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文献精读 Cement Concrete Com. ：定向不锈钢纤维增强活性粉末混凝土的自感知及力学性能研究  背景介绍 多功能水泥基材料可以实现如自感应、阴极保护、除冰、电磁干扰屏蔽等功能。其中，有关自感知特性的研究最为广泛。自感知特性通过智能材料的固有电阻对应变、应力、裂纹、损伤、位移和温度实现感知。功能水泥基材料通常通过将碳和金属填料混合到水泥基体中来实现。含有这些导电填料的水泥基质可以通过其电阻的变化来感知外部变化。对于功能填料（例如碳填料），性能改善的主要问题是与水泥基体的相容性和分散性能差。当碳填料的用量与钢纤维的用量相同时，水泥基材料由于脆性而表现出较低的力学强度和弯曲韧性。此外，与碳纤维相比，不锈钢纤维（SSF）具有优异的分散能力、韧性和与混凝土基体的界面粘结强度。同时，不锈钢纤维水泥基材料具有优良的耐腐蚀性能，可在沿海或深海等极端环境中用作耐腐蚀功能混凝土材料。随着高强结构的快速发展，对新型高机械强度功能性水泥基混凝土材料的需求也越来越高。目前，活性粉末混凝土（RPC），也称超高性能混凝土，已广泛应用于高强混凝土结构、海上施工平台和特殊用途的混凝土工程中。在RPC中添加导电填料时，可以发挥许多功能，如自感应、电磁干扰屏蔽、除冰和电加热。 研究出发点 在传统的制备方法中，导电纤维（如不锈钢纤维）随机分散在活性粉末混凝土（RPC）中。然而，这可能会抑制RPC的优点。尽管一些研究表明，定向分布的纤维可以提高混凝土的力学强度，但很少有研究报道定向不锈钢纤维增强RPC的功能特性。 全文速览 宁波大学Hui Wang课题组研究了不锈钢纤维（SSF）的长径比和取向对活性粉末混凝土（RPC）导电性能、力学性能和自感知性能的影响。作为比较，还测试了随机分布SSF的RPC的性能，揭示了其力学性能和自感知性能的增强机理。本研究开发了一种新型的可用于极端腐蚀环境的高强度等级功能混凝土。相关论文以“Research on the self-sensing and mechanical properties of aligned stainless steel fiber-reinforced reactive powder concrete”为题，于2021年发表在《Cement and Concrete Composites》上。 图文解析 （1）电阻和超声波速度 大多数导电填料复合材料都存在渗流阈值。当导电填料的含量达到该值时，由于导电网络已经形成，随着导电填料的加入，复合材料的导电性变化不大。图1显示了电阻（R）随SSFs-RPC中SSF含量的变化。当SSFs的长径比为30和60时，SSFs-RPC的电阻随着SSFs含量从0.05%增加到0.4%而显著降低。因此，0.4%是该材料的渗流阈值。图2显示了不锈钢纤维（SSF）活性粉末混凝土的超声波速度（v）和电阻（R）的关系。所有组的超声波速度和电阻都随着养护时间的延长而增加。这可以归因于水泥的水化作用，使混凝土更加密实，从而使通过RPC的超声波速度增加。此外，RPC中的自由水随着水化过程而减少，这导致导电性降低。SSF含量的增加、纤维取向分布和较高的长径比对SSFs-RPC的超声波速度起到了积极的作用，这可能是由于SSF的添加有效地抑制和桥接了RPC中的裂缝，并阻止了其扩展。同时，高长径比的SSF改善了SSF的分散性。因此，SSF含量的增加、取向分布和大长径比导致了压实度和力学性能的提高，从而提高了超声波速度。 对于相同含量的SSF，高长径比的SSF存在更多的纤维，这可以减小势垒宽度，进一步改善SSFs-RPC的电子传导。新拌RPC中的SSF承受新拌RPC产生的浮力、剪切应力以及自身产生的重力。SSF的剪切应力方向与纤维运动方向相反。由于SSF的平均密度较高，SSF可能在固化前沉入底部。长径比越低，SSF下沉到底部的次数越多。所以，高长径比（150）的SSF在RPC中分散更均匀。长径比为30和60的SSF沉淀到样品底部，导致SSF之间的距离增加。这可能会降低SSF的导电增强效率。如图7所示，具有均匀SSF的试样显示出更多的导电路径。定向的SSF缩短了SSFs-RPC的导电路径并提供了更多的导电路径，因此具有定向SSF的SSFs-RPC比具有随机SSF的SSFs-RPC显示出更低的电阻。定向的SSF可能会产生更多的孔隙，这可能会对，SSFs-RPC的导电性产生衰减效应。因此，当SSF含量从0.05%增加到0.2%时，SSF定向的改善作用小于衰减效应，与随机SSF相比，定向SSF的导电增强效果降低。同时，随着SSs含量从0.2%增加到1.2%，SSF定向的改善作用高于衰减效果。因此，定向SSF的加入可以进一步提高导电性。然而，在SSF的长径比为150时，与随机SSF相比，具有定向SSF的RPC在导电方面表现出显著的改善作用。  图1 SSF体积含量与电阻的函数  图2 SSFs-RPC的超声波速度和电阻 （2）力学性能 如图3所示，随着SSF含量从0%增加到0.05%，SSFs-RPC的抗折强度呈现增长趋势。然而，随着SSF含量从0.05%增加到0.2%，SSFs-RPC的抗折强度呈现下降趋势。此外，当SSF长径比为60时，随着SSFs含量从0.05%增加到1.2%，SSFs-RPC的抗折强度先升高后降低。长径比为60的SSFs-RPC在SSF含量为0.4%时表现出最佳抗折强度。然而，当SSF含量在0.05%至0.2%范围内时，所有长径比下的抗折强度呈现下降趋势。由于SSF可以有效地限制裂纹的扩展，因此SSF的加入可以提高抗折强度。同时，SSF可能会增加RPC中孔隙的大小和数量。在某些情况下，SSF的增强效应弱于其衰减效应。因此，一些试样的力学强度下降。此外，当SSF含量在0.2%到1.2%之间时，SSF长径比为150的SSFs-RPC的抗折强度持续增长。结果表明，考虑抗折强度，0.4%是长径比为30和60的SSFs-RPC最佳纤维用量。从图4可以看出，随着SSFs含量的增加，抗压强度持续增长。当SSF在RPC中的用量恒定时，SSFs长径比为60和150的SSFs-RPC比SSF长径比为30的SSFs-RPC样品表现出更高的抗压强度。此外，与随机SSF相比，定向SSF的SSFs-RPC具有更高的抗折和抗压强度。 图5显示了SSF增强RPC的无缺口梁在三点弯曲下的弯曲韧性。SSF的添加导致峰值荷载和挠度的改善，表明SSFs可以有效提高SSFs-RPC的承载力和变形抗力。此外，SSFs-RPC的峰值荷载和挠度随着长径比的增加而增加。同时，定向的SSF对峰值荷载和挠度具有积极效应。添加1.2%长径比为150的定向SSF的SSFs-RPC显示出最高的弯曲和抗压强度以及最佳的弯曲韧性。  图3 SSFs-RPC的抗折强度  图4 SSFs-RPC的抗压强度  图5 SSFs-RPC的弯曲韧性 总结 研究了SSF用量、长径比和纤维取向对不同养护龄期SSFs-RPC电学和力学性能的影响。主要结论如下： （1）0.4%的掺量是SSFs-RPC的渗透阈值。SSFs-RPC的电导率随SSF用量和长径比的增加而增加。此外，当SSF沿电流方向排列时，电导率可以进一步增加。 （2）随着混凝土养护龄期、掺量、长径比和SSF取向的增加，SSFs-RPC的超声波传播速度增加。随着养护时间的延长，SSFs-RPC的超声波速度和电阻呈二次函数形式增长。此外，具有更高长径比和定向的SSFs-RPC表现出更好的压阻性能。 （3）SSFs-RPC的力学性能随着SSF用量和长径比的增加而提高。当添加1.2%长径比为150的定向SSF时，SSFs-RPC表现出最高的性能（与普通样品相比，弯曲强度、抗压强度和最佳弯曲韧性分别增加了72.57%、105.66%和331.83%）。此外，在长径比为150的情况下，1.2%定向SSF增强的SSFs-RPC的抗弯强度、抗压强度和抗弯韧性分别比1.2%随机SSF增强的SSFs-RPC高11.3%、16.8%和40.2%。根据显微镜观察，力学和电学性能的改善可能与RPC中SSF的更均匀分布有关。 文献链接： https:///10.1016/j.cemconcomp.2021.104001 |
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