弹性范围内碳纤维混凝土在循环荷载作用下压敏性研究.doc

2 0 1 1 年1 月第27卷第1期􀀁沈阳建筑大学学报( 自然科学版)Jo urnal o f Shenyang Jianzhu Un iv ersity ( N atura l Sc ience)􀀁 Jan. 􀀁 201 1Vo l. 27, N o. 1􀀁 􀀁 收稿日期: 2010- 06- 15基金项目: 国家十一五科技支撑重大项目( 2008BA J08B11); 辽宁省教育厅科研项目( L2010458)作者简介: 吴献( 1961􀀂 ), 女, 教授, 博士, 主要从事结构工程和智能混凝土研究.文章编号: 1671- 2021( 2011) 01- 0034- 05弹性范围内碳纤维混凝土在循环荷载作用下压敏性研究吴􀀁 献, 王丽娜, 杨􀀁 昆, 郎东莹(沈阳建筑大学土木工程学院, 辽宁沈阳110168)摘􀀁 要: 目的研究处于三向受压状态下的碳纤维混凝土试件的压敏性, 并对比单向受压状态及三向受压状态下试件的压敏性, 为试件实际应用到道路测重系统中提供理论依据. 方法分别对处于单向受压状态及三向受压状态下的同一试件施加弹性范围内的循环荷载, 观察电阻变化, 由此来衡量两种状态下试件的压敏性变化. 结果处于三向受压状态的碳纤维混凝土试件随着荷载的增加, 电阻减小, 当对试件由加载转化成卸载时, 电阻由减小阶段转为增大阶段.结论碳纤维混凝土试件的电阻变化能正确地反映所施加荷载的变化情况, 应用在道路测重系统中具有可行性.关键词: 碳纤维混凝土; 三向受压: 单向受压; 压敏性; 循环加载中图分类号: TU 528􀀁572􀀁 􀀁 􀀁 文献标志码: A􀀁 􀀁 􀀁Study on the Compression Sensibility ofCarbon FiberReinforced Concrete in Elastic Loading ProcessWU Xian,WANG L ina, YANG Kun, LANG D ongy ing( Schoo l o f C iv il Eng ineer ing, Sheny ang Jianzhu Un iv ersity, Sheny ang, Ch ina, 110168)Abstract: Th is paper aim s at the research on the compression sensib ility o f carbon f iber re info rced concretein triax ia l com pre ssion, and comparison w ith the spec imen s in one- w ay com pression. The m ethodo logy a􀀂dopted as specim ens can be used in traf f ic mon ito ring and w eighting in future. W ith the change s o f e lectrica lresistance separa tely in triax ia l compression and one- w ay compression, the re sistance o f the carbon f iber re􀀂info rced concre te in triax ial compression decreases w ith the load increasing. W hen the lo ad chang es f romlo ad ing to un lo ading, the resistance changes f rom decreasing to increasing. In conclusion, the resistancechange o f carbon f iber re info rced concrete can re flect the changes o f the lo ading, and it is po ssible fo r appli􀀂ca tion in tra ff icm onitoring and w e igh ting sy stem.Key words: carbon f iber reinfo rced concrete; triax ia l compression; one􀀂w ay compression; compression sensi􀀂b ility; cy clic load ing􀀁 􀀁 碳纤维混凝土是以水泥砂浆或普通混凝土为基材, 在其中添加碳纤维等导电组分及其他外加剂, 从而使混凝土成为具有一定机敏性和温敏性的智能材料( C arbon Fiber Re info rced C oncrete 简称CFRC ) 1 1989 年美国纽约大学B uf falo 分校的D. D. L Chung 2- 3 研究发现, 将一定形状、尺第27卷吴􀀁 献等: 弹性范围内碳纤维混凝土在循环荷载作用下压敏性研究􀀁􀀁􀀁35寸和掺量的短切碳纤维掺入混凝土材料中, 可以使混凝土材料具有自感知内部应力、应变和损伤程度、压敏性、温敏性、电磁屏蔽等功能 4- 7 .笔者通过试验对比碳纤维混凝土试件在单向受压状态下及三向受压状态下, 处于弹性范围内循环荷载作用下的压敏性的异同, 为今后将这种碳纤维混凝土试块应用于实际工程提供理论依据, 弥补目前道路测重系统中所存在的测量设备与混凝土的兼容困难等问题.1􀀁 碳纤维混凝土压敏机理CFRC 试样的电阻随压力的增大而减小, 随拉力的增大而增大, 即CFRC 材料具有压敏性, 国内外学者对压敏机理进行了广泛的研究, 大致有以下几种:( 1)纤维的插入、拔出效应模型美国D. D. L C hung 及PW C hen 8- 9 两位教授认为C FRC 受压时电阻减小、受拉时电阻增大是纤维的插入和拔出效应, 即由于加工原因CFRC 试样内部原本就有裂纹, 碳纤维在内部起着桥梁作用, 可以连通裂纹. 当CFRC 受压时, 碳纤维插入, 原有裂纹闭合, 电阻减小; 当CFRC 受拉时, 新裂纹产生, 旧裂纹扩张、甚至延伸、曼延,碳纤维拔出, 于是电阻增大.( 2)导电通道模型 10该模型认为CFRC 导电是通过碳纤维相互连接成的链移动产生导电现象. 当CFRC 受压时, 纤维间平均距离减小, 碳纤维的搭接机会增大, 所以电阻减小. 当CRFC 受拉时, 纤维间平均距离增大, 碳纤维的搭接机会减少, 所以电阻增大.( 3)隧道效应模型 11- 12 该模型认为当碳纤维短切后作为分散相混杂到基体中时, 各短切碳纤维间的导电可通过电子隧道跃迁效应来进行, 即部分电子具备了足够的能量跃过碳纤维之间的势垒, 从一根纤维到达另一根纤维从而实现导电. 当试块受压时, 有些原来未搭接的纤维互相连接, 互相搭接上的碳纤维在小范围内形成了网络, 使得试块电阻值逐渐减小,同时相邻纤维之间的距离的减小使电子有可能越过较窄的势垒, 从一根纤维跃迁至另一根纤维产生隧道导电, 试块电阻值也逐渐减小, 受拉时则相反.2􀀁 试验概况2􀀁1􀀁 试验原材料及试件制备原料: 32􀀁5级普通硅酸盐水泥、沈阳地区的碎石和河砂、硅粉、短切聚丙烯腈( PAN )基碳纤维(长度3mm )、甲基纤维素(分散剂)、日本花王高效减水剂、磷酸三丁酯(消泡剂)、灌浆料.试件制备: 碳纤维混凝土试件的制作采用湿拌法 13, 尺寸为100 mm 100 mm 100 mm, 施加三向围压的素混凝土构件尺寸为700mm 700mm 400 mm, 构件中间预留105 mm105mm 105 mm 孔洞. 碳纤维混凝土和施加三向围压素混凝土的配合比分别见表1和表2.表1􀀁 碳纤维混凝土试件配合比Table 1􀀁 The m ix ture propo rtion o f carbon fiber re in􀀂fo rced co ncre te spec im en材料比例水泥1. 00硅粉0. 10砂1. 35碎石3. 64碳纤维0. 08甲基纤维素0. 08磷酸三丁脂0. 03减水剂0. 07表2􀀁 素混凝土试件配合比Table 2􀀁 The m ix ture propor tion o f concrete spec im en材料比例水泥1. 00砂0. 99碎石2. 11减水剂0. 40􀀁 􀀁 试件三向受压, 布置情况见图1. 将碳纤维混凝土小试块埋到长宽高为700 mm 700 mm400mm 素混凝土构件中间预留的空洞中, 试件周围缝隙用灌浆料灌实, 从而实现试件的三向围压. 然后在中间碳纤维混凝土试件上用100mm100mm 20mm 钢板垫高, 实现只对中间碳纤维混凝土试件的加载.2􀀁2􀀁 试验方案使用MT S伺服试验机对试件按力控制模式进行循环加载, 试件试验前进行同批抗压试验, 得极限抗压强度值将近15M Pa, 即试件极性荷载值为150 kN. 压敏性试验最大荷载为30 kN, 为极限荷载的25%, 保证了CFRC 的加载在弹性范围􀀁􀀁􀀁36 沈阳建筑大学学报( 自然科学版) 第27卷内. 采用3步加载方法, 第一步在2􀀁5 s时间内由0匀速加载到5 kN; 第二步是循环加载, 循环加载形式采用正弦波加载, 加载频率为0􀀁2 H z, 起始荷载为5 kN, 荷载峰值为30 kN; 第三步保持荷载, 即保持荷载为20 kN.􀀁 􀀁 1. 素混凝土围压试件; 2. 下承压板; 3. 上承压板; 4􀀁 20mm 厚钢垫板; 5. 不锈钢电极板; 6. 碳纤维混凝土试块。图1􀀁 碳纤维混凝土三向受压布置图Fig􀀁1􀀁 The layo ut o f tr iax ia l com pression􀀁 􀀁 为使碳纤维混凝土试件三向受压状态和单向受压状态电阻变化规律对比更具有说服力, 单向受压状态与三向受压状态下所加载的试件是同一个试件, 试件完成单向受压状态下弹性范围内的循环加载后立即埋入外围护素混凝土试件所预留的空洞中, 中间缝隙用灌浆料填实, 养护3 d, 然后进行三向受压状态下试件的循环加载.将碳纤维混凝土试件与一个电阻串联在回路中, 直流稳压电源电压为2 V, 已知电阻为120 􀀁,试验装置见图2. 由IM P数据采集系统完成对试件电压、应变、位移、荷载同步采集, 采集频率为50 Hz.􀀁 􀀁 1. IM P数据采集系统; 2. 美国M TS 公司土木建筑结构液压伺服加载试验系统; 3. 已知电阻; 4. 2V 稳压电源。图2􀀁 试验装置图F ig􀀁 2􀀁 Experim ent arrang em ent3􀀁 结果与分析试验通过碳纤维混凝土试件的电压推出电阻, 然后通过电阻变化率(R - R0 ) /R 0 ( !R /R0 )来衡量试件的压敏性.3􀀁1􀀁 试验数据图3 图7中给出了碳纤维混凝土试件在单向受压状态及三向受压状态下, 随着荷载变化电阻的变化情况, 并给出了电阻与荷载的对应图.图3􀀁 单向受压时! R /R0、荷载对应曲线F ig􀀁 3􀀁 Re la tionships be tw een loading and !R /R0 inone􀀂w ay com pre ssion图4􀀁 三向受压时! R /R0、荷载对应曲线F ig􀀁 4􀀁 Relatio nsh ips betw een lo ad ing and ! R /R0 in tri􀀂ax ia l com pre ssion第27卷吴􀀁 献等: 弹性范围内碳纤维混凝土在循环荷载作用下压敏性研究􀀁􀀁􀀁37图5􀀁 单向受压状态时荷载与电阻对应图F ig􀀁 5􀀁 D eta iling o f the re la tionship be tw een lo ad and!R /R0 in one􀀂w ay com pression图6􀀁 三向受压状态时荷载与电阻对应图F ig􀀁 6􀀁 D eta iling o f the re la tionship be tw een lo ad and!R /R0 in triax ia l com pre ssion图7􀀁 单向受压、三向受压! R /R0􀀂对比F ig􀀁 7􀀁 C om parisons o f ! R /R0 betw een triax ial com 􀀂pre ssion and one􀀂w ay com pre ssion􀀁 􀀁 从图3、图4、图6 中可以看出荷载在5 30kN 等幅变化, !R /R0 却没有出现等幅的变化规律, 而是相同的荷载下, 后一个循环时试件的!R /R 0 比前一个循环时的!R /R0 小, 而当循环荷载持续约40个周期左右时, !R /R0 的变化规律趋于稳定.􀀁 􀀁 由图5、图6处于三向受压状态及单向受压状态下的碳纤维混凝土试件的电阻与循环荷载的对应关系可以看出, 随着荷载的持续增大, 电阻持续减小, 当荷载达到波峰值时, 电阻达到波谷值,卸载时反之.􀀁 􀀁 分析图7 单向受压状态, 三向受压状态下!R /R 0 随循环荷载的加载卸载过程所产生的反应对比可以发现, 三向受压状态下的!R /R 0 变化规律稳定性更强. 且在相同的加载幅度下, 在三向受压状态时, 碳纤维混凝土的!R /R 0 变化幅度比单向受压状态时要大, 变化更加明显.3􀀁2􀀁 数据分析图3中碳纤维混凝土试块之所以具有良好的导电性, 且!R /R 0 能够准确地反映荷载变化情况主要是由于碳纤维混凝土在弹性范围内, 随着荷载的增大, 内部碳纤维之间的搭接机会增加, 同时试件本身所具有的孔隙和基体颗粒变形变小, 势垒变小, 内部电子跃迁的概率增大 14 , 所以导电性增加, 碳纤维混凝土试块的电阻变化率减小, 卸载时相反. 因此碳纤维混凝土具有良好的压敏性.循环加载过程中!R /R0 没有等幅变化, 原因在于碳纤维混凝土试块在循环加载过程中, 基体内部空隙和缺陷被逐渐压实 14 , 导致电子跃迁的概率增大、势垒减小, 电阻减小, 卸载过程电阻增大, 但是随着循环荷载加卸载的持续, 空隙逐渐被压实, 电子跃迁的概率趋于稳定、势垒减小幅度也减小, 因此可以看出荷载波峰波谷所对应的电阻变化率也趋于稳定.碳纤维混凝土试块在弹性范围内等幅度循环荷载作用下, 三向受压状态下试件的!R /R 0 变化幅度更大. 这是由于试件处于三向受压状态时,MTS 加载系统通过100 mm 100 mm 20 mm的钢垫板对试件施加轴向压力, 但是由于外围素混凝土的套箍作用, 碳纤维混凝土试块纵向受压,横向要扩张, 使外围混凝土受拉, 其反作用力使中间混凝土试块侧向受压 16 . 比较单向受压状态可以看出, 三向受压状态的碳纤维混凝土中间试块􀀁􀀁􀀁38 沈阳建筑大学学报( 自然科学版) 第27卷受到的作用力更大, 裂缝闭合更为明显, 内部结构更加密实, 碳纤维之间的搭接的机会增加, 势垒减小等因素都导致!R /R0 变化幅度比单向受压状态时要大, 变化更加明显.4􀀁 结􀀁 论处于三向受压状态下的碳纤维混凝土试件具有良好的压敏性, 电阻的变化能准确地反映荷载的变化, 且在等幅的循环荷载作用下, 处于三向受压状态下的试件比处于单向受压状态下试件的电阻变化幅度更大, 压敏性更加明显, 且更加稳定.这表明将这种碳纤维混凝土试件应用在道路测重系统中具有可行性.参考文献: 1 􀀁 Bon tea D M, C hung D D L. Dam age in carbon f iber􀀂re info rced concrete, m o nito red by e lec trica l resistancem ea surem ent J. Cem ent and C oncrete Research,2000, 30( 4): 651- 659. 2 􀀁 Chen PW, C hung D D L. C arbon- fibe r- re info rcedconcrete a s an in trin sica lly sm art concre te fo r dam agea ssessm ent during dynam ic lo ad ing J. J. Am er icanC eram ic So ciety, 1995, 78( 3): 816- 818. 3 􀀁 Fu Xu l,i Chung D D L. Se lf- m o nito ring o f fatiguein dam ag e in carbon fiber re info rced cem en t J. C e􀀂m ent and C oncre teRe search, 1996, 26( 1): 15- 20. 4 􀀁 吴献, 秦桂娟, 刘之洋. 石墨混凝土电导率- 应变与割线模量- 应变关系 J. 沈阳建筑大学学报:自然科学版, 2006, 22( 2) : 248- 251.􀀁 (W u X ian, Q in G uijuan, L iu Zhiyang. Study on re la􀀂tionsh ip betw een electr ica l conduc tiv ity - strain anddefo rm ation J. Jo urnal o f Sheny ang Jianzhu Un i􀀂v ersity: N a tural Sc ience, 2006, 22( 2) : 248- 251. ) 5 􀀁 姚武, 吴科如. 智能混凝土的研究现状及其发展趋势 J . 新型建筑材料, 2000( 10) : 6- 9.􀀁 ( Y ao W u, W u Keru. Present situatio n and deve lo􀀂p ing trend fo r inte lligent co ncre te research J . Newbuilding m ater ia ls, 2000( 10): 6- 9. ) 6 􀀁 Z eng Q S, Chung D D L. C arbon fiber- re info rcedconcrete fo r traff ic m on itor ing and w e ig hting in m o􀀂tion J . C em en t and Co ncre te Re search, 1999, 29:435- 439. 7 􀀁 乐寿长. 道路交通控制M . 长沙: 湖南科学技术出版社, 1995.􀀁 ( Le Shouchang. Ro ad traff ic contro lM . C hang􀀂sha: H unan Sc ience and T echno log y Press, 1995. ) 8 􀀁 C hen P W, Chung D D L. C arbo n fibe r re info rcedconcrete fo r sm a rt structure s capab le o f non - de􀀂structiv e f low detectio n J . Sm art M a te r. Struc.t1993, 2: 22- 30. 9 􀀁 C hen P W, Chung D D L. C arbo n fibe r re info rcedconcrete as intrinsically sm art co ncre te fo r dam agea ssessm en t during sta tic and dynam ic loading J.AC IM a teria ls Jo urna ,l 1996, 4, 341- 350. 10 高彦峰, 王秀峰, 罗宏杰. 功能梯度材料中的渗流现象及其模型研究 J. 陶瓷工程, 2000, 12 ( 1): 10- 12.􀀁 ( Gao Y anfeng, W ang X iufeng, Luo Hong jie. Studythe perco la tion phenom enon and m odel o f func tiona l􀀂ly gradien t m ater ia ls J . C eram ic Eng ineer ing,2000, 12( 1): 10- 12. ) 11 王秀峰, 王永兰, 金志浩. 碳纤维增强基复合材料的电导性能及其应用 J. 复合材料学报, 1998, 15( 3): 122- 127.􀀁 (W ang X iufeng,W ang Yong lan, Jin Zh ihao. E lectr i􀀂cal conductiv ity in carbon fiber re info rced cem en tcom po site pe rfo rm ance and app lication J. ACTAM ater ia l C om po sitae S in ica, 1998, 15 ( 3 ) : 122 -127. ) 12 张跃, 职任涛. 碳纤维( LCF) 一无宏观缺陷(MDF)水泥基复合材料电学性能的研究 J. 材料科学进展, 1992, 6( 4) : 357- 362.􀀁 ( Zhang Yue, Zh i Rentao, et a.l E lectr ica l prope rtieso f carbon fiber- MDF cem ent com po site J. Ch i􀀂nese Jo urna l o f M a teria ls R esearch, 1992, 6 ( 4 ):357- 362. ) 13 王闯, 李克智, 李贺军. 短碳纤维在不同分散剂中的分散性 J. 精细化工, 2007, 24( 1): 1- 4.􀀁 (W ang Chuang, L iK ezh ,i L i H ejun. The d ispersiv ityo f sho rt carbon fibe rs in d ifferen t dispersan ts J.F ine Chem ica ls, 2007, 24( 1): 1- 4. ) 14 C hen P W, Chung D D L. C arbo n fibe r re info rcedconcre te a s an e lec trica l co ntact m ateria l fo r sm ar tstructures J. Sm a rtM ater ia ls and Structures, 1993. 15 滕志明. 钢筋混凝土基本构件M . 北京: 清华大学出版社, 1987.􀀁 ( Teng Zh im ing. The basic com ponents o f re info rcedconcre te M . Be ijing: T singhua Un iv ersity Pre ss,1987. )_我的大学爱情观1、什么是大学爱情：大学是一个相对宽松，时间自由，自己支配的环境，也正因为这样，培植爱情之花最肥沃的土地。大学生恋爱一直是大学校园的热门话题，恋爱和学业也就自然成为了大学生在校期间面对的两个主要问题。恋爱关系处理得好、正确，健康，可以成为学习和事业的催化剂，使人学习努力、成绩上升；恋爱关系处理的不当，不健康，可能分散精力、浪费时间、情绪波动、成绩下降。因此，大学生的恋爱观必须树立在健康之上，并且树立正确的恋爱观是十分有必要的。因此我从下面几方面谈谈自己的对大学爱情观。2、什么是健康的爱情：1) 尊重对方，不显示对爱情的占有欲，不把爱情放第一位，不痴情过分；2) 理解对方，互相关心，互相支持，互相鼓励，并以对方的幸福为自己的满足; 3) 是彼此独立的前提下结合；3、什么是不健康的爱情：1)盲目的约会，忽视了学业;2)过于痴情，一味地要求对方表露爱的情怀，这种爱情常有病态的夸张;3)缺乏体贴怜爱之心，只表现自己强烈的占有欲;4)偏重于外表的追求;4、大学生处理两人的在爱情观需要三思：1. 不影响学习：大学恋爱可以说是一种必要的经历，学习是大学的基本和主要任务，这两者之间有错综复杂的关系，有的学生因为爱情，过分的忽视了学习，把感情放在第一位；学习的时候就认真的去学，不要去想爱情中的事，谈恋爱的时候用心去谈，也可以交流下学习，互相鼓励，共同进步。2. 有足够的精力：大学生活，说忙也会很忙，但说轻松也是相对会轻松的！大学生恋爱必须合理安排自身的精力，忙于学习的同时不能因为感情的事情分心，不能在学习期间，放弃学习而去谈感情，把握合理的精力，分配好学习和感情。3、 有合理的时间；大学时间可以分为学习和生活时间，合理把握好学习时间和生活时间的“度”很重要；学习的时候，不能分配学习时间去安排两人的在一起的事情，应该以学习为第一；生活时间，两人可以相互谈谈恋爱，用心去谈，也可以交流下学习，互相鼓励，共同进步。5、大学生对爱情需要认识与理解，主要涉及到以下几个方面：（一） 明确学生的主要任务“放弃时间的人，时间也会放弃他。”大学时代是吸纳知识、增长才干的时期。作为当代大学生，要认识到现在的任务是学习学习做人、学习知识、学习为人民服务的本领。在校大学生要集中精力，投入到学习和社会实践中，而不是因把过多的精力、时间用于谈情说爱浪费宝贵的青春年华。因此，明确自己的目标，规划自己的学习道路，合理分配好学习和恋爱的地位。（二） 树林正确的恋爱观提倡志同道合、有默契、相互喜欢的爱情：在恋人的选择上最重要的条件应该是志同道合，思想品德、事业理想和生活情趣等大体一致。摆正爱情与学习、事业的关系：大学生应该把学习、事业放在首位，摆正爱情与学习、事业的关系，不能把宝贵的大学时间，锻炼自身的时间都用于谈情说有爱而放松了学习。 相互理解、相互信任，是一份责任和奉献。爱情是奉献而不时索取，是拥有而不是占有。身边的人与事时刻为我们敲响警钟，不再让悲剧重演。生命只有一次，不会重来，大学生一定要树立正确的爱情观。（三） 发展健康的恋爱行为 在当今大学校园，情侣成双入对已司空见惯。抑制大学生恋爱是不实际的，大学生一定要发展健康的恋爱行为。与恋人多谈谈学习与工作，把恋爱行为限制在社会规范内，不致越轨，要使爱情沿着健康的道路发展。正如马克思所说：“在我看来，真正的爱情是表现在恋人对他的偶像采取含蓄、谦恭甚至羞涩的态度，而绝不是表现在随意流露热情和过早的亲昵。”（四） 爱情不是一件跟风的事儿。很多大学生的爱情实际上是跟风的结果，是看到别人有了爱情，看到别人幸福的样子（注意，只是看上去很美），产生了羊群心理，也就花了大把的时间和精力去寻找爱情（五） 距离才是保持爱情之花常开不败的法宝。爱情到底需要花多少时间，这是一个很大的问题。有的大学生爱情失败，不是因为男女双方在一起的时间太少，而是因为他们在一起的时间太多。相反，很多大学生恋爱成功，不是因为男女双方在一起的时间太少，而是因为他们准确地把握了在一起的时间的多少程度。（六） 爱情不是自我封闭的二人世界。很多人过分的活在两人世界，对身边的同学，身边好友渐渐的失去联系，失去了对话，生活中只有彼此两人；班级活动也不参加，社外活动也不参加，每天除了对方还是对方，这样不利于大学生健康发展，不仅影响学习，影响了自身交际和合作能力。总结：男女之间面对恋爱，首先要摆正好自己的心态，树立自尊、自爱、自强、自重应有的品格，千万不要盲目地追求爱，也不宜过急追求爱，要分清自己的条件是否成熟。要树立正确的恋爱观，明确大学的目的，以学习为第一；规划好大学计划，在不影响学习的条件下，要对恋爱认真，专一，相互鼓励，相互学习，共同进步；认真对待恋爱观，做健康的恋爱；总之，我们大学生要树立正确的恋爱观念，让大学的爱情成为青春记忆里最美的风景，而不是终身的遗憾！