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關(guān)于鋼筋應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試復(fù)合材料力電性能的試驗(yàn)研究
[摘要]鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋應(yīng)力,在使用階段很難檢測(cè)。普通的應(yīng)變片應(yīng)用范圍有限,極容易在施工中損壞,探求一種新型的傳感元件是改革鋼筋應(yīng)力測(cè)試的基礎(chǔ)。
[關(guān)鍵詞]復(fù)合樹脂 傳感元件 壓阻效應(yīng)
一、材料特性及制做工藝
環(huán)氧樹脂和固化劑是由廣州市東方化工實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的E-44環(huán)氧樹脂和EP-型固化劑。納米碳黑為山東淄博華光化工廠生產(chǎn)的HG-IP(黑色粉末),粒徑為33nm,氮吸附比表面積為1056m?2/g,比電阻為0.22o.cm復(fù)合樹脂的制作過程:第一步,將長(zhǎng)為200mm的Ф14的光圓鋼筋表面打磨光滑,用無水乙醇進(jìn)行表面清理,干燥后,將其表面涂上一薄層環(huán)氧樹脂(加入50%固化劑攪拌均勻的樹脂)約0.2-0.5mm,確保鋼筋與復(fù)合樹脂絕緣。并在鋼筋表面貼上箔式應(yīng)變片,型號(hào)為:BX120-3AA,浙江黃巖測(cè)試儀器廠,等固化一天。第二步,稱取一定配比的環(huán)氧樹脂和固化劑,攪拌均勻,加入稀釋劑和增粘劑,攪拌幾分鐘,再一點(diǎn)點(diǎn)兒的加入納米碳黑,由于納米碳黑質(zhì)輕,易團(tuán)聚,不易攪拌,加入時(shí)要分若干次加,每次確定已充分?jǐn)嚢韬?再加料。第三步,在鋼筋中段長(zhǎng)2.5cm的范圍內(nèi)涂上攪拌充分的復(fù)合樹脂,厚度適當(dāng),取約1mm為宜。讓后纏繞銅絲導(dǎo)線,四根,內(nèi)側(cè)兩個(gè)相距1cm,外側(cè)兩個(gè)相距2cm,最后在復(fù)合樹脂外層纏繞塑料薄膜,待其固化。
二、試驗(yàn)方法及過程
復(fù)合樹脂材料固化3天后測(cè)電阻極化曲線,固化7天時(shí)測(cè)壓阻效應(yīng)。試驗(yàn)中所采用的電阻測(cè)試方法為四電極法,電阻測(cè)量?jī)x器為Agilent Co.Ltd生產(chǎn)的HP34401A數(shù)字萬用表。加載設(shè)備為SANS公司生產(chǎn)的CMT5105型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)。在測(cè)試加拉力之前,先把試件的四個(gè)電極與萬用表相接,并用數(shù)據(jù)線把萬用表與計(jì)算機(jī)聯(lián)通,然后測(cè)量零載時(shí)的電組。當(dāng)顯示的測(cè)量電阻達(dá)到穩(wěn)定時(shí)再進(jìn)行壓阻性試驗(yàn)。加拉力時(shí)以0.5mm/min的速度對(duì)試件進(jìn)行軸向拉伸,并通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集電阻,拉力與應(yīng)變。
三、試驗(yàn)結(jié)果與分析
作為機(jī)敏材料涂層,厚度是個(gè)不可忽視的因素,相同導(dǎo)電材料摻量攪拌均勻的復(fù)合樹脂,不同的厚度電阻差別將很大,本文取B1組進(jìn)行了研究,分三個(gè)厚度:0.5mm,1mm,1.5mm,每個(gè)厚度三個(gè)試件,復(fù)合樹脂涂層的導(dǎo)電性能在相同的配合比時(shí),隨著厚度的不同也有較大的差異,涂層比較薄時(shí),電阻較大,隨著涂層厚度的增加,電阻逐漸減小,這是由于涂層內(nèi)部導(dǎo)電路徑隨著厚度的變化而發(fā)生改變引起的,環(huán)氧樹脂是一種熱固性材料,本身是不導(dǎo)電的,在固化劑的作用下,形成空間聚合物結(jié)構(gòu),納米碳黑的加入,由于納米材料的導(dǎo)電性,使聚合物的電導(dǎo)能力增大,同樣配合比的復(fù)合樹脂,內(nèi)部的導(dǎo)電通道隨著厚度的增加而增多,減少而減少,這是電阻隨厚度的減小而遞增的原因�？紤]使用過程中的問題,如果樹脂涂層太厚,不容易涂抹均勻,用到結(jié)構(gòu)中后引起的缺陷較大,應(yīng)力集中嚴(yán)重。取約1mm的厚度為宜。
環(huán)氧樹脂的性質(zhì)很大程度上與固化劑有關(guān),固化劑的摻量的多少,對(duì)復(fù)合樹脂的電阻值有很大的影響,同時(shí)也會(huì)影響到復(fù)合樹脂的滲流曲線,固化劑占環(huán)氧樹脂的百分比分別為:25%,50%,75%。隨著固化劑的含量的減少,電阻整體下降明顯,特別是納米摻量比較低時(shí),電阻值顯數(shù)量級(jí)低減,隨著納米碳黑摻量的增加,這種差異性越來越小,因?yàn)殡S著納米材料的增多,內(nèi)部導(dǎo)電通導(dǎo)的密度增大,固化劑的增多或減少只改變內(nèi)部電路的相對(duì)數(shù)量,對(duì)導(dǎo)電通路的影響減小。
復(fù)合樹脂涂層的壓阻效應(yīng)試驗(yàn)中取固化劑含量分別為25%和50%的兩組來進(jìn)行。納米含量為15%的復(fù)合樹脂的壓阻效應(yīng)很差,取20%,22.5%,25%,27.5%來研究其機(jī)敏性。采用循環(huán)加載,最大加載值分別取30KN、40KN。每個(gè)等級(jí)加載五個(gè)循環(huán)。鋼筋為HPB235鋼筋,直徑為14mm,可以計(jì)算得其屈服強(qiáng)度f?y=32.31KN。加載跨彈性、塑性兩個(gè)階段。R0為初始相對(duì)穩(wěn)定電阻值,試驗(yàn)得到兩組復(fù)合樹脂七天時(shí)的壓阻曲線圖。
第一組,固化劑與環(huán)氧樹脂之比為0.25:1,從四個(gè)不同納米百分比的復(fù)合樹脂涂層的機(jī)敏特性曲線圖中,我們可以看到,在等幅荷載的循環(huán)作用下,復(fù)合樹脂的壓阻曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線之間存在良好的映射關(guān)系,隨著鋼筋應(yīng)力的增大,電阻變化率近似線性變化,在四個(gè)不同百分比納米摻量的復(fù)合樹脂中,納米微粒含量為20%和22.5%的兩組曲線比25%和27.5%的兩組曲線線性變化更明顯些。隨著納米碳黑含量的增加,電阻變化率的線性變化稍差。
第二組,固化劑與環(huán)氧樹脂之比為0.5:1,從四個(gè)不同納米百分比構(gòu)件的壓阻性測(cè)試結(jié)果曲線圖中,我們可以看出,本組中納米微粒含量為20%的復(fù)合樹脂機(jī)敏性變得不穩(wěn)定,在循環(huán)加載的過程中,電阻變化率曲線開始出現(xiàn)有較大的非線性,22.5%組仍然表現(xiàn)出良好的線性映射關(guān)系,25%、27.5%組隨著循環(huán)加卸載電阻率曲線表現(xiàn)也不太穩(wěn)定,線性映射關(guān)系變差。
四、結(jié)論
1.隨著環(huán)氧與固化劑比例的調(diào)整,電阻顯規(guī)律性的變化,固化劑的含量越大,相同納米碳黑摻量的復(fù)合樹脂電阻就越大,復(fù)合樹脂的電阻隨固化劑的減少而減小,當(dāng)環(huán)氧樹脂與固化劑的比例固定時(shí),電阻的變化隨納米碳黑的摻量的增加而減小,由于制作工藝的限制及材料性質(zhì)的特征知即使同一個(gè)配比的復(fù)合樹脂,電阻值也存在一定的離散性。
2.機(jī)敏性的表現(xiàn)也隨固化劑與環(huán)氧樹脂的百分比及納米碳黑的摻量顯規(guī)律性的變化,在兩個(gè)應(yīng)力水平的等幅循環(huán)荷載作用下,復(fù)合樹脂表現(xiàn)出了力與電阻變化率的良好的映射關(guān)系,當(dāng)鋼筋由彈性階段進(jìn)入塑性階段的轉(zhuǎn)變過程中,應(yīng)力曲線和電阻變化率曲線及應(yīng)變曲線表現(xiàn)出良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。隨著循環(huán)荷載的作用時(shí)間的增加,當(dāng)鋼筋出現(xiàn)殘余應(yīng)變時(shí),電阻變化率也隨之發(fā)生不可逆的變化。
3.納米碳黑復(fù)合環(huán)氧樹脂涂層作為鋼筋應(yīng)力應(yīng)變的傳感材料是可能的。
參考文獻(xiàn):
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