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复合材料B部分134 (2018) 254-264
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复合材料B部分
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超高性能的机电自感应响应受拉维增凝土
世宗大学土木与环境工程系，韩国首尔05006，光州东路209号
韩国首尔05006路sejong大学建筑工程系
文章信息
文章历史:
2017年2月10日
收到修订后的表格
2017年9月26日
2017年9月26日
2017年9月28日上线
关键词:
智能材料
缺陷
电气性能
机械性能
摘要
摘要研究了超高效纤维混凝土(SH-SFRCs)在受拉状态下的机电自感应响应。以超高性能混凝土(UHPC)为基体，可显著提高SH-SFRCs的自感知能力。与SH-SERCs的低值(149.1 km -cm)相比，UHPC的高电阻显著增加了UHPFRCs在437.7 kQ-cm时的电阻率降低幅度。在第一个开裂点之前，UHPFRCs的规范系数最高(433)，而在应变硬化区域内，抗压砂浆基质为152 MPa的SH-SFRCs的规范系数最高(73.7)。一种预埋式铜丝网电极有效地降低了电极化。
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- 介绍
自20世纪90年代初以来，由于频繁报告的建筑物和民用基础设施的灾难性倒塌，人们对结构健康监测(SHM)系统产生了浓厚的兴趣[1,2]。目前，使用附加或嵌入式传感器的流行SHM系统大多表现出传感器成本高、耐久性低的局限性，以及传感能力和面积有限的[3]。为了克服附加式或嵌入式传感器的局限性，非接触式监测系统已经得到了广泛的应用，等等。[4]然而，这样的系统受到天气条件的显著影响，因此在地震、振动、阵风等条件下无法使用。此外，它们的测量灵敏度通常比嵌入式系统低得多。
为了克服以上局限性，各种与相关的电气电阻率与应变或应力感应的外部负载智能架构应运而生材料已开发[3,5,6]。
各种功能填料，如碳纤维、钢纤维、碳素，碳纳米管、碳黑、镍粉、石墨粉、和钢渣等已经利用增加电气的导电性以及 水泥基压电建筑材料(3 8 -11)。在这些功能性填充物中，碳酸材料已报告展示优秀的性能在检测损坏或变形在水泥基 以及环氧树脂或 [12-16]. 聚合物基复合材料中。碳纤维增强导电材料的电阻率混凝土(CFRCC)在单调和重复压缩作用下
参考文献[8]调查。近年来，碳纳米管的分布较为均匀使用覆膜砂可以成功地获得吗在混凝土[17]内涂有多壁碳纳米管。自感 智能建筑材料利用碳的能力纤维和碳纳米管得到了显著改善。然而,他们的传感能力仍局限于线性弹性范围而不影响开裂后的感应性能[18-22]。
与大多数基于水泥的智能建筑材料不同，钢纤维增强水泥基复合材料(SH SFRCs)在拉伸状态下的应变硬化最近被证明具有机电损伤感知能力，即使在第一次开裂[23]和[24]之后也是如此。在第一次开裂后的拉伸应变硬化过程中，SH-SFRCs的电阻率有明显的降低，如图1所示。随着多微裂纹数量的增加，电阻率在第一次开裂前略有降低，但在第一次开裂后显著降低，直至最后一个开裂点。
虽然损伤感知能力的可行性甚至以后开裂，超出了线弹性区域，refs发现了SH-SFRCs。需要进一步的调查提高 SH-SFRC的破坏感知能力为他们练习应用，这次研究中, 我们建议 超高性能混凝土 (UHPCs) 可以作为模型,和可以 应用这将最大限度地减少电的电阻率在拉伸应变强化 , 因为他们非常高的电导率。潜在的损伤感知能力超高性能纤维增强混凝土(UHPFRCs)此外，高机械阻力[25-27]，有望对于未来的SHM系统非常重要。
在这项研究中，我们的目标是进一步加强损伤感知利用含一个极低导电性的UHPC矩阵计算SH-SFRCs的容量极低的导电性。具体目标是研究什么影响矩阵的强度的机电响应在 SH-SFRCs 张力下的最大化破坏感知能力;2)调查环境影响;如温度、湿度、电阻率等SH-SFRCs极化;3)尽量减少电气时间UHPFRCs极化。
图1所示。SH-SFRCs在直接拉伸下的典型机电行为。
- SH-SFRCs在拉伸状态下的典型机电行为
Fig. 1 显示 了 典型 的 机电 SHSFRCs 直接 tension. 的 行为随着应变从0增加到1开裂点A，拉伸应力从0到rho;cc线性增大，而电阻率则从r0降至rcc。甚至虽然电阻在弹性内略有变化点A之前的极限不能与所应用的明确相关拉伸应力，超过A点的SF-SFRCs的电阻率显著降低，直到开裂点B，如图所示在图1中。电阻率从rho;cc到rho;pc,随着拉伸应变的增加从εcc到εpc,而拉伸应力从acc增加到apc。
电阻率的变化下SH-SFRC的张力靠Refs.提出的模型来解释[23],[24]。在此模型中, 如Fig. 2 所 示 , SHSFRCs的电阻与多个小裂纹由缝隙C部分和开裂的f部分组成，因为钢的导电性，纤维对裂缝部分F远远高于没裂缝的c根据不同的基体强度，SH钢纤维混凝土的电阻率和机电响应明显不同，如图6和图7所示，尽管所有SH钢纤维混凝土，无论基体强度如何，均产生了拉伸应变硬化响应，并伴有多个微裂纹。图6为不同基质和温度下SH-SFRCS的电阻率和极化率，图6为不同基质和温度下SH-SFRCS的电阻率和极化率。显示SH-SFRCs在拉伸状态下的机电响应。部分, 减少的电阻 (DR) 即可由式(1)计算。
其中，ncr为多个微裂纹的等效数量;Ldebond是张拉过程中纤维的脱粘长度;交流是复合材料的横截面积;钢筋混凝土复合材料的电阻率;pf是纤维材料-的电阻率;其中，Vf为纤维体积含量。
若在规范长度范围内出现裂纹，则DR值会增加，复合材料的电阻率(rc)也随之增大高。复合材料的电阻率是电阻的函数矩阵(rm)和光纤(rf)的电阻率，以及光纤的电阻率他们的体积的内容。然而r, rc 强烈 受到纤维和纤维与 [28,29] 纤维和模型的联系。
3.试验方案
实验目的是研究模型的影响强度 或构成) SH-SFRC的电力学行为的表现见图3所示。在实验中，1伏特%长(30毫米)和1伏特%(19mm)的金属纤维将两种不同长度的光滑金属纤维混合在一起基质(M1和M2，抗压强度为152和180兆帕)，如图3所示。的电阻率在三个不同的标本测量室温度 (15, 25和35摄氏度)预埋铜带(ECT)， 3)预埋钢丝网孔(ESW)， 4)预埋铜线网孔a (ECWa)， 5)b型预埋铜线网(ECWb)，如图4所示。
3.1 材料及标本制备
两种砂浆的组成和抗压强度模型(M1和M2)见表1，材料金属纤维的性能如表2所示。所有砂浆基质中含有直径为单个颗粒的硅砂范围从0.1毫米到0.3毫米，平均晶粒直径0.22毫米。研究了两种聚羧酸酯醚型高效减水剂如表1所示:A型含25%，而B型含25%含30%固体含量。哑铃型直接拉伸如图4所示，我们准备了标本来研究SH-SFRCs在拉伸状态下的机电行为。两层对试件两端的钢丝网进行了补强如图4所示。
使用的是霍巴特式实验室混合器，容量为20升对混合砂浆。M2模型(UHPC)的混合是根据refs使用的程序执行。[25]和[27]。混合的 M1 模型, 首先是干拌2 分钟;然后用水预先混合上高效减水剂，加入中等长度的纤维，搅拌2-3分钟，先加入砂浆基质的和易性适合均匀分布的纤维为长纤维，需手工添加。
砂浆和纤维的混合物是在模子里浇铸的钢丝网用于加强以及嵌入电极如图4所示。附铜带之标本电极，没有额外的金属丝网类型的电极被嵌入。浇铸后，所有试件均用塑料布覆盖并在室温下放置在实验室 (25 摄氏度) 和拆除前1-2天的相对湿度为60%。脱模后，m1系列模型置于24度水中，并且在室温为25度和湿度为60%室内摆放。
图2所示。描述多微裂纹SH-SFRCs电阻率降低的模型
图3 实验计划
A 附加铜带 （act系列）
B 嵌入式铜带（etc系列）
C 预埋钢丝网或铜丝网（ESW,ECWa，ECWb系列）
表1
按重量比和抗压强度计算基质混合物的组成。
a类型a 高效减水剂含25%固体含量
b类型b 高效减水剂含30%固体含量
3.2 测试装置及程序
对于电阻率和极化的测量，标本置于恒温室中(即 15 ,25 或 35摄氏度)和60%的相对湿度。电用万用表测量了试件的电阻率。(Fluke 8846A，美国Fluke公司)
研究了SH-SFRCs在拉伸状态下的机电行为使用图5所示的设置进行研究采用1.0 mm/的万能试验机(UTM)张紧分钟机器位移。用a测量响应数据频率为1hz。施加的载荷是从一个载荷测量出来的电池容量为5吨，伸长率为两线性变差变压器(LVDTs)，如图所示在图5中。在拉紧试样之前，测量电阻率是否已稳定至少20分钟以使电流最小化极化对测量响应的影响。在拉伸试验中，实验室的温度和湿度分别为31.95 plusmn; 1.05 C 和 61 plusmn; 8% , 分别地.直接拉伸后试验中，等效多条微裂纹标本被测量的长度计算所有的微小裂缝 使用游标卡尺测量并记录数据宽度(50毫米)。
图 5 实验设备
4.实验结果
根据不同的基体强度，SH钢纤维混凝土的电阻率和机电响应明显不同，如图6和图7所示，尽管所有SH钢纤维混凝土，无论基体强度如何，均产生了拉伸应变硬化响应，并伴有多个微裂纹。图6为不同基质和温度下SH-SFRCS的电阻率和极化率，图6为不同基质和温度下SH-SFRCS的电阻率和极化率。显示SH-SFRCs在拉伸状态下的机电响应。
电阻率的计算公式如下:(2)电阻率(p)是一种材料性质，而电阻率(R)则受截面面积和电极间距离的影响。
其中p为电阻率(kQ-cm);A为试件的横截面积(cm2);L是两个内电极之间的距离(cm)。
4.1 SH-SFRC的电阻系数
图6为不同基质和温度下SH-SFRCs在无拉伸状态下2h的电阻率变化。表3总结了初始电阻率(pi)，恒定温度和湿度下，分别在30、60和120分钟(po 3o、po. 60和po.120)后的电阻率。pi和pi120的区别见表3.
电极化取决于不同的基质和温度，尽管所有的标本都显示出增长在测量的2小时内的电阻率。首先,强度模型越高的试样，其强度越高电阻率和极化率较低强度模型。
4.2 SH-SFRCs在拉伸状态下的机电行为
图6所示 SH-SFRCs的电极化
图7所示 SH-SFRCs在拉伸状态下的机电响应。
表3
SHSFRC的电极化强度和温度强度模型
强度模型越高的SH-SFRCs, Opc值越大，4p值越大，如图7所示:Opc分别为12.4和15.1 MPa, 4p分别为149.1和437.7 kQ。分别为M1和M2系列的cm。具有较高基体强度的SH-SFRCs的epc和ncr值也高于基体强度较低的SH-SFRCs: epc为1.01和1.13%，而M1和M2系列的ncr分别为6.5和15.7。
此外，从A点到B点(4p2)的应变硬化过程中，电阻率的降低幅度普遍高于从0点到A点(4p)的应变硬化过程:4p2为137.9 kQ-cm, 227.5 kQ-cm，而M1系列和M2系列的应变硬化过程中，4p1为11.3 kQ-cm, 210.2 kQ-cm。较高的4p是由多重微裂纹引起的。在点A之前，纤维与基体之间的界面只有轻微的界面裂纹或损伤，而在应变硬化过程中，可以观察到多个微裂纹，如图8所示。
4.3 电极化时间
图9显示了在恒定温度(15、25或35 C)和相对湿度(60%)下，SH-SFRCs在腔体中稳定电阻率所需的电极化时间(最小需要时间)。在2 h电极化评价过程中，电极化时间确定为电阻率斜率收敛到0的评价时间。
- 更高的SH-SFRCs矩阵强度通常显示一个相对长时间电极化不管温度:在温度25摄氏度,平均极化时间是98.4和120分钟SH-SFRCs M1和M2矩阵,分别,而样本的温度35度分别为91.2和120分钟。
- 随着温度的升高，极化时间明显缩短，如图9所示。当温度从15℃提高到35℃时，M1基质样品的电极化时间从107.0明显降低到91.2 min(降低15%)。然而，由于具有较长的极化时间要求，很难估算温度对具有M2基体的SH型SFRCs极化时间的影响。
-
不同电极对25℃、60%相对湿度下极化时间的影响如图10所示。在各种类型的电极中，ECWa的电极化时间最短(98.2 min)，而ACT的极化时间最长，使用M2矩阵的系列产品的极化时间超过2小时。综述了不同电极对pi、po120、p和p的影响。表5所示。p的值;以M2为基质的SH-SFRCs分别测定了389.1、376.7、270.0、651.0和395.3 kQ-cm, 4po分别测定了927.0、598.8、501.8、1012.8和745.9 k2-cm cor对不同电极(ACT、ECT、ESW、ECWa
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