入或附加传感器就可以感知应力、应变和损伤，具有灵敏度高、耐久性好、传感体积大和适应性强等优点12,13。自感知水泥基材料通常是在水泥基材料中加入一些导电材料，如碳纤维14、碳纳米管15、钢纤维16、镍粉17等。普通自感知水泥基材料中导电材料是随机分布的从而导致普通水泥基材料的电学性能是各向同性的。相比之下，定向分布的导电材料在较低掺量下可以实现水泥基材料的各向异性电学性能，能最大程度地改善其压阻传感性能18。一、基于取向的水泥基导电复合材料 1取向碳纤维水泥基复合材料 碳纤维具有高弹性模量、比重小、导电导热性好和耐腐蚀性等优点，是实际应用中最为广泛的增强材料之一，而且以碳纤维为导电材料的水泥基复合材料具有优异的自感知性能，可以有效地作为传感器来监测结构的健康状况19-21。Xu 等18通过磁场对掺入到水泥中的镀镍碳纤维取向，分别研究了平行于磁场、垂直于磁场、没有磁场三种情况下水泥基材料的电导率和压阻效应。研究指出平行于磁场方向的碳纤维水泥基复合材料的渗滤阈值最小，当碳纤维含量为0.3 wt%时，定向碳纤维水泥基复合材料的各向异性最大，同时平行于磁场方向排列的碳纤维水泥基复合材料还具有较好的湿度适应性和温度敏感性。为研究不同纤维长径比和纤维取向对水泥净浆电学性能的影响，张迎忠等22采用特殊的磁场装置制备了取向镀镍碳纤维水泥净浆。研究表明，镀镍碳纤维水泥基材料的电阻率随纤维长径比的增大而减小。与非取向镀镍碳纤维水泥基材料相比，纤维取向水泥基材料的导电性能和压敏性能都有所提高，纤维长径比为 900 的定向镀镍碳纤维水泥净浆的电学性能最佳。Wang 等23使用 3D 打印技术制备了不同含量碳纤维和活性炭粉作为导电材料的 3D 打印自感知水泥复合材料。研究表明，3D 打印技术可以使短切碳纤维实现纤维取向，从而使 3D 打印复合材料表现各向异性行为。当加载方向与3D 打印方向垂直时，3D 打印自感知水泥基复合材料表现出最佳的压阻响应，具有改进的线性度、重复性和信号质量。这是因为活性炭粉可以桥接相邻的碳纤维，并在每一层中形成导电路径。当受到外部压缩时，各层之间的间隙缩短，活性炭粉可以连接各层并形成较短的导电路径，从而降低电阻率。2取向镍粉水泥基复合材料 156 中 国 水 运 第 23 卷 镍粉具有良好的导电性和磁性，所以它在诸多领域有广阔的应用前景。镍粉水泥基复合材料凭借其良好的抗静电特性、电磁屏蔽特性和感知特性成为学者们研究的热点。由于镍粉磁导率大，在相同的磁场作用下，镍粉受到磁场力更大，可以在比较小的外加磁场的作用下实现各向异性。所以，通过匀强磁场可以改变镍粉在水泥基材料中的排布24。Lan 等25研究了不同磁场下镍粉的取向水平并测试了在不同磁场强度和不同泊松比下的电阻变化率，并提出了一种磁场诱导镍粉取向方法来修改和优化复合材料的电学性能和压阻效应。研究表明，对于特定含量的镍粉，随着磁场强度的增加，镍粉的取向水平随之增加，水泥基复合材料在渗滤阈值处镍粉的各向异性程度最大。镍粉取向可以减少电阻变化率对泊松比的依赖，完全取向的镍粉水泥基材料的电阻变化率仅对单轴应变敏感。Xiao 等26利用磁场对水泥基复合材料中的镍粉进行取向，并对复合材料各向异性电学性能的特点和机理进行了评价。研究表明，导电路径优先沿着镍粉取向排列的方向形成，这导致在更大的磁场强度下，电学性能越来越各向异性。镍粉的渗滤阈值含量是形成有效导电网络的临界点，在该阈值下，镍粉的各向异性电性能达到最大。为研究磁场强度和磁场持续时间对水泥基复合材料的影响。Tian 等27通过磁场对镍粉取向制备了取向镍粉水泥基复合材料。研究表明，当磁场对镍粉进行取向后，水泥基复合材料可以在镍粉较低浓度下达到渗滤阈值，还可以增强水泥基复合材料的电子传输路径。通过对磁场强度进行调节，可以优化镍粉形成的导电网络，使其性能达到最佳。Tian 等28还研究了镍颗粒形态（50 nm、0.5m、1m20m 薄片、5m、25m）和浓度对经磁场诱导和未经磁场诱导的水泥基传感器的压阻性能。研究表明，随着颗粒尺寸的减小，各向异性和各向同性的压阻性能都增加。通过磁场将镍颗粒进行取向后，含 5 vol%5m 镍颗粒的复合材料的压阻率提高了 6.2 倍，其应变计系数达到 3,143。3取向钢纤维水泥基复合材料 将钢纤维掺入水泥基复合材料中，可以限制材料中裂纹的产生和扩展。此外，添加钢纤维可以提高复合材料的拉伸强度和韧性29。钢纤维的长径比、含量、类型对钢纤维的分布、水泥基材料的电学性能产生重要影响30,32。为研究不同长径比的不锈钢纤维对活性粉末混凝土的导电性能和压阻效应的影响。Wang 等30在活性粉末混凝土中加入不锈钢纤维，通过改进的 L 型设备对不锈钢纤维取向，研究表明，不锈钢纤维的长径比为 30、60、90 时，取向不锈钢纤维活性粉末混凝土的渗滤阈值为 0.4%。对具有更高长径比的不锈钢纤维进行取向的不锈钢纤维活性粉末混凝土具有更灵敏、更高应变传感特性的信号精度。Wang 等31还研究了氯化钠侵蚀对不锈钢纤维增强活性粉末混凝土自感知性能的影响。研究表明，不锈钢纤维活性粉末混凝土在氯化钠溶液中的抗冻融循环和干湿交替能力随着不锈钢纤维用量、长径比和方向的增加而提高。此外，与氯化钠冻融循环相比，氯化钠干湿交替对不锈钢纤维活性粉末混凝土的侵蚀作用更为严重；与随机分布的不锈钢纤维相比，进行取向的不锈钢纤维活性粉末混凝土表现出更好的应变传感性能。为研究钢纤维含量、固化时间、湿度和温度等因素对各向异性电学性能的影响和不同方向的循环和失效压阻响应。Liu 等32通过磁场诱导制备了取向分布的钢纤维水泥基复合材料，研究表明，取向钢纤维水泥基复合材料中的钢纤维具有大于 0.88 的取向因子。取向分布的钢纤维水泥基复合材料具有各向异性的电学性能并且复合材料在平行于磁场的方向上会产生更好的电学性能；在固化初期，钢纤维水泥基复合材料的电阻率增长迅速，但与其他方向相比，平行于磁场的钢纤维水泥基复合材料的电阻率增长相对缓慢，但其电阻率受温度和湿度的影响较小。二、结论 将水泥浆体浇筑进入模具时，起始浇筑的位置、诱导模具竖向浇筑的高度、水平流动距离、浇筑模具的几何尺寸、浇筑方式等浇筑工艺的差异，对导电材料在水泥基复合材料内部的最终角度取向和分布都会产生重要影响。相较于普通水泥基复合材料，通过不同的浇筑工艺进行取向形成的基于取向的水泥基导电复合材料在节省成本的前提下能有效的提高水泥基复合材料的电学性能和压阻效应。基于取向的水泥基导电复合材料表现出卓越的多功能性，有着广阔的应用前景。但是由于取向工艺的限制，基于取向的水泥基导电复合材料无法大规模的使用，水泥基材料中钢筋、粗骨料、细骨料的存在也会影响导电材料的取向。因此，将基于取向的水泥基导电复合材料应用到实际中是今后学者研究的重点。可通过将混合好的水泥基材料存储在储层中，并通过自动移动点胶机系统挤压形成层状结构。通过使用含有许多小直径喷嘴的分配器系统，可以实现对材料的充分挤压、大规模生产以及充分的取向以获得良好的电学性能。参考文献 1 Dong S，Li L，Ashour A，et al.Self-assembled 0D/2D nano carbon materials engineered smart and multifunctional cement-based compositesJ.Construction&building materials，2021，272.2 Dong W，Li W，Tao Z，et al.Piezoresistive properties of cement-based sensors：Review and perspectiveJ.Constr uction and Building Materials，2019，203：146-163.3 Dong W，Li W，Sun Z，et al.Intrinsic graphene/cement-based sensors with piezoresistivity and superhydrophobicity capacities for smart concrete infrastructureJ.Automation in Construction，2022，133：103983.4 Horszczaruk E，Sikora P，Bukowski P.Application of Nanomaterials in Production of Self-Sensing Concretes：Contemporary Developments and ProspectsJ.Archives of civil engineering，2016，62（3）：61-74.5 Yin T，Xu J，Wang Y，et al.Increasing self-sensing capability 第 4 期 朱云飞等：基于取向的水泥基导电复合材料研究进展 157 of carbon nanotubes cement-based materials by simultaneous addition of Ni nanofibers with low contentJ.Construction and Building Materials.2020，254：119306.6 Meng X，Feng J，Pai N，et al.Effects of filler type and aging on self-sensing capacity of cement paste using eddy current-based nondestructive detectionJ.Measurement.2021，182：109708.7 Abedi M，Fangueiro R，Gomes Correia A.A review of intrinsic self-sensing cementitious composites and prospects for their application in transport infrastructuresJ.Construction&building materials.2021，310：125139.8 Bekzhanova Z，Memon S A，Kim J R.Self-Sensing Cementitious Composites：Review and PerspectiveJ.Nan omaterials，2021，11（9）：2355.9 欧进萍，关新春，李惠.应力自感知水泥基复合材料及其传感器的研究进展J.复合材料学报，2006，（4）：1-8.10 Lee S，You I，Kim S，et al.Self-sensing capacity of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete containi ng conductive powders in tensionJ.Cement and Concrete Composites.2022，125：104331.11 Dong W，Li W，Wang K，et al.Piezoresistivity enhancement of functional carbon black filled cement-based sensor using polypropylene fibreJ.Powder Technology，2020，373：184-194.12 Chung D D L，Wang Y.Capacitance-based stress self-sensing in cement paste without requiring any admixtureJ.Cement and Concrete Composites，2018，94：255-263.13 Han B，Ding S，Yu X.Intrinsic self-sensing concrete and structures：A reviewJ.Measurement.2015，59：110-128.14 Donnini J，Bellezze T，Corinaldesi V.Mechanical，electrical and self-sensing properties of cementitious mortars containing short carbon fibersJ.Journal of Building Engineering.2018，20：8-14.15 Siahkouhi M，Razaqpur G，Hoult N A，et al.Utilization of carbon nanotubes（CNTs）in concrete for structural health monitoring（SHM）purposes：A reviewJ.Construction and Building Materials.2021，309：125137.16 Kim M K，Park J，Kim D J.Characterizing the electro-mechanical response of self-sensing steel-fiber-reinforced cementitious compositesJ.Construction and Buildi ng Materials.2020，240：117954.17 Wang Q，Yu C，Yang J，et al.Influence of nickel slag powders on properties of magnesium potassium phosphate cement pasteJ.Construction and Building Materials，2019，205：668-678.18 Xu J，Yin T，Wang Y，et al.Anisotropic electrical and piezoresistive sensing properties of cement-based sensors with aligned carbon fibersJ.Cement and Concrete Composites，2021，116：103873.19 Zhu H，Zhou H，Gou H.Evaluation of carbon fiber dispersion in cement-based materials using mechanical properties，conductivity，mass variation coefficient，and microstructureJ.Construction and Building Materials.2021，266：120891.20 Gao J，Wang Z，Zhang T，et al.Dispersion of carbon fibers in cement-based composites with different mixing methodsJ.Construction and Building Materials.2017，134：220-227.21 Liu Y，Wang M，Tian W，et al.Ohmic heating curing of carbon fiber/carbon nanofiber synergistically strengthening cement-based composites as repair/reinforcement materials used in ultra-low temperature environmentJ.Composites Part A：Applied Science and Manufacturing.2019，125：105570.22 张迎忠，储洪强，秦昭巧等.镀镍碳纤维水泥基材料的力学与电学性能研究J.混凝土，2022，（2）：10-14.23 Wang L，Aslani F，Mukherjee A.Development of 3D printable self-sensing cementitious compositesJ.Constru ction and Building Materials.2022，337：127601.24 王冠锦.镍粉水泥基复合材料的应变和冲刷磨损感知特性D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.25 Lan C，Xiao H，Liu M，et al.Improved piezoresistivity of cement-based composites filled with aligned nickel powderJ.Smart Materials and Structures，2018，27（9）：95003.26 Xiao H，Liu M，Wang G.Anisotropic electrical and abrasion-sensing properties of cement-based composites containing aligned nickel powderJ.Cement and Concrete Composites.2018，87：130-136.27 Tian Z，Li S，Li Y.Aligning conductive particles using magnetic field for enhanced piezoresistivity of cementitious compositesJ.Construction and Building Materials，2021，313：125582.28 Tian Z，Li Y，Li S，et al.Influence of particle morphology and concentration on the piezoresistivity of cement-based sensors with magneto-aligned nickel fillersJ.Measurement，2022，187：110194.（下转第 160 页）160 中 国 水 运 第 23 卷 土的抗压强度回弹值大于实测值、实测值大于标准值。研究表明：混凝土标养过程中，前期强度增长相对较快，后期强度增长相对平缓，幅度较小，满足设计要求，符合混凝土增长基本规律。本工程施工期间属于冬季，气温相对较低，第4 组、第 12 组混凝土试块静置一段时间再进行标养，强度增长受到一定影响，相对缓慢。4抗压强度与龄期数据分析 图 4 为混凝土抗压强度随龄期变化曲线图。图中 S13表示试块组号，分别表示每组养护龄期为 3、7、14 和 28d的抗压强度实测平均值。从图中可以看出 S1-3 组，S3 组试块抗压强度实测平均值最大，S1 组抗压强度实测平均值最小。各龄期试块抗压强度实测平均值，随着龄期增加而增长。试块养护龄期为 3d 的强度变化趋势较为明显，7d、14d 和28d 强度变化规律趋于平缓。分析表明：（1）在同一标养条件下，抗压强度与龄期有关，龄期越大，抗压强度实测值越大，最后趋于稳定。图 4 混凝土抗压强度随龄期变化曲线图 四、结语 （1）为保证桩基工程的质量，灌注桩浇筑前，应先进行坍落度试验，初步判断商品混凝土的和易性。混凝土坍落度试验表明，实测值均在设计施工要求的范围内，但实测值接近范围内的最大值，说明坍落度设计要求的指标范围过于保守，可进行适当调整。（2）同一强度等级同一养护条件下，混凝土碳化深度曲线无明显变化趋势，几乎呈线性状态，但混凝土构件强度增长快，碳化深度也相对较小。（3）混凝土标养过程中，混凝土强度随时间变化曲线符合强度增长基本规律。同一根工程桩，回弹强度大于抗压强度。同时温度对混凝土强度增长产生一定程度影响。（4）混凝土抗压强度与龄期有关，混凝土抗压强度随龄期增长而增长，最后趋于稳定。参考文献 1 韩小华.基于工作性的混凝土配合比设计方法研究D.北京：清华大学，2010.2 王晓飞.高强高性能混凝土配合比优化设计D.西安：西安建筑科技大学，2012.3 刘振兴.预拌混凝土配合比设计方法研究D.北京：北京建筑大学，2014.4 傅沛兴.现代混凝土特点与配合比设计方法J.建筑材料学报，2010，13（6）：705-710.5 王卫东.现代混凝土配合比设计中注意的问题J.商品混凝土，2011，（12）：72-73.6 冯乃谦，邢锋.混凝土与混凝土结构的耐久性M.北京：机械工业出版社，2009.7 罗碧丹，林钢，刘文利等.矿物掺合料对混凝土性能的影响J.水运工程，2009，（3）：31-35.8 焦楚杰，张文华，何娟.高强混凝土坍落度和强度模型J.东南大学学报（自然科学版），2010，40：144149.（上接第 157 页）29 Mu R，Diao C，Liu H，et al.Design，preparation and mechanical properties of full-field aligned steel fiber reinforced cementitious compositeJ.Construction and Building Materials.2021，272：121631.30 Wang H，Shi F，Shen J，et al.Research on the self-sensing and mechanical properties of aligned stainless steel fiber-reinforced reactive powder concreteJ.Cement and Concrete Composites.2021，119：104001.31 Wang H，Jin K，Zhang A，et al.External erosion of sodium chloride on the degradation of self-sensing and mechanical properties of aligned stainless steel fiber reinforced reactive powder concreteJ.Construction and Building Materials.2021，287：123028.32 Liu L，Xu J，Wang Y，et al.Electrical and Piezoresistive Properties of Steel Fiber Cement-based Composites Aligned by a Magnetic FieldJ.Journal of Wuhan University of Technology-Mater.Sci.Ed.2022，37（2）：229-240.