吴文鑫1,康志斌1,王 洁1,张 勇2,刘 琼1
前言
智能混凝土的研究始于20世纪60年代,国外有学者将炭黑掺入混凝土中使其具有导电性,Chung[1]提出在混凝土中掺加碳纤维,形成具有自感知功能的智能混凝土,能感知混凝土的变形。往混凝土里添加导电材料往往也包括金属粉末、金属纤维、碳纳米管、石墨烯等[2-4]。由于智能混凝土能感知其变形特征,所以可以将之应用于混凝土结构受力或应变监测[5]、混凝土道路交通流量监控[6]等方面。
石墨烯是碳原子单层排列的蜂窝状晶格结构,2004年由两名英国科学家首次发现其可以稳定存在,2010年两位就此发现获得诺贝尔物理学奖[7-8]。单层石墨烯仅有一个碳原子的厚度,是已知材料中最薄的,然而其强度达到钢材的100倍,杨氏模量也是钢材的20倍,约为1100GPa,而且其层内导电率也是目前已知材料中最好的[9]。
将石墨烯掺到水泥基复合材料,能使其具有压敏性能,而且灵敏度较高[10]。Sedaghat等[11]发现混凝土的导电率随石墨烯掺量的增加而下降。Saafi等[12]的研究也发现,当石墨烯混凝土承受压力荷载时,其沿压力作用方向的电阻率随压力的增加而逐渐降低,而当试件承受拉力时,其沿拉力方向的电阻率随拉力的增加而逐渐增加。
在对智能混凝土的压敏性能进行研究时,大多聚焦在沿受力方向的压敏响应,对于正交于受力方向的压敏性能研究较少。而对于利用石墨烯作为导电填料制备的智能混凝土在正交于受力方向的压敏响应,目前尚未见到相关报导。本文制备石墨烯导电混凝土,在研究沿受力方向的压敏响应的同时,也研究正交于和斜交于受力方向的压敏响应,全面的掌握石墨烯智能混凝土的压敏响应特征,为更加准确和广泛的应用石墨烯智能混凝土奠定基础。
吴文鑫,康志斌,王洁,等.石墨烯智能混凝土在正交和斜交于受力方向的压敏响应[J].混凝土与水泥制品,2018(5):15-18.
WU W X,KANG Z B,WANG J,et al.Experimental Study on the Piezoresistive Reaction of Graphene Smart Concrete along Transverse and Diagonal Directions of Loading[J].China Concrete and Cement Products,2018(5):15-18.
石墨烯智能混凝土在正交和斜交于受力方向的压敏响应
吴文鑫1,康志斌1,王 洁1,张 勇2,刘 琼1
前言
智能混凝土的研究始于20世纪60年代,国外有学者将炭黑掺入混凝土中使其具有导电性,Chung[1]提出在混凝土中掺加碳纤维,形成具有自感知功能的智能混凝土,能感知混凝土的变形。往混凝土里添加导电材料往往也包括金属粉末、金属纤维、碳纳米管、石墨烯等[2-4]。由于智能混凝土能感知其变形特征,所以可以将之应用于混凝土结构受力或应变监测[5]、混凝土道路交通流量监控[6]等方面。
石墨烯是碳原子单层排列的蜂窝状晶格结构,2004年由两名英国科学家首次发现其可以稳定存在,2010年两位就此发现获得诺贝尔物理学奖[7-8]。单层石墨烯仅有一个碳原子的厚度,是已知材料中最薄的,然而其强度达到钢材的100倍,杨氏模量也是钢材的20倍,约为1100GPa,而且其层内导电率也是目前已知材料中最好的[9]。
将石墨烯掺到水泥基复合材料,能使其具有压敏性能,而且灵敏度较高[10]。Sedaghat等[11]发现混凝土的导电率随石墨烯掺量的增加而下降。Saafi等[12]的研究也发现,当石墨烯混凝土承受压力荷载时,其沿压力作用方向的电阻率随压力的增加而逐渐降低,而当试件承受拉力时,其沿拉力方向的电阻率随拉力的增加而逐渐增加。
在对智能混凝土的压敏性能进行研究时,大多聚焦在沿受力方向的压敏响应,对于正交于受力方向的压敏性能研究较少。而对于利用石墨烯作为导电填料制备的智能混凝土在正交于受力方向的压敏响应,目前尚未见到相关报导。本文制备石墨烯导电混凝土,在研究沿受力方向的压敏响应的同时,也研究正交于和斜交于受力方向的压敏响应,全面的掌握石墨烯智能混凝土的压敏响应特征,为更加准确和广泛的应用石墨烯智能混凝土奠定基础。
吴文鑫,康志斌,王洁,等.石墨烯智能混凝土在正交和斜交于受力方向的压敏响应[J].混凝土与水泥制品,2018(5):15-18.
WU W X,KANG Z B,WANG J,et al.Experimental Study on the Piezoresistive Reaction of Graphene Smart Concrete along Transverse and Diagonal Directions of Loading[J].China Concrete and Cement Products,2018(5):15-18.
摘 要:利用石墨烯智能混凝土棱柱体试块,在其中埋置电极形成沿受力方向、正交于受力方向和斜交于受力方向的电极对,在施加弹性阶段的循环荷载情况下,测试其不同方向的电阻变化趋势,对照该方向的应变变化规律,总结石墨烯智能混凝土在不同方向上的压敏响应特征。结果表明,沿受力方向、正交方向和斜交方向的电阻变化规律相似,都随压力的增加而减小,随压力的释放而增加,电阻变化率都在8%左右,这说明它们主要受体积变化的控制,然而,正交于受压方向的压敏性能也受泊松比的影响,使其电阻变化幅度变小,为7.16%。用体积变化率和应变率共同构建的压敏特征模型方程能统一描述三个方向的电阻变化率。
Abstract: Some prism specimens made of graphene smart concrete were casted, in which electrodes were imbedded to constitute three electrode pairs along forcing, transverse and diagonal directions. And then, the resistance and strain along different directions were monitored during loading a cyclic load within elastic regime on the specimens to summarize the piezoresistive characteristics along those directions. The results show that the resistance changing trends on three directions are similar, that is, they all decrease as pressure rising and increase as releasing the pressure. Additionally, the resistance changing amplitudes are all around 8%, which illustrates that their piezoresistance are controlled mainly by volume change. However, the piezoresistance on transverse forcing direction shows small amplitude, which is 7.16%, as to forcing direction due to the tensile strain generated by Poisson’s ratio. The piezoresistance model function built with volume change ratio and strain ratio can unifiedly describe the resistance changes of three directions.
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