ICCP作用下的CFRCM束导电及力学性能研究.pdf

文章编号：1000-4750(2023)Suppl-0303-04ICCP 作用下的 CFRCM 束导电及力学性能研究陶冶王之，张大伟，刘嘉荣(浙江大学结构工程研究所，浙江，杭州 310058)摘要：碳纤维织物增强水泥基复合材料(CFRCM)因其兼具结构性能提升和外加电流阴极保护(ICCP)功能而常被应用于混凝土结构加固和钢筋的电化学保护，但 ICCP 作用对 CFRCM 导电、力学性能的影响及机理研究较少。该文通过 CFRCM 加速通电试验和拉伸试验发现，ICCP 对 CFRCM 的导电性能和力学性能均存在劣化作用。随着电量密度增大，碳纤维表面出现开裂、破损、剥离、断裂现象，CFRCM 电阻经历缓慢增长和快速增长两个阶段，且电量密度相同时，电阻增长幅度一致。电量密度越大，纤维断裂现象越明显，CFRCM 拉伸过程极限荷载越小。关键词：碳纤维织物；水泥基；外加电流阴极保护；拉伸试验；性能劣化中图分类号：TB332 文献标志码：A doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.05.S038ELECTRICALCONDUCTIVITYANDMECHANICALPROPERTIESOFCFRCMWITHICCPTAO Ye-wang-zhi,ZHANG Da-wei,LIU Jia-rong(Institute of Structural Engineering,Zhejiang University,Hangzhou,Zhejiang 310058,China)Abstract:Carbon fabric reinforced cementitious matrix(CFRCM)is often used in the reinforcement of concretestructures and the electrochemical protection of steel bars because of their combination of structural performanceimprovement and impressed current cathodic protection (ICCP).The effect and mechanism of CFRCMperformance are less studied.It is found that the electrical conductivity and mechanical properties of CFRCM aredegraded by ICCP through accelerated energization test and tensile test of CFRCM.With the increase of chargedensity,the damaged occurrence on the surface of carbon fiber is cracking,peeling,and fracturing.The CFRCMresistance experienced two stages of slow growth and rapid growth,and when the charge density was the same,the resistance change was the same.The larger the charge,the more obvious the fiber fracture phenomenon,andthe smaller the ultimate load during the CFRCM tensile process.Keywords:carbon fiber fabric;cementitious matrix;impressed current cathodic protection(ICCP);tensile test;degradation of performance 近年来，一种以水泥基为基体的连续纤维增强复合材料碳纤维织物增强水泥基复合材料(carbon fabric reinforced cementitious matrix，CFRCM)被广泛关注和研究14。CFRCM 因其优异的力学性能和导电性能，兼具结构加固和外加电流阴极保护(impressed current cathodic protection，ICCP)功能，并且已成功应用于国内外混凝土结构的加固和电化学保护57。但目前 ICCP 作用对CFRCM 束的长期性能研究较少，对导电性能和力学性能的影响及作用机理尚不明确。本文通过加速试验对 CFRCM 试件施加 ICCP 作用，研究ICCP 对导电性能和力学性能的影响。1 试验方案 1.1 试验材料及基本性能试验使用的碳纤维束由无锡市优特佳新材料 收稿日期：2022-05-24；修改日期：2023-01-16基金项目：广东省重点领域研发计划项目子课题项目(2019B111107002)；国家自然科学基金面上项目(51878604，52078454)通讯作者：张大伟(1981)，男，山东人，教授，博士，博导，主要从事智能复合材料及混凝土结构性能提升相关研究(E-mail:).作者简介：陶冶王之(1998)，男，浙江人，硕士生，主要从事智能复合材料相关研究(E-mail:);刘嘉荣(1998)，男，四川人，博士生，主要从事智能复合材料相关研究(E-mail:).第 40 卷 增刊Vol.40 Suppl工程力学2023 年 6 月June2023ENGINEERING MECHANICS303有限公司提供，单束纤维包含 12 000 根纤维丝，单丝直径 7 m，弹性模量为 230 GPa，抗拉强度3530 MPa，极限伸长率 1.5%，电阻率 0.017 mm。试验采用的水泥基胶凝材料由水泥、砂子、水、减水剂及高分子聚合物组成，砂浆配合比详见表 1。依据规范水泥胶砂强度检验方法(ISO)法8，制备的 3 个 70.7 mm70.7 mm70.7 mm 的立方体标准试件 28 d 抗压强度平均值为 40 MPa，变异系数为 3.4%。表 1 砂浆配合比Table 1 Mix of mortar 水泥/g(P.O 42.5)水/g粗砂/g(0.5 mm 1.0 mm)细砂/g(0.0 mm 0.5 mm)可再分散乳胶粉/g减水剂/g10045133671.50.15 1.2 试件制备和试验装置用于 ICCP 通电试验的 CFRCM 试件共 14 组(2 组为一个对照组，不进行通电试验)，采用 10 cm、15 cm 两种长度的试件，通电时长分别为 1 个月和2 个月，第1 个月阳极电流密度分别采用100 mA/m2、300 mA/m2、400 mA/m2，第2 个月均采用100 mA/m2的电流密度，每组平行试件各 10 个。以 L10 I300D2 为例进行命名，L10 表示试件长度为 10 cm，D2 表示通电时长为 2 个月，I300 表示第一个月采用 300 mA/m2的初始电流密度，第二个月改为100 mA/m2。每组 CFRCM 试件浇筑完成后，用亚克力板制作如图 1 所示的通电装置并开展 ICCP 通电试验。在 ICCP 通电试验中，每 2 d 进行一次电阻测量，并在通电结束后，将整块 CFRCM 试件切割成 CFRCM 束试件，除去切割损坏试件，每组取 6 个或 7 个试件用于拉伸试验，对剩余试件切片进行扫描电子显微镜(SEM)观测。用于拉伸试验的试件需要于纤维束两端制作亚克力加强片，便于试验机夹持并保证纤维协同受力。拉伸试验采用电子万能试验机加载，速率为 0.2 mm/min，采样频率为 10 Hz。CFRCM 束拉伸试验装置如图 2所示。图 1 CFRCM 试件 ICCP 试验示意图Fig.1 Schematic diagram of ICCP test ofCFRCM specimens 图 2 CFRCM 束拉伸试验Fig.2 Tensile testing of CFRCM bundles 2 试验结果与分析 2.1 导电性能劣化采用电阻变化率 R/R 对碳纤维束的导电性能进行表征(各平行试件取平均值)。CFRCM 束在ICCP 作用下的导电性能劣化与电量密度(碳纤维束与砂浆界面单位面积累计通过的电荷总量)的关系如图 3 所示。随着电量密度的增大，不同长度的 CFRCM 束的电阻均呈现出较为一致的增长趋势。值得注意的是，该现象与一些学者的研究相吻合，不同之处在于，其研究的指标是阳极与阴极之间的驱动电压9 10。当电量密度小于6105 C/m2时，CFRCM 束的电阻增长较缓；随着电量密度的进一步增大，CFRCM 束的电阻快速增长，部分纤维束电阻逐渐超出测量量程。此外，对比相同电量密度时的不同试验组可以发现，CFRCM 束的电阻变化率基本相同，I300 D2 和 I400 D1 组在通电结束后的总电量密度相同，导电性能劣化也较为相近。2.2 力学性能劣化图 4 为两种长度 CFRCM 试件在不同通电情况下的拉伸试验典型荷载-位移曲线，由图可见，随着电量密度的增大，CFRCM 束拉伸全过程的极限荷载具有明显减小趋势。图 5 为两种长度 CFRCM 束拉伸全过程极限荷载(各组试件取均值)随电量密度的变化关系曲线，不同电量密度下的各组试件极限荷载及统计数据详见表 2。据此可知随着电量密度的增大，碳纤维束的劣化程度逐步加深，CFRCM 拉伸全过程极限荷载表现出线性下降趋势，且不同长度试件的劣化趋势一致。304工程力学 2.3 SEM 结果ICCP 试验后部分试件切片的 SEM 结果如图 6所示(取对照组、L15 I300 D1 和 L10 I300 D2 组试件各 1 个)。对照组碳纤维丝表面光滑平整，且没 0246810121410001002003004005006000123456020406080L10 I100 D1L10 I100 D2L10 I300 D1L10 I300 D2L10 I400 D1L10 I400 D2(a)L=10 cm0246810121450050100150200250300350012345671001020304050L15 I100 D1L15 I100 D2L15 I300 D1L15 I300 D2L15 I400 D1L15 I400 D2(b)L=15 cm 电量密度/(105Cm2)电量密度/(105Cm2)电阻变化率R/R/(%)电阻变化率R/R/(%)图 3 CFRCM 束电阻变化率与电量密度的关系曲线Fig.3 Relationship between the rate of resistance change ofCFRCM bundles and the charge density 0.00.30.60.91.21.51.82.12.4090180270360450荷载/N位移/mmL15对照组L15 I100 D1L15 I100 D2L15 I300 D1L15 I300 D2L15 I400 D1L15 I400 D2(b)L=15 cm图 4 CFRCM 束拉伸试验典型曲线Fig.4 Typical curves of CFRCM bundles of tensile test withICCP 0.00.30.60.91.21.51.82.12.4090180270360450荷载/N位移/mmL10对照组L10 I100 D1L10 I100 D2L10 I300 D1L10 I300 D2L10 I400 D1L10 I400 D2(a)L=10 cm 02468101214050100150200250300350400450500550极限荷载/NL=10 cm组L=15 cm组电量密度/(105Cm2)图 5 CFRCM 束拉伸试验极限荷载与电量密度的关系曲线Fig.5 Relationship between ultimate load and electric chargedensity in tensile test of CFRCM bundles 表 2 不同电量密度下的极限荷载及统计数据Table 2 Ultimate load and statistical data under differentelectric charge density 电量密度/(105 Cm2)L=10 cmL=15 cm各试件极限荷载/N均值/N标准差/N各试件极限荷载/N均值/N标准差/N0.00410 444 306 42544364388 408 405 41041315392 428 528 537413 429 439 4092.59314 329 398 40933445366 280 407 33034447310 290 329 2953355.01343 284 364 34835765319 280 326 33533531363 494 375 285346 375 3637.78271 297 365 25827145259 207 350 30028958221 243 236 280333 345 22810.34212 152 198 21122651194 253 298 27624242331 234 276 179232 262 253 161217 294 184 229194 290 268 22112.96111 124 262 16015861193 131 224 21019339132235 165工程力学305有损伤和裂缝，纤维丝较为连续；随着电量密度的增大，碳纤维丝表面逐渐出现横向和纵向裂缝，导致碳纤维丝的导电性能和力学性能下降；当 CFRCM 束的电阻变化率 R/R 达到无穷大时，该试件纤维表面出现大量裂缝，较多纤维出现剥落和断裂现象，CFRCM 束的导电性能和力学性能严重下降。SEM 结果也印证了 CFRCM 束在 ICCP作用下会出现劣化，碳纤维表面出现开裂、破损、剥离、断裂现象，进而影响了碳纤维的导电性能和力学性能。(a)对照组试件(b)L15 I300 D1组试件(R/R=2.69)(c)L10 I300 D2组试件(R/R=)HV20.00 kVdetBSEDspot4.0magWDx:22.2111 mmy:5.7281 mm16.0 mm1 20050 mZHEJIANG UNIVERSITYHV20.00 kVdetBSEDspot4.0magWDx:28.8321 mmy:8.7941 mm13.2 mm1 30050 mZHEJIANG UNIVERSITYHV20.00 kVdetBSEDspot4.0magWDx:4.7814 mmy:10.6269 mm13.0 mm1 30050 mZHEJIANG UNIVERSITY图 6 CFRCM 在不同电荷量下的碳纤维劣化情况 SEM 图Fig.6 SEM images of carbon fiber degradation of CFRCM atdifferent charge levels 3 结论与展望本文通过对 CFRCM 束试件的 ICCP 通电试验和拉伸试验，研究了 ICCP 作用对碳纤维束导电性能和力学性能的影响，并通过 SEM 加以验证。研究结论如下：(1)初期，随着电量密度的增大，CFRCM 束的电阻缓慢增长；当电量密度达到 6105 C/m2时，电阻进入快速增长阶段并逐渐失去导电能力。(2)在电量密度相同时，CFRCM 束电阻变化较为相近，与电流密度和通电时长关系不大。(3)ICCP 对CFRCM 束的拉伸性能有明显劣化作用。电量密度越大，CFRCM 束拉伸极限荷载越小。(4)随着 ICCP 的进行，碳纤维表面逐渐出现开裂、破损、剥离、断裂现象，进而影响了碳纤维的导电性能和力学性能。参考文献：尹世平,盛杰,贾申,等.TRC加固RC梁的弯曲疲劳破坏过程和应变发展的试验研究J.工程力学,2015,32(增刊 1):142 148.YIN Shiping,SHENG Jie,JIA Shen,et al.Experimentalstudy on bending fatigue damage and strain developmentof rc beam strengthened with TRC J.EngineeringMechanics,2015,32(Suppl 1):142 148.(in Chinese)1 KOURIS L A S,TRIANTAFILLOU T C.State-of-the-arton strengthening of masonry structures with textilereinforced mortar(TRM)J.Construction and BuildingMaterials,2018,188:1221 1233.2 AWANI O,EL-MAADDAWY T,ISMAIL N.Fabric-reinforced cementitious matrix:A promisingstrengthening technique for concrete structures J.Construction and Building Materials,2017,132:94 111.3 BENCARDINO F,CARLONI C,CONDELLO A,et al.Flexural behaviour of RC members strengthened withFRCM:State-of-the-art and predictive formulas J.Composites Part B:Engineering,2018,148:132 148.4 ZHU J H,SU M N,HUANG J Y,et al.The ICCP-SStechnique for retrofitting reinforced concrete compressivemembers subjected to corrosion J.Construction andBuilding Materials,2018,167:669 679.5 WALRAVEN J.Synthesized intervention method toprolong service life of reinforced concrete structures:ICCPSS J.Structural Concrete,2021,22(2):590 592.6 SU M N,WEI L L,LIANG H S,et al.Fatigue behaviourand design of corroded reinforced concrete beamsintervened by ICCP-SS J.Composite Structures,2021,261:113295.7 GB/T 176712021,水泥胶砂强度检验方法(ISO法)S.北京:中国标准出版社,2021.GB/T 176712021,Test method of cement mortarstrength (ISO method)S.Beijing:Standards Press ofChina,2021.(in Chinese)8 SU M N,WEI L,ZHU J H,et al.Combined impressedcurrent cathodic protection and FRCM strengthening forcorrosion-prone concrete structures J.Journal ofComposites for Construction,2019,23(4):04019021.9 WEI L L,ZHU J H,DONG Z J,et al.Anodic andmechanical behavior of carbon fiber reinforced polymeras a dual-functional material in chloride-contaminatedconcrete J.Materials,2020,13(1):222.10306工程力学