传统混凝土材料脆性较高,加入导电材料后的电阻率值变化不稳定,受温度、湿度环境变化影响较大。高分子聚乙烯纤维(PE)具有高抗拉性,通过在水泥基基体内添加PE纤维是提高混凝土材料的主要技术手段。碳纤维(CF)具有高导电特性,通过在水泥基基体内加入CF可以有效改善基体的导电性能。因此本文通过混掺PE纤维与CF两种纤维,获得兼具韧性和导电性的HSHDC材料。通过优化纤维的掺量和比例,降低材料在不同温、湿度下的敏感性。同时研究不同体积比例掺量纤维条件下的HSHDC复合材料的基本力学性能,探讨不同加载幅度以及不同加载频率下HSHDC的机敏性能。
抗压强度测试参照GB/T 17671-2021《水泥胶砂强度检验方法(IOS法)》进行。拉伸实验使用电液伺服万能实验机进行加载,加载速度0.2mm/min。电阻率测试方法采用四电极法,外部两级作为电流极,连接PLD-6005 稳压直流电源,中间两极作为电压极,与 TDS-530 数据采集仪连接。温敏性试验通过高低温环境箱控制温度,用四电极法测试电阻率值。湿敏性试验通过烘干箱改变试块的相对含水率,并用四电极法测试电阻率值。压敏性试验使用电液伺服万能试验机进行加载。
1、碳纤维(Carbon Fiber,CF)和聚乙烯(Polyethylene Fiber,PE)纤维混杂可以显著提升高强高韧性混凝土(High strength and high ductility concrete,HSHDC)的力学性能。随着CF比例的增加,HSHDC的抗压、抗折和极限拉伸强度呈现先增加后减少的趋势。CF掺量为0.25%时HSHDC的抗压、抗折强度分别提高了6.9%、7%,极限拉伸强度提升了15.2%。2、随着CF掺量的增加,HSHDC的电阻率急剧下降后趋于稳定,CF的加入显著降低了HSHDC电阻率值对温度、湿度变化的敏感性。环境温度由-20℃上升至70℃时,R组试件的电阻率下降了91.6%,而掺入CF的HSHDC电阻率值波动较小控制在5%的变化范围内。HSHDC的电阻率值在不同的相对含水率变化下也表现出较好的稳定性。3、CF提高了HSHDC的压敏性能,电阻率变化率与应力应变有明显的对应关系。CF掺量为0.25%时,HSHDC的应力和应变灵敏系数分别达到了0.75%/MPa和136.5,电阻率变化率高达7.87%,且电阻率变化率幅值随着加载幅度的增加有所增加,在不同加载速率下均表现出稳定的压敏特性。
通过混掺PE和CF两种纤维,提高了HSHDC的抗压强度以及拉伸性能。当CF掺量为0.25%时,HSHDC的力学性能提升最为明显,同时试件的电阻率变化率几乎不受环境湿度、温度的影响。随着试件从饱水状态到干燥状态的变化,HSHDC的电阻率值波动很小。当CF掺量为0.25%时,HSHDC表现出良好的压敏性能,并且在不同的加载幅度以及加载频率下,HSHDC的压敏性能表现有所不同。当加载幅度为25MPa、加载速率为0.4mm/min时,试件的压敏性能表现最优秀。本文主要研究混掺两种纤维对HSHDC的力学性能、温敏性能、湿敏性能以及压敏性能,对于其弯敏性能以及拉敏性能的影响研究有待进一步深入。
针对传统混凝土材料易开裂、拉伸应变值低等问题,利用钢纤维、聚乙烯纤维(Polyethylene Fiber,PE)和玻璃纤维等制备的高强高韧性混凝土(High strength and high ductility concrete,HSHDC)具有良好的力学性能和耐久性。碳纤维作为一种导电材料以其轻质、高强度和耐腐蚀而被广泛应用于制备机敏混凝土,已有的研究表明碳纤维混凝土大多呈脆性,且电阻率受环境影响较大。本研究通过优化纤维组分和比例,制备出抗压强度85MPa、拉伸应力8.5MPa和极限拉伸应变4.8%的HSHDC。CF的掺入使HSHDC电阻率值降低三个数量级至8Ω·m。HSHDC在环境温度由-20℃上升至70℃时,电阻率值波动不超过6%,不同相对含水率条件下也表现出极高的稳定性。机敏性能研究表明,HSHDC在循环荷载作用下的应力和应变灵敏系数分别达到0.75%/MPa和136.5,电阻率变化率高达7.87%。
不同温度和相对含水率下HSHDC的电阻率值
The resistivity of HSHDC at different temperatures and humidity
加载幅度对HSHDC应力(a)和应变(b)灵敏系数的影响
The influence of loading amplitude on the sensitivity coefficients of stress (a) and strain (b) in HSHDC
研究通过混杂碳纤维(Carbon fiber,CF)和聚乙烯纤维(Polyethylene fiber,PE)制备出高强高韧性混凝土(High strength and high ductility concrete,HSHDC),并对其力学性能及机敏性特性进行了分析。研究表明0.25vol%CF掺量HSHDC的抗压强度较对照组提升7%、抗折强度增加13%、拉伸应变提高15.2%。HSHDC的电阻率值随CF掺量增加而显著降低,1.0vol%CF掺量HSHDC的电阻率值下降至10 Ω·m,较对照组降低3个数量级。在不同温度与相对含水率下,掺有CF的HSHDC电阻率表现出较好的稳定性,循环荷载作用下0.25vol%CF掺量HSHDC电阻率变化率与应力之间表现出良好的对应关系,压应力和压应变灵敏系数分别达到0.75%/MPa和136.5。0.25vol%CF掺量的HSHDC在加载幅度为15 MPa时的最大电阻率变化率为9.2%,加载速度为0.4 mm/min时峰值电阻率变化率达到7.9%。
研究通过混杂碳纤维(Carbon fiber,CF)和聚乙烯纤维(Polyethylene fiber,PE)制备出高强高韧性混凝土(High strength and high ductility concrete,HSHDC),并对其力学性能及机敏性特性进行了分析。研究表明0.25vol%CF掺量HSHDC的抗压强度较对照组提升7%、抗折强度增加13%、拉伸应变提高15.2%。HSHDC的电阻率值随CF掺量增加而显著降低,1.0vol%CF掺量HSHDC的电阻率值下降至10 Ω·m,较对照组降低3个数量级。在不同温度与相对含水率下,掺有CF的HSHDC电阻率表现出较好的稳定性,循环荷载作用下0.25vol%CF掺量HSHDC电阻率变化率与应力之间表现出良好的对应关系,压应力和压应变灵敏系数分别达到0.75%/MPa和136.5。0.25vol%CF掺量的HSHDC在加载幅度为15 MPa时的最大电阻率变化率为9.2%,加载速度为0.4 mm/min时峰值电阻率变化率达到7.9%。