基于石墨烯智能再生混凝土的损伤识别研究
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李梅萍 伍明霞
【摘 要】为了研究石墨烯智能再生混凝土的损伤识别问题，本研究拟采用石墨烯智能混凝土作为再生混凝土损伤演化识别的基本元件。用智能混凝土导电性，结合CT扫描技术，形成的导电层析成像（Electrical Resistance Tomography，简称ERT）技术则能实现定量和定位的损伤识别[1，2]，运用CT图像处理方法，提取试样变形破坏的基于CT图像有关的定量信息。实验结果表明：对石墨烯混凝土ERT成像研究发现，伴随石墨的掺量越高，试件的损伤速度越慢。
【关键词】石墨烯智能再生混凝土；CT扫描技术；CT图像损伤识别；损伤演化规律
石墨烯智能混凝土其在耐久性、经济型、强度、受力性能等方面相对于普通的混凝土有着很大的改善，并且外加剂以及微集料的加入，使得混凝土的力学性能、耐久性等性质得到很好的提升，可以更好的运用到实际的工程之中去.目前，石墨烯智能混凝土在全球已经得到了的应用。因此，对于石墨烯智能混凝土研究也应该跟上应用的步伐。石墨烯的引入在复合材料的机械性能、电学性能、热学性能等方面的改善显示出巨大的潜力与应用前景，在混凝土中掺加导电填料可以构成智能混凝土，能表征混凝土的应变变化和损伤变化[3]，结合混凝土CT试验得到的CT图像可以清晰地看到混凝土内部构造，比如骨料、砂浆、孔洞[4]等，利用混凝土CT图像提取出裂纹的演化过程对研究混凝土内部裂纹的发展过程有着重要的作用。因此，把混凝土CT试验和损伤力学理论相结合来研究混凝土细观尺度下的破坏机理，对于工程设计和整治都有一定的好处，同时可以对损伤及时采取措施，避免意外事故的发生。
一、实验概况
（一）实验材料
水泥：采用南京水泥：采用南京某水泥厂生产的 52.5 硅酸盐水泥，其成分如表1所示，性能符合 GB 175—20《通用硅酸鹽水泥》的技术要求；砂子：普通烘干河砂，取粒径小于 0.3mm 的特细砂， 以提高所制备的智能混凝土的均匀性；表面活性材料：聚羧酸减水剂。石墨烯采用常州某厂生产的石墨烯 （编号为SE1231），根据出厂报告 ，一些基本性能参数如表 2所示。 为了将石墨烯纳米颗粒分散到水中，需用超声波打散， 并添加表面活性剂稳定石墨烯纳米颗粒，防止它们再次团聚。
（二）配合比设计
掺加石墨烯的水泥砂浆配合比为： 水泥∶砂子∶水∶石 墨 烯∶减 水 剂=205.4∶616.3∶148.3∶13.1∶7.0， 其中，石墨烯相对于水泥的重量百分比为 6.4%。 本文智能混凝土中未掺加粗骨料是为了减少粗骨料对均匀性和灵敏度的影响。 另外，为了表征该石墨烯水泥砂浆的工作性能， 由于试验材料量非常少，利用小型坍落度对其进行测试，坍落度桶尺寸：上口径 30mm，下口径 50mm，高度 65mm，测试得该砂浆坍落度为 13mm， 说明该智能混凝土具有足够的流动性，方便浇筑成需要的形状[5]。
（三）试件制备
采用尺寸为20cm高，半径为50mm的圆柱形试件，预先置入铜丝制成的电极，然后浇筑上述智能砂浆。电极为直径1mm的铜丝，在试件外围均匀布置16铜电极。放入养护箱中养护28天。
（四）测试方法
电阻率成像（Electrical Resistance Tomography，ERT）技术作为一种无损检测成像技术，是依据待测体内部不同物质有不同电阻率的特点，通过向基体内部输入电流，提取边界电压，再经逆解反问题，获取基体内部体电阻率分布，然后以图像的形式显示出来。在工业无损探伤方面，假如混凝土中有裂缝、钢筋等电阻率不同的物质，根据电阻率分布从几十到几千欧姆，得到混凝土结构中的各部分电阻率，就可以得到钢筋、混凝土、裂缝的分布图。
电阻率成像系统平台由 NI PXIe-8133 控制器、PXIe-1062Q 机箱、模拟开关、电压源、压控电流源和电压采集模块组成，集成度高、灵活性好和可扩展性强等特点，优化结构确保在高速采样时也能保持高精度。
1.实验结果
由实验可知，电阻率不同，在CT的成像中形成不同颜色的区域，试件在养护过程中呈现的轻微裂纹在图中以不同的颜色呈现出来，图中灰度值较高，也即颜色较亮的区域为骨料，孔洞及裂隙的灰度值较小，介于骨料与孔隙之间的为水泥浆，不同断面孔隙缺陷各异。
接下来研究不同导电填料掺量，采用电阻层析成像方法识别其损伤演化规律。
试件的配合比如表3：
2.实验图像
二、石墨烯智能再生混凝土损伤分析
1）.在前期研究中当石墨掺加量到达0.15%之后，试件基体内部导电网络搭建完成，基体体电阻率维持稳定。
2）随石墨烯掺加量提升，基体的体电阻率降低，电导率变大，石墨导电性能越好，在ERT图像重建中，杂质高阻目标的相对位置越明显，清晰度越高；但石墨烯掺量并非越高越好，石墨烯掺加量越大，强度下降越明显，电极对的测量值出现饱和失真，成像清晰度不会进一步提升，有时甚至会产生成像虚化现象，降低成像质量。
3）试验中，超过一定范围后，石墨烯混凝土伴随石墨烯掺加量的提升强度逐步下降，脆性也更加明显，致使试件强度下降和裂纹出现。
4）损伤增长速度与石墨烯掺入量成反比，石墨烯是坚硬的纳米材料，其六角形峰巢结构，使其具有较稳定的性能。
5）随导电填料掺入量的增加，智能混凝土的电阻率逐渐下降；随压力作用的增加，沿压力作用方向的电阻率逐渐减小，在受拉作用下，沿拉力作用方向的电阻率逐渐增加，当出现裂缝时，电阻率出现突然增加的趋势
三、结论
本实验通过ERT技术对石墨烯智能再生混凝土进行了微观的损伤识别，通过对不同石墨掺量的混凝土的CT图像得出石墨烯混凝土的损伤规律。材料的电阻随压力变化的规律性，表现出较好的压敏性能，有着很好的＂智能＂潜力，石墨烯智能再生混凝土随着应变的增长，石墨烯掺量越多，混凝土的受损程度增加的越慢。其主要原因可能是由于石墨烯的加入增强了再生混凝土的韧性，增强了其塑性变形能力，也意味着承受损伤的能力增强了。但由于材料比较昂贵，仪器没有那么精确，实验还需完善。
【参考文献】
[1] 李杰. 随机结构系统—分析与建模[M]. 科学出版社， 1996.
[2] 谭文勇. 受载损伤对混凝土动态性能的影响研究[D]. 研究生论文， 中南大学， 2014.
[3] B. Han， X. Yu， J. Ou. Effect of water content on the piezoresistivity of MWNT/cement composites [J]. Journal of materials science， 2010， 45： 3714-3719.
[4] 吴中伟， 廉慧珍. 高性能混凝土[M]. 中国铁道出版社， 1999.
[5]吴文鑫. 石墨烯智能混凝土在正交和斜交于受力方向的压敏响应[A]. 本科生论文，江苏大学，2018