本站小編為你精心準備了碳纖維混凝土的力敏性試驗參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《傳感器與微系統雜志》2016年第一期

摘要:

碳纖維混凝土(CFC)具有良好的力敏特性，能制成傳感器用于混凝土結構的狀態監測。利用鋼球自由落體撞擊圓柱形試樣，進行了老化前后和不同撞擊高度的試驗，并分析了各因素對試樣力敏性的影響。試驗結果表明:試樣的電阻變化對沖擊作用響應快;老化前的試樣在承載較小時，試樣處于彈性區，電阻隨壓力增大而減小，承載較大時，試樣進入彈塑性區，電阻隨壓力增大而增大;老化后的試樣，承載即進入彈塑性區。

關鍵詞:

碳纖維混凝土;沖擊作用;力敏性

混凝土經過兩百多年的發展，已成為現在應用最為廣泛的建筑材料。在長期的使用過程中，混凝土會由于疲勞效應、材料老化等原因發生損傷，最終可能失效導致突發事故，還可能承受沖擊荷載，特別是國防工程中的混凝土結構面對彈藥的侵徹、爆炸等的作用，更容易發生斷裂等損傷，從而危及建筑和人員的安全，所以，對混凝土建筑結構的狀況進行及時監測十分重要。美國的ChungDDL教授發現，在混凝土中添加一定量的碳纖維能使得混凝土具有良好的壓力電阻效應［1］。在國內，武漢理工大學的李卓球課題組最早開展了碳纖維混凝土(carbonfiberconcrete，CFC)的力敏性研究［2，3］，哈爾濱工業大學的歐進萍等人定型了一種CFC傳感器，能實現對0～10MPa輸入范圍的壓力測量，汕頭大學的謝慧才等人研究了CFC梁構件彈性應力自監測的規律［4］，沈陽建筑大學的吳獻等人研究CFC三向受壓狀態下力學與電學性能，認為能應用于道路測重系統［5］。基于CFC的力敏性研發的CFC傳感器，不僅能很好地實現和被測混凝土結構的兼容，還有著價格低廉、操作性好、使用壽命周期長等傳統傳感器不具備的優勢，適合內嵌于大體積混凝土中進行狀態監測。目前有關CFC力敏性的研究主要是在準靜態加載情況下進行，陸見廣進行了碳纖維智能混凝土梁在石球撞擊產生沖擊荷載作用下的力電效應研究［6］，其他有關沖擊作用下的研究很少。本文進行了圓柱形CFC試樣在沖擊載荷作用下的力敏性試驗研究，為將其作為傳感器應用于混凝土結構狀態監測提供依據。

1試驗

1．1試樣的制作CFC試樣制作采用的原材料包括:復合硅酸鹽水泥P•C32．5R，本地細砂，自來水，硅灰，短切PAN基碳纖維，甲基纖維素(分散劑)，磷酸三丁酯(消泡劑)，聚羧酸減水劑。碳纖維的性能參數如表1。CFC試樣的制作工藝主要有濕拌法、半干拌法、干拌法等三種，研究表明濕拌法制作的試樣電阻率最小［7］。本文采用濕拌法，先配制分散劑溶液，再和水泥進行攪拌，制作直徑為38mm，長度為60mm的圓柱形試樣。

1．2試驗方案試驗中，利用鋼球從一定高度自由落體撞擊試樣，試樣實物圖和試驗方案示意圖如圖1。鋼球撞擊試樣，加載類似半正弦沖擊作用，造成試樣的結構變化。試驗通過試樣電阻的變化信號，分析試樣的結構動態響應，并和準靜態加載情況對比，探討沖擊加載情況下CFC的力敏性。在試樣側面兩端用銅粉導電膠和銅芯制作兩個電極，使用兩電極法，將試樣和一個可調電阻器串聯，組成半橋電路接入動態應變儀來測量其電阻變化情況。半橋電路中的電阻變化正比于輸出電壓的變化，即輸出電壓的增大或減小直接反映了試樣電阻的增大或減小趨勢。進行了老化前后和5，10，15，20cm四種撞擊高度的試驗。試驗的鋼球直徑60mm，重1kg，采用DC—97A超動態應變儀和Genesis數據采集分析系統，確保參數設置在每一組試驗內的一致，方便該組內的數據進行比較分析。

2試驗結果

2．1老化前試驗結果在試樣被壓力機反復壓縮加載卸載進行老化前的原始狀態下，進行鋼球撞擊試驗。圖2是試樣的典型試驗結果。試樣承受了鋼球的兩次撞擊，在兩個躍升區域的放大圖中，均出現了先下降，再躍升的現象，說明在承受沖擊荷載時，試樣的電阻先減小再快速增大。電阻變化的峰值上升前沿時間短，頻響快。

2．2老化后試驗結果試驗前利用壓力機對試樣反復加載卸載進行老化，減少試樣的原始缺陷。將鋼球從5，10，15，20cm的四種撞擊高度落下撞擊試樣，圖3為四種高度下相應的電壓響應信號。觀察并對比試驗結果，發現鋼球撞擊到試樣后，電橋輸出電壓先躍升到峰值再快速回落到一個中間值，最后緩慢衰減到起始狀態。隨著高度的增加，撞擊荷載增大，電阻的變化峰值也相應增大。撞擊高度為5，10，15，20cm的試驗，對應電壓躍升的峰值分別為0．70，0．88，1．89，6．00V。隨著撞擊高度的增大峰值回落的幅度逐漸變小，到20cm時已經不明顯。這表明撞擊高度越高，電阻衰減得越慢，恢復到起始狀態越慢，同時，將第二次撞擊的曲線躍升后回落的情況與第一次的對比，發現第二次撞擊基本能很快回落恢復到撞擊前初始狀態。四種高度對應的響應信號中，在承受撞擊荷載時，均未出現先減小再躍升的現象，均為觸發后直接躍升增大。

3試驗結果分析

3．1老化對力敏性的影響在沖擊荷載作用下，老化前試樣的電阻在觸發后會出現先減小下降再增大的過程。老化后的試樣在鋼球落下的第一次撞擊作用下的反應均是直接增大躍升，未出現電阻先減小的現象。混凝土試樣自身材料結構屬于非均質多孔多相性，在制備的過程中會出現收縮、泌水，使得試樣在試驗前其內部就存在大量微空隙裂紋等原始缺陷［8］。老化前，使用鋼球自由落體撞擊試樣，對試樣作用一個類似半正弦沖擊荷載。開始階段作用荷載較小，試樣的原始空隙被壓密，碳纖維之間的距離減小，使得碳纖維互相搭接的機會增多，減小了試樣內部導電網絡的絕緣勢壘，從而增大了π電子躍遷形成的隧道電流［9］，造成試樣的電阻減小。此時試樣處于彈性階段，但這僅發生在開始階段作用荷載較小的情況下。隨著沖擊荷載迅速增大，試樣的裂縫等損傷擴展，進入彈塑性階段，試樣的電阻也急劇增大。這是因為隨著壓應力的增大，試樣內部逐漸被破壞產生裂縫變形，裂縫的增長造成絕緣勢壘不斷增大，并且絕緣勢壘增大的幅度逐漸大于試樣壓實導致的勢壘減小的幅度，π電子躍遷的概率減小，隧道電流隨之減小，導致了試樣電阻的快速增大。試樣經過老化后，大量的原始微缺陷被消除。在撞擊荷載較小的起始階段，試樣被壓密實時內部的缺陷縫隙變小造成電阻減小的效應不明顯，對應于老化后的所有試驗數據中的第一次撞擊響應信號均未出現電阻先減小的現象，試樣電阻直接增大，進入彈塑性階段。結果說明CFC電阻隨著壓應力的增大而減小的現象，這是因為試樣制備過程中產生的大量原始缺陷。

3．2撞擊能量對力敏性影響在撞擊高度為5，10，15，20cm的對應電壓躍升的最大值分別為0．70，0．88，1．89，6．00V。根據鋼球下落的高度，給出鋼球撞擊能量和試樣電阻變化情況的關系圖，如圖4。隨著撞擊能量的增大，試樣的電阻變化也增大，類似指數增長的關系。撞擊能量E低于1．4J前，試樣的電阻變化隨著撞擊能量的變化較緩，當超過1．4J后，電阻變化急劇增大，說明撞擊荷載超過一定程度后，試樣的內部損傷急劇擴展，試樣結構進入塑性階段。

3．3其他現象的分析思考在承受鋼球的第一次撞擊時，撞擊荷載較大，電阻到達峰值后，由于處在試樣彈塑性階段，裂縫等缺陷閉合緩慢，造成電阻的衰減緩慢。這個特征隨著撞擊高度的增高，愈加明顯。而在鋼球彈起后造成二次撞擊的響應信號中，電阻變化后能較快的衰減恢復到二次撞擊的起始狀態，這是因為相比第一次撞擊，二次撞擊的荷載強度已很小，正如上述試樣恢復衰減過程的分析，撞擊高度越低，荷載越小，下降恢復得越快的特征是相吻合的。

4結論

1)老化前的試樣在沖擊荷載較小時處于彈性區，壓力增大，試樣電阻減小，隨著壓力繼續增大，試樣進入彈塑性區，壓力增大，電阻也增大。反復加載老化后，大部分的原始缺陷被消除，試樣承載后電阻直接增大，進入彈塑性區。2)隨著鋼球撞擊能量的增大，試樣的電阻變化也增大，試樣在撞擊能量較小時，電阻變化較緩，當撞擊能量較大時，試樣的電阻變化急劇增大。CFC電阻變化對沖擊作用的響應快，上升前沿時間短，能定性反映沖擊荷載的變化情況，具有較好的力敏性。3)試樣在卸載后的電阻衰減緩慢，結構變形恢復慢，特別是在承受荷載較大的情況。

參考文獻:

［1］ChenPW，ChungDDL．Carbonfiberreinforcedconcreteasanintrinsicallysmartconcretefordamageassessmentduringdyna-micloading［J］．JournalofAmericanCeramicSociety，1995，78(3):816－818．

［2］ZhaoBinyuan，LiZhuoqiu，WuDaihua．Electricresistancemea-surementofcarbonfibersmartconcrete［J］．WuhanUniversityofTechnology，1995(4):52－56．

［3］鄭立霞，李卓球，宋顯輝，等．力敏混凝土三向受壓時的應變電阻效應研究［J］．四川大學學報:工程科學版，2013，45(2):33－37．

［4］張巍，謝慧才，劉金偉，等．碳纖維力敏混凝土梁彈性應力自監測試驗研究［J］．東南大學學報:自然科學版，2004，34(5):647－650．

［5］吳獻，回喬，王麗娜，等．CFRC三向受壓狀態下力學及電學性能試驗［J］．沈陽建筑大學學報:自然科學版，2013，29(5):809－815．

［6］陸見廣．碳纖維智能混凝土梁的力電效應研究［D］．南京:南京理工大學，2007．

［7］劉子田．碳纖維智能混凝土的制備及其性能研究［D］．南京:南京理工大學，2006．

［8］常留紅，陳建康．單軸壓縮下水泥砂漿本構關系的試驗研究［J］．水利學報，2007，38(2):217－220．

［9］張躍，職任濤，朱逢吾，等．碳纖維(LCF)—無宏觀缺陷(MOF)水泥基復合材料電學性能的研究［J］．材料科學進展，1992，6(4):357－362．

作者：李尚青 蘇健軍 孔霖 單位：西安近代化學研究所