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水泥和混凝土研究

微裂纹对工程水泥基复合材料电阻率的影响

关键词：电学特性，力学特性，微观力学，高性能混凝土，复合材料

摘要：工程水泥基复合材料（ECC）是一种有名的结构材料，它具有优良的拉伸延展性和破坏承载力。以前的试验研究表明，ECC的电阻率与所施加的拉伸应变之间有很大的关系（压阻特性），这一特性使它具有潜在的应用市场，我们可以把它应用在结构健康监测中来自感结构的破坏。在这篇文章中，我们通过试验和理论分析的方法，探究了在直接拉伸作用下，微裂纹对ECC的电学响应的影响。为了研究这个，两种有着不同裂纹模式的ECC在宏观（多条裂纹）和细观上（单条裂纹）比较了它们的电—力特性。在本文研究中，我们提出了一个理论模型，这个理论模型把ECC的单裂纹电学响应、裂纹模式和它的复合电学行为联系起来。并且这个理论模型对于两种ECC，试验观测都证实了理论模型的正确性。因此，在这篇文章中，我们进一步发展了关于ECC的裂纹模式以及裂纹模式对其压阻性能的影响的基础研究。

1. 介绍

在过去的50年内，在结构分析方法中的先进技术，已经允许工程师们在结构设计过程中，考虑巨大的载荷组合以及受限的情况。然而，结构的破坏经常遭到那些未参与结构设计的载荷的影响，而这些未参与设计的荷载需要在服役期间接受持续的评估，以确保结构的安全。对于这样的评估，通常是一些有经验的工程师每间隔一段时间观测一次，并且通常是视觉上的观测。然而，这种主观的评估的可靠性经常遭到质疑。现代已经出现了结构监测技术（SHM），这个技术想对视觉观测来说是一种潜在的改进方法。然而，大多数的SHM中感测到的数据是通过点对点的传感器得到的，这种传感器智能捕获局部的破坏。因此，我们就可能错过了不在传感器附近的区域的关键破坏点。所以我们要选择一种划算的，并且可以监测结构内各个地方的破坏的分布传感器，以减少结构的突然性破坏。正是这个目的推动着自感应结构材料的发展。

自感应结构材料在潜在上可以为复杂性监测结构健康技术提供一种有效的选择，因为它们本身就在结构中无处不在。使用工程水泥基复合材料（ECCs）作为自感应结构材料的可行性已经在以前的研究中得到了证实。作为结构材料，ECC除了具有优良的力学性能外，它还有一种独特的性质，可以把破坏承载力和其压电电阻率联系起来，这一点使得它作为自感应材料成为可能。

ECCs是一种超高延性纤维增强的水泥基复合材料，与典型的纤维增强混凝土（FRCs）不同，ECCs在拉伸作用下具有应变硬化行为，这直接是因为ECC的材料设计是基于微观力学的。ECC的拉伸应变容许值（拉伸延性）至少比普通混凝土高出100倍。与此同时，ECC的抗压强度又与高强混凝土的抗压强度相近（40-70MPa）。大多数的灾难性的结构破坏都与拉伸相关，因此，我们特别关注ECC的拉伸特性。ECC具有这么高的拉伸延展性，是由于在荷载作用下它会形成多条微裂纹（裂纹宽度，这使得材料在承受不断增大的拉伸应力时，逐渐地经受住控制破坏。这与混凝土和FRCs不同，混凝土和FRCs会在发生一小部分破坏后迅速失去拉伸承载力。通过抑制结构突然的破坏，ECC的破坏承载力可以大大减少结构破坏的数量，它的这种性能就是自感应结构材料所需要材料的性能。

ECC，与混凝土和其他水泥基材料类似，是一种压阻材料。ECC的电阻率从-Omega;- m。与半导体的电阻率相近。养护好的水泥基材料的微观结构包括微气孔，部分地方充满非结合水和溶解在水中的离子。在气孔水里溶解的离子在外部提供的电场下发生移动，从而产生电流。然而，在ECC中气孔与气孔之间的连通是受限制的，这就增加了电流流动轨迹的弯曲性。除此之外，ECC内有各种各样的不同相的微观结构，在各种不同相之间会产生很高的电阻。给ECC施加应变，导电的各个部分之间的空间位置会发生改变，从而导致ECC的电阻率发生改变，使得ECC这种材料具有压阻特性。与受压荷载相比，在给ECC施加应变时，ECC的电阻率的改变在拉伸作用下更剧烈，尤其是材料发生应变硬化时，所以ECC可以用来传感与结构破坏相关的拉伸应力。

在过去的30年里，全世界的研究者们已经研究了水泥基材料的压阻特性以及压阻特性在水泥浆水化，混凝土传导特性，以及无损检测（尤其是含碳纤维的混凝土）中的应用。在1980s，McCater和他的合作者们最先应用交流阻抗谱的方法来研究水泥复合材料的微观结构和水化作用。研究表明混凝土的压阻特性以及压阻性质的测量与混凝土的各种传导性质相关。自1990以来，粉煤灰掺合料出现之后，交流阻抗谱这项技术被用在大量的与混凝土耐久性以及水泥水化相关的研究之中。McCater,Mason,Reaudoin,Bentz和Garboczi以及他们的合作者们在这方面的研究中做出了开创性的贡献。应用含碳纤维或钢筋纤维以及其他导电填充物的混凝土的压阻特性来监测线弹性应变以及裂纹的开裂最近已经引起了研究者们的兴趣。在这个领域做出了重要贡献的有Chung,Beaudoin,Banthia,Han,Azhari以及他们的合作者。然而，他们做的这些研究中都没有研究应变硬化水泥基复合材料在直接拉伸荷载下非弹性的多个微裂纹对其复合电阻率的影响，而这一点对于发展结构自感应材料是必须的。

Hou和Lynch发表了ECC的拉伸压阻效应的试验研究。研究表明，由于多个微裂纹的形成，使得相对于弹性拉伸阶段而言，在应变硬化阶段ECC的电阻率大大的增加，ECC的评估因子GF(每单位应变的电阻率的相对改变量)在材料的应变硬化阶段比弹性阶段（开裂前）高出3-4倍。在他们的研究中DC和AC恒电流测量电阻率的方法都用到了，试验研究表明，在以后的研究中用频率至少为1000Hz的AC电流可以避免极化效应。Lin et al通过试验研究了在ECC 母体中加入碳黑可以减小ECC的电阻率，进而提高ECC的GF值，改善ECC的自感性能。之前提到的有关ECC的可行性研究中试验证实了ECC的压阻特性。然而，我们需要对ECC的复合电阻率背后的微观作用机制有更深入的研究。

这篇文章的首要目的就是通过试验分析和理论分析研究在拉伸荷载下ECC的非弹性的多个微裂纹对其复合电阻率的影响。为了达到这个目的，本文中研究了两种有着不同材料组成和开裂模式的ECCS，并且在宏观（复合的）和细观（单裂纹）上比较了它们的电—力特性。我们仔细观察了两种材料的裂纹宽度分布，并通过裂纹分布来量化其裂纹模式。用kirchhoff Voltage电路定律推导，我们提出了一个理论模型，连接宏观和细观，基于试验观测的单裂纹响应和裂纹模式，来预测两种ECC的复合电响应。把这个理论模型应用到所有的ECCs和其他应变硬化水泥基复合材料上，在这篇文章中研究的两种ECCs都通过试验证实了理论模型。在下面的文章中将呈现这些任务的细节。

非弹性的多条微裂纹，是拉伸作用下ECC获得破坏承载力的核心。在这篇文章中，随着材料的变形超出弹性极限，这些微裂纹是连接材料力学性能和电学性能的关键。过去的关于应用混凝土和碳纤维增强混凝土的压阻特性来监测破坏（防止结构破坏）的研究关注的是那些应变软化材料的线弹性行为，而本篇文章关注的是应变硬化ECC的非弹性行为，在不同非弹性拉伸应变下材料的GF值，并且利用这种材料减少结构破坏的数量。这篇文章的重要贡献还包括对单条微裂纹的电学行为的细观上的深入研究，以及理论分析细观行为与ECC复合电学行为的联系。在这篇文章中，搭建起来的细观和宏观之间的联系框架可以用在未来研究受裂纹模式影响的ECC的其他性能，例如材料自愈以及传导特性之中。除此之外，在这篇文章中建立了一种系统的数学统计方法来量化ECC的裂纹模式。综上所述，对于应用可承受破坏的应变硬化水泥基复合材料，比如ECC，作为自感可恢复结构材料是重要的一步。

1. 试验研究

2.1材料以及混合物比例

在这篇文章中我们研究了两种ECC，M45-ECC和HFA-ECC的电-力行为。Wang和Li第一次发表了关于M45-ECC的发展的研究。Yang et al.第一次发表了关于HFA-ECC的文章，HFA-ECC代表其中含有较高的粉煤灰，与M45-ECC相比，每单位体积的复合材料中，HFA-ECC含有更重的粉煤灰。在表格1中给出了这些ECCs的混合物的比例。在两种ECCs中都用到的的REC-15 PVA纤维的直径为39micro;m，长度为12mm，比重为1.3。这个纤维在破坏时的名义应力和延伸率分别为1600MPa和7%。作为一种聚合物材料，PVA纤维是不导电的。

两种ECC都是使用水泥（含水）作为首要的粘合剂，粉煤灰作为第二粘合剂与初步水化作用的副产物发生反应。在HFA-ECC中粉煤灰和水泥的比重为2.8，而M45-ECC为1.2。水/水泥基材料（水泥 粉煤灰）的比重（w/cm）在两种ECC中都是0.26 。未参与反应的粉煤灰颗粒作为ECC的填充物来增补原始骨料（平均直径为110micro;m的优良二氧化硅砂）。与混凝土不同，ECC不包含粗制的骨料，是为了增强纤维的分散性，并且限制母体的断裂韧度，以获得材料的拉伸延展性。在有关ECC设计的论文中可以找到更多关于ECC组分以及微观力学。设计基础的细节。

表格1 ECCs的混合物比例

• 1. 试样制备

在本文的试验探究中，每种ECC我们制备了9个矩形试样。把刚刚配制好的混合物倒进模具之中，在室内温度和湿度下（室温23plusmn;1，室内湿度205%）养护24小时。然后将试样脱模，在室温下储存28天，然后用于测试。

所有矩形试样的外部几何尺寸都是254mm7612.7mm（10in3in0.5in）。在图1(a)中给出了所制备的试样的其中一个试样。尺寸为51mm76mm（2in3in）的铝板用环氧树脂胶粘在各个试样的两端，尽可能减少由拉伸测试系统的装夹装置引起的应力集中。铜箔胶带，作为用于电测的电极，通过银导板粘贴在试样两端的铝板的边界向内12.7mm（0.5in）处。除此之外，在这些铜箔胶带向内12.7mm处划线标记，用于粘贴位移传感器LVDTs。每种ECC的9个试样中，有4个试样按照这种方式准备，用于在单轴拉伸试验下测量材料的复合特性。

每种ECC剩余的5个试样，在垂直于载荷轴线的中心线处刻痕，用于单裂纹测试，如图1(b)所示。这种试样的制备与Paegle和Fischer的文章中提到的类似。刻痕的宽度是600micro;m，在整个试样上连续分布，侧向长度是15mm，其他两边是2mm（如图1(c)）.由于刻痕处会产生用力集中，所以刻痕的存在就使得裂纹发生在刻痕所在的截面。并且实质上减小了的横截面面积可以确保在低于产生裂纹的应力水平值下，纤维连接性能得到充分发挥。与未被刻过的试样相似，粘贴铜电极用于测量刻痕处的电阻（如图1(b)）。

2.3试验过程

未被刻过的试样两端装夹固定布置，在直接单轴拉伸测试下，测量应力—应变、电阻率—应变以及裂纹模式等材料的复合特性。使用最大加载力为100KN的闭合回路测试系统，位移速率控制在0.5mm/min。由于现在没有在直接拉伸作用下测试水泥基复合材料的标准，所以位移速率是基于日本社会城市工程（JSCE）中介绍的测量高性能纤维增强水泥基复合材料（HPFRCCS）时用到的位移速率。两个超高精度的LVDTs(最大非线性为满量程的plusmn;0.25%)被安装在LVDT线标记处，与试样两端面平行。所有试样的工程拉伸应变用两个LVDT的平均拉伸量除以标准长度102mm（4in）（即两个LVDT标记线之间的距离）计算得到。

在本次试验中，用到了一台具体的电阻率测量仪（Giatec RCO—如图2所示），来测量两个粘在试样上的铜电极之间的电阻。在两个铜电极之间施加幅值为4micro;A,频率为1000Hz的恒定的AC电流，每隔5s测一次这两个铜电极间产生的电压（在两点安装探针）。两个铜电极之间的电阻通过电阻率测量仪得到的电压和电流之间的复杂的比例关系计算得到。由于测量得到的ECC的阻抗的相位角总是小于15，因此，电阻约等于阻抗（因为cos(15=0.97）。ECC随应变变化的电阻率，rho;(ε)，用公式（1）通过测量得到的电阻（R）计算得到。在公式（1）中，A表示试样的横截面面积（12.7mmtimes;76mm），L是两个铜电极之间的距离（127mm）。对于每个试样，从rho;(ε)中减去试样在0应变时的电阻率（）可以得到电阻率的变化量Delta;rho;(ε)。对于同一种ECC的不同试样都不同，所以Delta;rho;需要通过标准化，即计算电阻率的相对改变，Delta;rho;/，计算结果将在结果分析中给出。在本文中，由公式（2）确定的GF值可以用来描述ECC的压阻性能。

rho;= (1)

GF= （2）

在拉伸测试过程中，我们用一台高分辨率的数字照相机拍摄试样的高分辨率（0.1像素/micro;m）照片。这些照片通过NIH的图像处理软件进行数字处理，得到试样的裂纹模式（裂纹宽度分布和裂纹数量）随应变的变化。

测试被刻试样以确定单裂纹行为的过程与上述测试未被刻试样的过程相同。然而，铜电极以及LVDA粘贴的位置与未被刻试样不同（如图1所示）。在结果分析中我们给出被刻横截面某一个单元的裂纹处的电阻的改变量。

1. 试验结果与讨论

3.1复合行为

对两种ECC，试验观测得到的力学行为和电学行为随拉伸应变变化的曲线画在了图3中。在每个图中，实线代表试样的拉伸应力（sigma;），同种颜色的虚线代表同一试样的对应的电阻率的相对改变量（Delta;rho;/。从这些图中推导得到的两种ECC的所有试样的力学特性和电学特性总结在表格2中；表格中M1-4是M45-ECC的试样，H1-4是HFA-ECC的试样。

3.1.1力学行为

两种材料的应力-应变行为都是ECC的典型的力学行为。随着试样在直接拉伸作用下产生变形，试样的拉伸应力几乎是从0开始线性增加。同时，在材料的微观结构内，靠近之前存在缺陷的位置，比如气泡，以及其他微观不均质的地方会产生局部的应力集中。这导致ECC母体内的第一条裂纹开始产生，以及稳定的传播。我们把试样这一点的拉

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