碳纤维水泥净浆试块的压阻特性及影响因素分析

图3-7（a）、（b）、（c）、（d）、（e）分别为碳纤维掺量是水泥重量的0.2%、0.6%、1.0%、1.2%和2.0%时，内掺CCCW材料的碳纤维水泥净浆试块在5次循环加载下的电阻变化情况。加载的最大压应力为12.5MPa，低于试块所能承受最大应力值的30%，加卸载速率控制为0.42 MPa/s。（图3-7中粗点线代表压应力σ，细实线代表电阻变化率）

图3-7　不同碳纤维掺量下碳纤维水泥净浆试块压阻曲线

从图3-7（a）中可以看出，随应力的变化，电阻变化率在5个循环中变化并无规律。由于碳纤维掺量很少，其导电主要取决于连通孔隙中的离子运动，极化效应明显，离子导电占主导地位，因此电阻值不稳定；另外碳纤维掺量很少，导致其间距较大，电子不能穿越其间势垒进行电荷传导，因此表现出无压阻规律。

从图3-7（b）中可以看出，压阻曲线比较粗糙，压阻性能差，后四个循环与应力之间存在较好的对应关系：加载时随应力的增大单调减小；卸载时则相反。这是由于加载时，试块内部变得愈加紧密，使得彼此相邻的碳纤维增加了相互接触的机会，同时使得碳纤维在受力方向排列易于定向性，形成新的导电网络，导致减小；而卸载时，试块恢复变形，原有的裂纹张开，导电网络被破坏，因而增大。

从图3-7（c）中可以看出，压阻曲线比较光滑，在每个循环中，和应力都有着较好的对应关系。最初加载时较小，且每个循环起始随着循环次数的增多而增大，但增加的幅度逐渐减小，压阻性能一般。每个循环中，卸载后的值均高于加载时的值，这是由于在压应力作用下试块内部不断发生损伤产生大量微裂纹，而微裂纹的扩展导致逐渐增大。

从图3-7（d）中可以看出，压阻曲线非常光滑，压阻性能最好，和应力存在一一对应关系。五个循环过程中基本可逆，这是因为试块处在弹性变形内，没有出现新的裂纹，仅是原有裂纹的张开与闭合，因而5个循环过程中的最大值和最小值基本保持不变；每个循环结束后，基本恢复到零值，这是因为处于弹性变形阶段的试块在小应力作用下，导电网络的破坏与重组基本处于一种动态平衡中。(www.xing528.com)

从图3-7（e）中可以看出，压阻曲线相对粗糙，呈现‘锯齿’状，与应力之间也有较好的对应关系，此时试块的导电性比较稳定且重复性能好。每次循环结束时，不能恢复到零值，而是产生一残余值。这是由于在应力的作用下，碳纤维和混凝土之间的界面出现微小的损伤所致。另外压应力下试块内部原有的缺陷、孔隙和微裂缝基本被压实，试块发生了不可逆变形，也是产生残余值的一个原因。的初始值较大，这可能由于加载前存在接触电阻或者试样内部有明显缺陷所致。

出现以上特征是与碳纤维水泥基复合材料压敏性机理分不开的。目前对此方面的解释有2种：（1）国外学者认为碳纤维水泥基复合材料在加载、卸载过程中碳纤维会从水泥基体中被挤入和拔出，从而导致碳纤维与水泥基体间接触电阻减小和增大，表现出试样电阻的相应减小和增大。同时由于碳纤维的挤入和拔出在卸载后不可能恢复到加载前状态，电阻率的相对变化会出现一定程度的增减。（2）国内学者倾向于量子力学中描述粒子运动的隧道效应来解释压敏性，认为受到压应力作用时碳纤维水泥基材间隔变薄，纤维间绝缘势垒相对减小，隧道电流增加，试样电阻相应减小而卸载时情况正好相反。本试验结果与上述结论基本一致，即加载时随压应力的增大，电阻总体呈下降趋势卸载时随压应力的减小，电阻保持上升。对于含碳纤维的水泥基材料，导电相主要是碳纤维和水泥石孔隙中的碱性溶液组成，电阻率较小，而且由于纤维的阻裂和增韧作用，基体中的微裂纹数量大幅下降。在材料的弹性变形阶段，材料内部的碳纤维也产生弹性应变，使得材料的电阻变化率与内部所受应力呈线性关系。

事实上，影响碳纤维水泥净浆试块压阻特性的因素很多，主要包括碳纤维的性质及其在水泥基体中的分散性、碳纤维水泥净浆试块的制备工艺、水泥基体的性质和微观组织结构等。下面仅就CCCW材料的加入和使用浓硝酸浸泡处理的碳纤维对碳纤维水泥净浆试块压阻特性的影响做出简要分析。

（1）CCCW材料的加入对碳纤维水泥净浆试块压阻特性的影响

加入CCCW材料的水泥基体的性质和显微结构对复合材料导电性的影响与孔结构的减少有关。使得水泥基体中的内部孔隙被填充起来，自由离子的迁移空间减小，离子运动受到束缚，致使试块的导电能力减弱，从而使极化效应减弱，碳纤维水泥净浆试块电阻的稳定性得到了提高；同时内含活性化学物质的CCCW材料在潮湿环境下可以修复试块表面及内部微裂纹，提高了试块的密实度，使得水泥基体与碳纤维的黏结更好，利于试块压阻特性的稳定性。

（2）使用浓硝酸浸泡处理的碳纤维对碳纤维水泥净浆试块压阻特性的影响

对碳纤维表面进行氧化处理可以改善碳纤维表面疏水性，提高碳纤维对水的浸润性。由于碳纤维表面有一层胶料，因此碳纤维在水中呈现表面疏水性。采用浓硝酸浸泡2h处理碳纤维可有效改善碳纤维的性质。碳纤维表面主要含有碳、氧两种元素，经浓硝酸处理后，其表面含氧量远远高于处理前，而碳含量大大降低。这主要是由于浓硝酸的强氧化性造成的，碳纤维经浓硝酸处理后，有一部分的羟基官能团被氧化了，羧基和羰基官能团的数量大大提高，使得碳纤维表面活性基团的数目增多，提高了碳纤维的分散性，而碳纤维分散性的提高有利于碳纤维水泥净浆试块电阻的稳定性。此外，经浓硝酸处理后的碳纤维表面出现纵向的沟、槽，这就增大了碳纤维的表面积，表面积的增加能提高碳纤维界面的性能，同时这些纵向分布的沟、槽还加强了与水泥基体之间的相互作用。因此，使用表面氧化处理过的碳纤维水泥净浆试样，碳纤维界面的性能得到很大的提高，随着循环荷载的继续，碳纤维和混凝土的界面仍能保持很好的粘接，导致电阻率在每个循环的最大值和最小值基本不变，从而也可提高碳纤维水泥净浆试块的压阻性。

由上述讨论可知，添加含活性化学物质的CCCW外加剂、使用合适掺量的浓硝酸浸泡2h的碳纤维，可以较好地获得电阻性能及压敏性能稳定的碳纤维水泥基复合材料。碳纤维水泥基材料的电阻变化与所受荷载呈良好的线性关系，其机敏特性反应了材料内部损伤状况丰富的信息。根据此特性可以及时预报水泥基材料内部潜在的损伤隐患，有效地防止脆性破坏。