压阻复合材料的电导机理和压阻特性研究：以混凝土柱为例

由于试块的含水量会极大的影响试块的电阻值的大小。因此，石墨试块、碳纤维石墨试块预埋入混凝土柱前的环氧树脂密封显得极为重要。实验结果表明，环氧树脂密封保证了相关试块在柱的制备及养护过程中保持了较低的含水率，并且保证了刷银粉导电胶试块在受力状态下也具有良好的导电效果。其原因是环氧树脂防水能力很好，变形能力也优于水泥基材料，从而保证了其在混凝土柱中电阻测试的准确性和方便性。对破坏柱的观察表明，石墨试块的断口均不是在试块与柱的界面处（图7-13），而是在试块内部，这说明试块与柱的相容性较好。

图7-13　破坏后混凝土柱

研究表明，压阻复合材料感知功能的实现与其电导性能密切相关，对其导电机理的研究有助于对压阻特性机理的深入认识。三个试块循环加载和单调加载的试验结果表明，当在弹性范围内循环时，机敏材料试块内部基本无损伤发生，试块的电阻变化与加载压力保持较好的近似线性对应关系。当荷载进入塑性阶段后，试件内部发生损伤，微裂缝的发展使得电阻值上升。解释复合材料的电导行为的有渗滤理论、有效介质理论、量子力学隧道效应理论等导电机理模型。对于试块，石墨含量为水泥加入质量分数的40%，超过了石墨水泥砂浆的渗流阈值20%，因此，导电方式以接触导电和隧道效应导电为主。对于其他试样，导电相碳纤维加入量固定为加入质量分数的1%，石墨的加入量分别为加入水泥质量分数的20%和30%，均达到了碳纤维石墨水泥砂浆的渗流阈值。综合相关理论，可以认为石墨试块、碳纤维石墨试块之所以具有很好的应力和应变感知特性，是因为此材料由导电性良好的石墨或碳纤维加石墨均匀分散在导电性不良的水泥基体中形成的复合材料。在压应力的作用下，阻隔石墨、碳纤维的水泥基材间隔变薄，导电相间的绝缘势垒相应减小，因此混凝土的电阻率显著降低当压应力达到一定程度以后，在水泥基材间隔变薄造成电阻率下降的同时，也会产生破坏裂纹从而造成电阻率增加，当电阻率的升、降达到了动态平衡时，数值保持相对稳定如果压应力进一步增加，试块的内部产生大量裂纹而趋于破坏，此时电阻率将因此而迅速升高。由此可见，石墨水泥砂浆试块、碳纤维石墨水泥砂浆试块均能很好的感知结构的受力状况，可用作混凝土柱的传感元件，广泛应用于结构的健康监测，车辆称重等工程领域。(www.xing528.com)

需要指出的是，埋入混凝土柱中的石墨试块和碳纤维石墨试块在压阻试验中均处于三向受力状态，其压阻特性与其多轴变形有关，而非仅与加载方向或电阻测试方向的变形有关。石墨试块、碳纤维石墨试块与混凝土柱的力学性能也存在差异。下面计算所埋入试块在混凝土柱受压过程中的实际应力，讨论自监测混凝土柱单调加载全过程应变自监测性能。

由于混凝土柱中心所埋试块的弹性模量相对于混凝土柱而言，其值较小。其实际应力要比混凝土柱的平均应力小得多。如果混凝土柱受压进行到进入塑性阶段后，混凝土柱的弹性模量将迅速降低，这时所埋试块所承受应力的比例将开始增加。由于埋入试块在混凝土柱中所占比重较小，故可将混凝土柱的弹性模量视作混凝土基体的弹性模量，其值可由混凝土柱的应力一应变曲线求得。根据试块的应力一应变曲线亦可求出其弹性模量值。因此，如果混凝土柱的平均应力和混凝土、试块的受压面积均为已知量，则可计算出在混凝土柱加载过程中混凝土基体与试块各自承担的实际应力。事实上，当试块进入塑性阶段后，其弹性模量也会迅速下降，混凝土基体与试块各自承担的实际应力与二者的力学性能密切相关。如果混凝土柱的强度低于试块，则混凝土柱首先进入塑性阶段，混凝土基体的弹性模量迅速下降，而试块尚未破坏，其弹性模量不变，因此荷载重新分配，试块所承担的实际应力将会持续增加，直至其进入塑性阶段。当试块与混凝土柱一起受压时，由于其横向变形系数与混凝土柱不同，试块实际上将处于三轴受力状态，其极限强度和极限应变与单轴受压状态下是不同的，要根据三轴受力状态破坏准则计算。

综上所述，石墨砂浆试块和碳纤维石墨砂浆试块与混凝土结构基体强度之间的匹配关系对试块的破坏特征和监测性能有直接影响。在实际应用中，可根据混凝土结构基体的本构关系和应力分配关系，对试块做强度匹配设计，设计时试块的相对强度至少不小于被监测结构基体的相对强度，以能对基体结构的受力全过程进行监测。