鋼/銅纖維混凝土電介質(zhì)特性的研究

[關(guān)鍵詞] 智能混凝土；電介質(zhì)；極化

1　引　言

在實際設(shè)計中，為了保證建筑結(jié)構(gòu)的可靠性，設(shè)計方案通常是建立在大大超過基本安全設(shè)計要求的基礎(chǔ)之上。即便如此，某些設(shè)計或人為因素造成的建筑失效仍屢屢出現(xiàn)。人們用光纖、壓電陶瓷等功能材料作為傳感器對建筑結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀況進(jìn)行實時在線健康監(jiān)測。然而這些傳感器件的傳感信號意義不易確定，設(shè)備環(huán)境要求高、安裝復(fù)雜、價格昂貴等問題，限制了這一技術(shù)的廣泛應(yīng)用。發(fā)展一種能準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)性能狀況，實時在線監(jiān)控其健康狀況且成本較低廉，應(yīng)用簡便的建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)狀況傳感系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。研究發(fā)現(xiàn)，混凝土具有電、磁、熱、力耦合特性，其自身的電、磁信號的輸出變化能夠反映其溫度和受力狀態(tài)的變化。但普通混凝土的這一特性較弱，人們通常要用一些方法以增強(qiáng)其耦合特性。我們把具有較強(qiáng)的電、磁、熱、力耦合特性，并能夠明顯反映出溫度、受力等狀態(tài)變化的混凝土材料或結(jié)構(gòu)稱為智能混凝土。

2　已有研究狀況

1991年，Banthia等^[3]研究了不同碳纖維和鋼纖維增強(qiáng)水泥的電阻率特性，發(fā)現(xiàn)纖維能有效地增強(qiáng)混凝土的導(dǎo)電性。他們認(rèn)為，其導(dǎo)電的原因是由于纖維之間連接成了一個連通的網(wǎng)絡(luò)。張躍等^{[4 ]}也于1992年發(fā)現(xiàn)，在混凝土中加入少量的短切碳纖維就能大大降低混凝土的電阻率。他們認(rèn)為，這一現(xiàn)象可能是由智能混凝土中的電子通過分散在基體中的導(dǎo)電材料形成網(wǎng)絡(luò)，并通過隧道效應(yīng)連通網(wǎng)絡(luò)的絕緣間隔進(jìn)行傳導(dǎo)引起的。從1993年起，Chung等^[5-6]研究了碳纖維與鋼纖維混凝土的電阻率變化與加載的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二者成一定的近似比例關(guān)系，同時電阻率變化的部分不可逆性表明電阻率變化能夠反映材料結(jié)構(gòu)的損傷。他們認(rèn)為電阻率隨加載變化的原因僅僅是由于纖維與混凝土的接觸電阻增加(壓入)和減少(拉出)引起的。

毛起等人^[7]也研究了智能混凝土的壓阻特性。他們引用張躍等^[4]的解釋，并認(rèn)為受壓時混凝土中的缺陷閉合，電子更易通過勢壘阻礙；壓力增大后，既有老裂紋閉合，又有新裂紋產(chǎn)生，在壓力一定范圍內(nèi)變化不大，處于平衡狀態(tài)；壓力達(dá)到一定值后，新裂紋貫通擴(kuò)展，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)破壞，電阻迅速增大。

最近，Mingqing Sun^[8]等人發(fā)現(xiàn)，混凝土同時也具有壓電性，當(dāng)對混凝土加4kN/s的力時，混凝土?xí)a(chǎn)生幾個毫伏的電壓，并且素混凝土的壓電性優(yōu)于含導(dǎo)電纖維的混凝土。他們認(rèn)為這一現(xiàn)象可用固液界面雙層模型解釋:混凝土的孔洞中含有導(dǎo)電的電解液，電解液與固體形成固液雙層界面；一些電荷吸附在液體界面上，而相反的電荷吸附在固體界面上，故而造成了混凝土的壓電性。

與此同時，智能混凝土在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也正被廣泛探索，如電阻率隨溫度變化、電磁屏蔽、電加熱性能、溫差產(chǎn)生電壓等。

3　研究進(jìn)展

前述研究只是在實驗基礎(chǔ)上獲得的感性認(rèn)識，它們并不能從理論上真正認(rèn)識智能混凝土外部熱力學(xué)表象的內(nèi)部機(jī)理。作者用鋼纖維和銅纖維智能混凝土作了電阻率、電壓與拉伸、壓縮加載關(guān)系的初步試驗發(fā)現(xiàn)：

(1)在剛加上低壓直流電壓時，智能混凝土的電阻率很快達(dá)到一較小值，然后逐漸增大，同時增幅逐漸減小，過了很長一段時間(約兩個小時)智能混凝土的電阻率才穩(wěn)定下來；而加高壓直流電壓時，電阻率很快達(dá)到與加低壓直流電壓最初時相同的電壓值，且不會變化；

(2)電阻率值與智能混凝土的尺寸、纖維的多少不成正比關(guān)系，分散性很大；

(3)鋼纖維智能混凝土的電阻率變化不受拉伸加載的影響，但與壓縮加載的壓力成比例；

(4)銅纖維智能混凝土的電阻率變化與加載成近似比例關(guān)系；

(5)材料損傷后，智能混凝土的電阻率不再變化；

(6)混凝土自身由于自極化，即使未受外作用也會產(chǎn)生幾十毫伏可測量的電壓，且電極反向后電壓也相應(yīng)變?yōu)樨?fù)值；

(7)智能混凝土加載后會產(chǎn)生電壓變化，并且電壓變化與壓力變化成一定比例關(guān)系。

到目前為止，沒有見到關(guān)于上述(1)、(2)、(6)三點的研究報道。

我們發(fā)現(xiàn)，智能混凝土的這些性質(zhì)是一種典型的電介質(zhì)性質(zhì)，普通混凝土的電阻率很大，加導(dǎo)電雜質(zhì)后，其電阻率產(chǎn)生了幾個數(shù)量級的變化；智能混凝土最初的電阻率是由絕緣層電容充電產(chǎn)生的，電容放電一段時間后某個時間表現(xiàn)出的電阻率是材料結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)電阻率。這一電導(dǎo)主要由導(dǎo)電雜質(zhì)及表面濕度引起，材料結(jié)構(gòu)由于極化而產(chǎn)生的感應(yīng)電阻率在這一階段相對較小而不明顯；電容放電完畢并且混凝土極化完成后表現(xiàn)出的電阻率是材料的感應(yīng)電阻率與電導(dǎo)電阻率之和(圖1)。

多且距離較近的預(yù)應(yīng)力主、次梁，各梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋張拉后對樓板產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力已經(jīng)能夠控制樓板的收縮變形裂縫，因此，新航站樓的樓板內(nèi)沿縱向沒有配置通長直線的抗裂無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋。新航站樓的橫向(短向)各框架梁距離為15m，各梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋張拉后對樓板產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力尚不能有效控制樓板的收縮變形裂縫，故新航站樓的樓板內(nèi)沿橫向配置了分布的通長直線的抗裂無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋。

4　小　結(jié)

在混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)件內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力能夠有效地控制變形和裂縫，但預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件在建筑整體結(jié)構(gòu)中不能獨立存在，因此，設(shè)計預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件時，除分析計算配筋外，尚需進(jìn)行大量的節(jié)點設(shè)計和構(gòu)造設(shè)計。當(dāng)建筑整體結(jié)構(gòu)為非常規(guī)結(jié)構(gòu)時，為實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計目的，節(jié)點設(shè)計和構(gòu)造設(shè)計尤為重要。本文以濟(jì)南遙墻機(jī)場新航站樓為例，分析介紹了超大平面、大跨度、圓柱框架結(jié)構(gòu)大型公共建筑預(yù)應(yīng)力樓蓋的構(gòu)造設(shè)計特點，包括:預(yù)應(yīng)力筋張拉長度、分段位置和張拉端及錨固端構(gòu)造設(shè)計；預(yù)應(yīng)力損失最大部位的構(gòu)件抗裂構(gòu)造設(shè)計；梁、柱節(jié)點布筋方式構(gòu)造設(shè)計；集中荷載作用點抗彎剪構(gòu)造設(shè)計；超長樓板的抗裂構(gòu)造設(shè)計。這些設(shè)計方法僅是針對具體工程的具體方法，但可以提供給其它類似工程作為參考。

[參考文獻(xiàn)]

[ 1 ]GB50204- 92，混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范[S].

[ 2 ]JGJ/T92-93，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].