纳米碳纤维混凝土制备及其压敏性能.pdf

1 0 低温建筑技术 2 0 1 5年第 1期( 总第 1 9 9期) DO I ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i d w j z 2 0 1 5 0 1 0 0 4 纳米碳纤维混凝土制备及其压 敏性能 姜山， 高小建， 姚斌 ( 哈尔滨工业大学土木工程学院。 哈尔滨1 5 0 0 0 6) 【 摘要】 在自密实混凝土配合比的基础上 ， 制备不同掺量纳米碳纤维混凝土， 并采用 自 行设计的数据采集 系统研究了各混凝土试件的压敏性能。结果表明： 采用普通制作工艺和 自密实混凝土技术， 可使纳米碳纤维均匀 分散在混凝土材料中， 当掺入胶凝材料体积 0 8 I 0 的纳米碳纤维掺量时可制备出压敏性优良的智能混凝 土材料 。 【 关键词】 智能混凝土； 压敏效应； 纳米碳纤维； 自 密实混凝土 【 中图分类号】 T U 5 2 8 5 3 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 - 6 8 6 4 2 0 1 5 ) O l 一 0 0 1 0 0 3 RES EARCH oN MANUFACTUI t E AND P 皿 ZoRES I s TI 、 EF F ECT oF CARBoN NANOF I ER CoNCRETE J I A N G S h a n ， G A O X i a o - j i a n ，Y A O B i n ( S c h o o l o f C i v i l E n g i ， H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， Ha r b i n 1 5 0 0 0 6， C h i n a ) Abs t r a c t： Co n c r e t e s p e c i me n s we r e p r e p a r e d b y a d di n g d i ff e r e n t d o s a g e s o f c a r b o n n a n o fib e r i n t h e mi x t ur e o f s e l f - c o mp a c tin g c o n c r e t e Th e p e i z o r e s i s t i v e e f f e c t o f s u c h c o n c r e t e s pe c i me n s we r e e v a l u a t e d b y u s i n g a s e l f - s e t u p d a t a a c q u i r i n g s y s t e mTh e r e s u l t s s h o w tha t c a r b o n n a n o fi b e r c a n b e w e l l d i s p e r s e d i n c o n c r e t e wi th t h e t r a di t i o na l ma n u f a c t u r e p r o c e s s wh e n the mi n g p r o r p o r t i o n o f s e lf- c o mp a c t i ng c o n c r e t e i s a d o p t e d An d s ma r t c o n c r e t e ma t e ri a l wi th e x c e l l e n t p i e z o r e s i s ti v e e ff e c t c a n b e p rep a r e d b y a d d i n g 0 8 t o 1 0 p e r c e n t o f c a r bon n a n o fi b e r b y v o l u me o f t o t a l b i n d e r Ke y wo r d s ：s ma rt c o n c r e t e ；p e i z o r e s i s t i v e e ff e c t ；c a r b o n n a n o fi b e r ；s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e 近年来， 结构健康监测技术已经发展成为保证重 大混凝 土工程安全 运行 ， 掌握结 构服役 状态甚 至为 既 有结构的维修加固提供科学依据的关键技术方法。 为了保证监测传感器与混凝土结构同寿命 ， 国内外研 究者先后提出在水泥净浆、 砂浆或混凝土中掺入各种 碳材料制备具有典型压敏效应的水泥基传感器 ， 并已 取得大量研究成果 。最早用于水泥基材料中的碳 材料主要是各种短切碳纤维， 由于碳纤维与水泥基体 的温度膨胀 系数相差很 大 ， 当温度变 化时 可能会 造成 纤维与基体的界面粘结力下降甚至脱粘 。碳纳米 管是近几年出现的一种新兴材料， 将其掺入水泥基复 合材料中可以明显改善材料的力学性能和导电性能， 是制备水泥基传感器的较理想材料 ， 但其主要存在 的问题是价格极其 昂贵并且在混凝土中分散困难。 纳米碳纤 维是介 于 碳纳 米管 与普 通短 切 碳纤 维 之间的一种新型碳材料， 其直径约为 5 0 2 0 0 n m， 长度 为0 51 0 0 m， 其导电性能明显优于普通碳纤维， 甚 至与碳纳米管接近 ， 而其造价远 低于 碳纳米 管。美 国 休斯顿大学 M o教授研究发现 ， 掺适量纳米碳纤维不 但使混凝土具有优 良的压敏特性， 还可以改善其力学 性能 ， 可见采用纳米碳纤维制备智能混凝土材料具 有更大 的优势 。因此 ， 文 中通过 采用 自密实混凝 土技 术解决纳米碳纤维 的分散 问题 ， 并对不 同掺量 纳米碳 纤维混凝土的压敏特性进行试验研究 ， 为其推广应用 奠定了基础。 1 实验部分 1 1 原材料 水泥用亚泰集团哈水泥厂生产的天鹅牌P 0 4 2 5 水 泥， 粉煤灰为哈尔滨市第三发电厂生产的 I 级粉煤灰。 细集料采用松花江江砂， 细度模数为2 6 7 ， 属 I 类 级 配区中砂 ； 粗集料采用哈尔滨市阿城区产 5 2 0 m m连 续级配的碎石 ， 堆积空隙率小于 4 0 ， 碎石质地 坚硬 、 表面粗糙 ， 各项指标 均符 合 国家标 准 中 I 类 骨料 的要 求。为了改善混凝土流动性， 保证纤维的分散性能， 采 用哈工大强石集团生产的聚羧酸高性能减水剂 ， 外观 为茶色微乳状溶液， 推荐掺量为 1 0 左右， 减水率可 基金项目 土木工程防灾国家重点实验室开放课题重点基金项目( S I D R C E M B O 1 ) 姜I I J 等 ： 纳米碳纤维混凝土制备及 压敏一t l- fJ 高达 4 0 。 纳米碳纤维 是 由美 国 P y r o g r a f P r o d u c t s公 司生产 的 P R一1 9一 X TL H TO X纤维 ， 该纤维的平均直径 为 1 5 0 n m， 长度为 3 01 0 0 1 x m， 经过特殊制作方法和在 1 5 0 0 C 条 件下进 行 C V D层氧化处理 ， 改善了其在水 泥 复合材料中分散效果， 并明显提高了纤维的导电率。 1 2 实验方案 以强度等级为 C 4 0的 自密实混凝土为基础， 掺人 总胶凝材料 体积 0 8 、 I O 、 I 2 、 I 5 、 I 8 的 纳米碳纤维 ， 从而设计 了五个不同配 比混凝土 ， 具体配 合 比如表 I 所示 。由于掺人纳米碳纤 维后 混凝土的流 动性明显变差 ， 为了保证 混凝土具 有足 够流 动性而达 到充分密实成型， 混凝土中纤维掺量越大时， 减水剂的 掺量越高 ， 使每个配 比的混凝土 均可 以在不用 振捣或 者轻微振捣条件下密实填充模 具 。 表 1 混凝土配合 比 k g m 编 号 水泥 水 粉煤灰砂子石子 碳纳米纤维 减水剂 1 3测试方法 混凝 土试 件尺 寸 为 1 0 0 ra m X 1 0 0 ra m X 3 0 0 ra m， 为 了测试混凝土的压敏特性， 在混凝土试件制作前在模 具中安装四个不锈钢网片作为测试电极 ， 各混凝土试 件在浇注成型 l d后拆模 ， 并置于标准条件下养护到 2 8 d 。安装 电极 的模具 和成 型后 的混凝 土试件 如 图 1 所示。 图1模具与成型后混凝 ： 试件 本研究采 用伏 安法 测定 纳 米碳 纤 维混 凝 土的 电 阻率 ， 电极布置是采用 国际上通 用 的 四电极法。为 了 解 决混凝土 中两对 电极 间的 电压 与 电流 同步采集 ， 在 电路 中接人一个 已知阻 值 的电阻作 为参 比电阻 ， 然后 采用一个多通 道 的电压 采集 模 块分 别 采集 参 比电 阻 与混凝土两端的 电压。压力与位移采集系统主要由压 力传感器、 位移计、 D H 3 8 1 5静态应变采集箱等组成。 通过 D H 3 8 1 5采集箱对压力传感器和位移传感器的输 出电信号进行同步监测与采集， 从而控制和采集混凝 土受压应力与应变值随时间变化过程。 量 嘉孽 0 _ J 二 二 一 为 了保证 各参 数 处 于同步 采集 ， 操作 过 程 如下 ： 将固定位移计的钢架子 固定在纳米碳纤维混凝土 中间两电极的部位 ， 确保位移采集与电阻采集是同一 段纳米碳纤维混凝 土 ， 在 固定位移计 的过 程中应 做好 防止位移计对纳米碳纤维混凝土短路的措施； 设置 D H 3 8 1 5的采 集 频率 与 电压 采集 模 块 的采 集 频 率 一 致， 确保压力、 位移与电压采集的同步性； 开始加压 后， 一旦 D H 3 8 1 5的压力信号出现读数时， 以此时电压 模块采集数据为初始值。整个测试装置如图2所示。 图2 if , 敏性测试装置与数据采集 系统 2结果与讨论 图 3为各混凝 土试 件在 受压 荷载作 用下 ， 电阻率 变化率与受压力 比之间 的对 应关 系曲线。可见 ， 在 不 同掺量纳米碳纤维 条件下 ， 混凝 土的电阻率 均随受 压 1 2 低温建筑技术 2 0 1 5年第 1期( 总第 1 9 9期 ) 应力比的增加而不断降低， 这种电阻率变化与受压应 应 力比之 间呈现 出较 好的线性 关 系。因此 ， 在本研 究 不同掺量条件下， 各混凝土均表现出较好的压敏效应。 但是， 从具体数据来看 ， 纳米碳纤维掺量分别为 0 8 、 1 0 、 1 2 、 1 5 和 1 8 时 ， 在混凝 土受压 应力从 零增 加到极 限应力 时， 电阻 率 变化 率 分 别 为 4 7 2 、 4 1 7 、 2 8 9 、 2 6 、 2 5 。说 明混凝 土 的压 敏 敏 感度随纳米碳纤维掺量增加到 1 2 以上时突然减 弱， 这主要与水泥石基体中导电网络的形成有关。当 纳米碳纤维的掺量较低时， 混凝土中的导电路径较少， 0 0 0 0 I 邑0 0 0 ( 8 )C N F C 4 0 - 8 的压敏 曲线 压力 比p ( C )C N F C 4 0 - 1 2 的压敏曲线 这时在受压荷载作用 而产生压缩变 形时 ， 混 凝土 中越 来越多的纤维会因挤压而相互接触、 纤维问的距离减 小并达到产生隧道效应 的尺寸范围便会形成新的导 电路径 ， 因此电阻率出现明显变小规律。当混凝土中 纳米碳纤维掺量较高时， 在受压作用前混凝土中便 由 于相互接触的纤维较多而且纤维 间距离较 近产生隧 道效应而表现出较低的电阻率 ， 因而其在受压条件下 电阻率也不会产生明显的降低规律。因此， 当纳米碳 纤维掺量为0 8 一 1 0 时， 混凝土表现出较好的压 敏敏感度， 适用于结构健康监测。 压力比p 压力 ， p 一 ( b ) C N F C 4 0 1 0 的压敏曲线 0 邑 I。 ： ： 压力 比p 加 ( d )C N F C 4 0 1 5 的压敏曲线 ( e )C N F C 4 0 1 8 的压敏曲线 图3各混凝土的压敏特性测试结果 3结语 ( 1 ) 采用普通搅拌工艺和 自密实混凝土技术 ， 可以使纳米碳纤维在混凝土中均匀分散。 ( 2 ) 掺 量在 0 8 1 8 范 围时 ， 纳米碳 纤维 混凝土均表现出电阻率变化率与受压应力 比成线性 的良好压敏特性 ； 但从压敏敏感度来说， 纳米碳纤维掺 量在 0 8 1 0 时可制备出压敏性优 良的智能混 凝土材料 。 参 考文献 1 J M K O，Y Q N i T e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t s i n s t r u c t u r a l h e a l t h m o n i t o r i n g【 1f l a r g es c a l e b ri d g e s J E n g i n e e r i n g S t ruc t u r e s ， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 1 2 ) ： 1 7 l 51 7 2 5 2 P W C h e n ，D D 1 C h u n g C a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a s a n i n t rin s i c a l l y s ma r t c o n c r e t e f o r d a ma g e a s s e s s me n t d u ri n g d y n a m i c l o a d i n g J J o u r n a l o f t h e ?A m e r i c a n C e r a m i c S o c i e t y 。 1 9 9 5 ， 7 8 ( 3 ) ： 8 1 68 1 8 3 陈兵， 姚武 受压荷载下碳纤维水泥基复合材料机敏性研究 J 建筑材料学报， 2 0 0 2 ， 5 ( 2 ) ： 1 0 8 1 1 3 4 刘小艳， 姚武 碳纤维水泥基复合材料温敏特性研究 J 河 海大学学报， 2 0 0 7， 3 5 ( 2 ) ： 2 0 22 0 5 5 A L M a t e r a z z i ， U b e r t i n i C a r b o n n a n o t u b e c e m e n t b a s e d t r a n s d u c e r s f o r d y n a m i c s e n s i n g of s t r a i n J C e m e n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 1 3， 3 7 ( 1 ) ： 21 1 6 D G a o ， M S tu r m， Y L M o E l e c t r i c a l r e s i s t a n c e of c a r b o n n a n o fi b e r c o n c re t e J S m a r t M a t e r i al s a n d S t r u c t u r t e s ，2 0 1 1 2 0 ( 4 ) ： 0 9 5 0 3 9 0 9 5 0 4 6 收稿日期 2 0 1 4 一l O一 0 8 作者简介 姜山( 1 9 9 0一) ， 男 ， 黑龙 江大庆人 ， 学士 ， 研究 方向： 混凝土材料新型测试方法。