碳纖維智能混凝土的性能研究

纖維是指通過(guò)在堿性氣氛中碳化合物碳化合物。它是由瀝青纖維、聚合物纖維或含碳?xì)怏w制成。智能混凝土是指在原有組分基礎(chǔ)上復(fù)合智能型組分,使混凝土材料具有自感知和記憶、自適應(yīng)、自修復(fù)特性的多功能材料。在普通混凝土中添加少量一定形狀碳纖維和超細(xì)添加劑(分散劑、去泡劑、早強(qiáng)劑等),不僅可顯著提高混凝土的強(qiáng)度和韌性,而且其電學(xué)性能也有了明顯改善,具備本征自感應(yīng)、自調(diào)節(jié)功能,它可以作為傳感器并以電信號(hào)輸出的形式,反映自身受力狀況和內(nèi)部的損傷程度;作為驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)自身溫度、應(yīng)力及變形,在智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)中倍受關(guān)注。碳纖維混凝土(CFRC)的智能特性主要表現(xiàn)在它的壓敏性、溫敏性和磁敏性上。1混凝土地下具有動(dòng)力系統(tǒng)一般應(yīng)變性的應(yīng)變量和破壞機(jī)理水泥與天然石材骨料組成的混凝土完全干燥后,具有極高的電阻率,約為1013Ω·m,因此它被歸為絕緣體材料。普通的混凝土介于絕緣體和良性導(dǎo)體之間,電阻率一般在106～109Ω·m范圍內(nèi)。碳纖維具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能,其電阻率為(1.5～3.0)×10-3Ω·m。美國(guó)的D.D.L.Chung等在1989年首先發(fā)現(xiàn),在混凝土中摻入一定量的短碳纖維導(dǎo)電材料,可以使混凝土試件的導(dǎo)電性大大改善。碳纖維的摻入量、長(zhǎng)短及在基質(zhì)中分布的均勻程度直接關(guān)系到碳纖維混凝土的導(dǎo)電性。其導(dǎo)電原理為:摻入的短碳纖維在水泥混凝土基質(zhì)中出現(xiàn)相互關(guān)聯(lián)的帶電粒子的通道,通過(guò)電極施加電場(chǎng)時(shí),電子沿通道運(yùn)動(dòng)而具有導(dǎo)電性。另一方面碳纖維本身在應(yīng)力作用下,其電阻率隨應(yīng)力增加而增大。所以,從宏觀上分析,其電阻率ρ隨所加應(yīng)力σ的變化而變化,σ增大,ρ也相應(yīng)地增加,(見(jiàn)圖1)。通過(guò)對(duì)材料的宏觀行為和微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行觀測(cè),發(fā)現(xiàn)水泥基復(fù)合材料的電阻變化與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化是相對(duì)應(yīng)的,如電阻率的可逆變化對(duì)應(yīng)于可逆的彈性變形,而電阻率的不可逆變化對(duì)應(yīng)于非彈性變形和斷裂狀態(tài)。據(jù)此,可通過(guò)碳纖維混凝土電阻率的變化來(lái)確定其處于安全、損傷或破壞的哪一階段。通過(guò)與碳纖維相連的計(jì)算機(jī),可直接反映所在結(jié)構(gòu)部位混凝土的工作狀態(tài),實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè),當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力接近損傷區(qū)或破壞區(qū)時(shí),即可自動(dòng)報(bào)警。同時(shí),利用復(fù)合材料的敏感性可有效地監(jiān)測(cè)拉、彎、壓等工況,以及在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)荷載作用下材料的內(nèi)部情況。當(dāng)在水泥凈漿中摻加0.5%(體積)的碳纖維時(shí),它作為應(yīng)變傳感器的靈敏度可達(dá)700,遠(yuǎn)高于一般的電阻應(yīng)變片。在疲勞試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),無(wú)論是在拉伸或是壓縮狀態(tài)下,碳纖維混凝土材料的體積電導(dǎo)率會(huì)隨疲勞次數(shù)增多而發(fā)生不可逆的降低。因此,可以應(yīng)用這一現(xiàn)象對(duì)混凝土材料的疲勞損傷進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)標(biāo)定這種自感應(yīng)混凝土,研究人員能確定阻抗和載重之間的關(guān)系,當(dāng)自感應(yīng)混凝土用在公路上時(shí),人們可以判定該路的路況,即車(chē)輛的方位、重量和速度等參數(shù),為交通管理的智能化提供材料基礎(chǔ)。CFRC的壓阻效應(yīng)與復(fù)合材料導(dǎo)電機(jī)制有關(guān),復(fù)合導(dǎo)電材料的導(dǎo)電機(jī)制可以用隧道模型解釋,即電子通過(guò)分散在基體中的導(dǎo)電材料形成網(wǎng)絡(luò),并通過(guò)隧道效應(yīng)連通網(wǎng)絡(luò)間的絕緣間隔而進(jìn)行傳導(dǎo)。水泥基碳纖維復(fù)合材料的導(dǎo)電是由于導(dǎo)電性良好的碳纖維均勻分散在絕緣的水泥基體中,碳原子結(jié)構(gòu)中的π電子可以在纖維的大π體系中離域,并且穿透被水泥基體隔開(kāi)得非常鄰近的2根纖維間的勢(shì)壘,從一根纖維躍遷至另一根纖維,形成隧道導(dǎo)電效應(yīng)。壓敏性就是由于間隔勢(shì)壘因壓力的增大而減小,引起電阻率降低。纖維含量太少,分散在基體中的纖維間距大,不僅電阻率大,而且受壓后勢(shì)壘雖有減小,但仍不足以為π電子所克服,不能形成隧道效應(yīng),因此壓敏性不明顯。纖維摻量過(guò)多,基體中碳纖維已有相當(dāng)程度的搭接,此時(shí)π電子以沿纖維網(wǎng)絡(luò)通道傳導(dǎo)為主,隧道效應(yīng)減少,電阻率降低,壓敏性也不好。由此可見(jiàn),只有當(dāng)摻量適中,纖維在基體中均勻分散,被基體隔開(kāi)且又相距鄰近的情況下,才能形成隧道效應(yīng),才有最好的壓敏性。有研究表明,當(dāng)碳纖維長(zhǎng)度為5mm,重量為水泥重量的0.4%時(shí),壓敏性最顯著,電阻率變化的百分率為30%。2導(dǎo)電混凝土應(yīng)用碳纖維混凝土具有良好的溫敏性。一方面,含有碳纖維的混凝土?xí)a(chǎn)生熱電效應(yīng)(即seeback效應(yīng))。在最高溫度為70℃,最大溫差為15℃范圍內(nèi),其溫差電動(dòng)勢(shì)E與溫差△t之間有較良好穩(wěn)定的線性關(guān)系。通過(guò)水泥基材料的塞貝克效應(yīng)研究,使得混凝土本身作為溫度傳感器,用于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)體系的溫度分布特征,滿足結(jié)構(gòu)自我安全監(jiān)測(cè)的需要。因此,可以利用這種材料實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物內(nèi)部和周?chē)h(huán)境溫度變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控。另一方面,當(dāng)對(duì)碳纖維混凝土施加電場(chǎng)時(shí),在混凝土中會(huì)產(chǎn)生熱電效應(yīng),即所謂的電熱效應(yīng)。研究表明,seeback和電熱效應(yīng)都是由于碳纖維混凝土中存在空穴導(dǎo)電所致。因此可以利用電熱效應(yīng),把碳纖維混凝土應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)跑道、橋梁路面等工程中以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)融雪和除冰的功能。我國(guó)武漢理工大學(xué)的李卓球等,綜合國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn),分析了導(dǎo)電混凝土路面材料應(yīng)滿足的基本性能要求,提出了制備導(dǎo)電混凝土路面材料的理想導(dǎo)電組分為碳纖維。并進(jìn)行了碳纖維導(dǎo)電混凝土板實(shí)驗(yàn)室除冰和野外化雪的研究。研究結(jié)果表明,利用碳纖維導(dǎo)電混凝土在通電后產(chǎn)生的熱量,可有效地清除路面上的冰雪。這一技術(shù)的應(yīng)用,不但將有助于確保冬季道路暢通和行車(chē)安全,而且還可避免撒冰鹽給混凝土結(jié)構(gòu)和環(huán)境帶來(lái)的負(fù)面影響。3磁敏特性3.1電磁屏蔽混凝土的防護(hù)原理無(wú)線電通訊與電子設(shè)備器材的廣泛應(yīng)用帶來(lái)了電磁波污染和電磁信號(hào)泄漏失密的危險(xiǎn)?；炷翆?duì)電磁波有反射、吸收和透射作用。普通混凝土對(duì)高頻電磁波具有一定的屏蔽功能,主要是靠反射和吸收作用,屏蔽效果不佳。只有給其添加電磁損耗物質(zhì)后才具有較高的屏蔽功能。例如,500Hz的電磁屏蔽效應(yīng)僅為1dB,在摻入碳纖維體積率為3%的電磁屏蔽效能可達(dá)到15dB。電磁波空間輻射耦合的防護(hù)主要靠屏蔽的方法,混凝土屏蔽體對(duì)高頻電磁波的屏蔽原理主要是反射和吸收作用。只有電磁波在空間傳播的波阻抗和混凝土的波阻抗相差很大時(shí),電磁波到達(dá)空間和混凝土界面才會(huì)產(chǎn)生反射,而電磁波能量吸收靠混凝土內(nèi)部損耗。混凝土的防護(hù)原理(見(jiàn)圖2)。其中E1為入射電磁波的強(qiáng)度,E2為電磁波穿出屏蔽體的強(qiáng)度,R1為電磁波在混凝土A面的反射場(chǎng)的強(qiáng)度,R2為電磁波在混凝土B面的反射強(qiáng)度,T為電磁波在屏蔽體內(nèi)的透射強(qiáng)度。從圖中可以看出,電磁波能量的損耗主要是混凝土內(nèi)部的透射損失。碳纖維電磁屏蔽混凝土已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于防護(hù)工事,防止核爆炸電磁殺傷、干擾和常規(guī)電磁武器(如電磁炸彈、干擾機(jī))殺傷、干擾的電磁屏蔽防護(hù);軍用、民用電磁信號(hào)泄漏失密的電磁屏蔽防護(hù);民用電磁污染限定在一定范圍的電磁防護(hù)。3.2文景式透射式混凝土dp在混凝土中摻入直徑為0.1μm的碳纖維微絲可使混凝土具有反射電磁波的性能。碳纖維摻量為0.5%時(shí),混凝土對(duì)1GHz電磁波的反射率高于透射率29dB,而普通混凝土的反射率低于透射率3～11dB。采用這種混凝土作為車(chē)道兩側(cè)導(dǎo)航標(biāo)記,汽車(chē)行駛將由電腦控制,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化高速公路的導(dǎo)航。汽車(chē)上的電磁波發(fā)射器向車(chē)道兩側(cè)的導(dǎo)航標(biāo)記發(fā)射電磁波,經(jīng)過(guò)反射,由汽車(chē)上的電磁波接收,再通過(guò)汽車(chē)上的電腦系統(tǒng)進(jìn)行處理,即可判斷并控制汽車(chē)的行駛路線、速度等參數(shù)。采用這種混凝土作導(dǎo)航標(biāo)記,成本低,混凝土力學(xué)性能高、可靠性和準(zhǔn)確性高、耐久性好。4需進(jìn)一步研究的問(wèn)題碳纖維混凝土是一種本征智能材料,它既具有良好的力學(xué)性能,又具有一定的機(jī)敏特性,因而在道路、橋梁、大壩、海洋結(jié)構(gòu)物、原子能發(fā)電站等大型復(fù)雜基礎(chǔ)設(shè)施的健康監(jiān)測(cè)方面展現(xiàn)出了良好而廣闊的應(yīng)用前景。但作為一種新型的功能材料,如果投入實(shí)際工程,還有很多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。(1)碳纖維混凝土電阻率的穩(wěn)定性還有待解決。特別是由于碳纖維直徑細(xì)小、表面憎水所造成的無(wú)法較好均勻分散而導(dǎo)致的混凝土電阻率波動(dòng)的問(wèn)題,在很大程度上限制了此類(lèi)材料的工程應(yīng)用。(2)混凝土基碳纖維壓敏材料的研究還基本處于空白階段。由于粗骨料石子的加入對(duì)碳纖維混凝土的導(dǎo)電性能影響較大,所以碳纖維混凝土壓敏規(guī)律的研究目前還主要停留在水泥基和砂漿基的階段,加速研究帶有粗骨