钢筋应力应变测试复合材料力电性能的试验研究

关于钢筋应力应变测试复合材料力电性能的试验研究

[摘要]钢筋混凝土结构中钢筋应力,在使用阶段很难检测。普通的应变片应用范围有限,极容易在施工中损坏,探求一种新型的传感元件是改革钢筋应力测试的基础。
[关键词]复合树脂 传感元件 压阻效应
　　
　　一、材料特性及制做工艺
　　环氧树脂和固化剂是由广州市东方化工实业有限公司生产的E-44环氧树脂和EP-型固化剂。纳米碳黑为山东淄博华光化工厂生产的HG-IP(黑色粉末),粒径为33nm,氮吸附比表面积为1056m?2/g,比电阻为0.22o.cm复合树脂的制作过程:第一步,将长为200mm的Ф14的光圆钢筋表面打磨光滑,用无水乙醇进行表面清理,干燥后,将其表面涂上一薄层环氧树脂(加入50%固化剂搅拌均匀的树脂)约0.2-0.5mm,确保钢筋与复合树脂绝缘。并在钢筋表面贴上箔式应变片,型号为:BX120-3AA,浙江黄岩测试仪器厂,等固化一天。第二步,称取一定配比的环氧树脂和固化剂,搅拌均匀,加入稀释剂和增粘剂,搅拌几分钟,再一点点儿的加入纳米碳黑,由于纳米碳黑质轻,易团聚,不易搅拌,加入时要分若干次加,每次确定已充分搅拌后,再加料。第三步,在钢筋中段长2.5cm的范围内涂上搅拌充分的复合树脂,厚度适当,取约1mm为宜。让后缠绕铜丝导线,四根,内侧两个相距1cm,外侧两个相距2cm,最后在复合树脂外层缠绕塑料薄膜,待其固化。
　　二、试验方法及过程
　　复合树脂材料固化3天后测电阻极化曲线,固化7天时测压阻效应。试验中所采用的电阻测试方法为四电极法,电阻测量仪器为Agilent Co.Ltd生产的HP34401A数字万用表。加载设备为SANS公司生产的CMT5105型微机控制电子万能试验机。在测试加拉力之前,先把试件的四个电极与万用表相接,并用数据线把万用表与计算机联通,然后测量零载时的电组。当显示的测量电阻达到稳定时再进行压阻性试验。加拉力时以0.5mm/min的速度对试件进行轴向拉伸,并通过计算机实时采集电阻,拉力与应变。
　　三、试验结果与分析
　　作为机敏材料涂层,厚度是个不可忽视的因素,相同导电材料掺量搅拌均匀的复合树脂,不同的厚度电阻差别将很大,本文取B1组进行了研究,分三个厚度:0.5mm,1mm,1.5mm,每个厚度三个试件,复合树脂涂层的导电性能在相同的配合比时,随着厚度的不同也有较大的差异,涂层比较薄时,电阻较大,随着涂层厚度的增加,电阻逐渐减小,这是由于涂层内部导电路径随着厚度的变化而发生改变引起的,环氧树脂是一种热固性材料,本身是不导电的,在固化剂的作用下,形成空间聚合物结构,纳米碳黑的加入,由于纳米材料的导电性,使聚合物的电导能力增大,同样配合比的复合树脂,内部的导电通道随着厚度的增加而增多,减少而减少,这是电阻随厚度的减小而递增的原因。考虑使用过程中的问题,如果树脂涂层太厚,不容易涂抹均匀,用到结构中后引起的缺陷较大,应力集中严重。取约1mm的厚度为宜。
　　环氧树脂的性质很大程度上与固化剂有关,固化剂的掺量的多少,对复合树脂的电阻值有很大的影响,同时也会影响到复合树脂的渗流曲线,固化剂占环氧树脂的百分比分别为:25%,50%,75%。随着固化剂的含量的减少,电阻整体下降明显,特别是纳米掺量比较低时,电阻值显数量级低减,随着纳米碳黑掺量的增加,这种差异性越来越小,因为随着纳米材料的增多,内部导电通导的密度增大,固化剂的增多或减少只改变内部电路的相对数量,对导电通路的影响减小。

　　复合树脂涂层的压阻效应试验中取固化剂含量分别为25%和50%的两组来进行。纳米含量为15%的复合树脂的压阻效应很差,取20%,22.5%,25%,27.5%来研究其机敏性。采用循环加载,最大加载值分别取30KN、40KN。每个等级加载五个循环。钢筋为HPB235钢筋,直径为14mm,可以计算得其屈服强度f?y=32.31KN。加载跨弹性、塑性两个阶段。R0为初始相对稳定电阻值,试验得到两组复合树脂七天时的压阻曲线图。
　　第一组,固化剂与环氧树脂之比为0.25:1,从四个不同纳米百分比的复合树脂涂层的机敏特性曲线图中,我们可以看到,在等幅荷载的循环作用下,复合树脂的压阻曲线和应力应变曲线之间存在良好的映射关系,随着钢筋应力的增大,电阻变化率近似线性变化,在四个不同百分比纳米掺量的复合树脂中,纳米微粒含量为20%和22.5%的两组曲线比25%和27.5%的两组曲线线性变化更明显些。随着纳米碳黑含量的增加,电阻变化率的线性变化稍差。
　　第二组,固化剂与环氧树脂之比为0.5:1,从四个不同纳米百分比构件的压阻性测试结果曲线图中,我们可以看出,本组中纳米微粒含量为20%的复合树脂机敏性变得不稳定,在循环加载的过程中,电阻变化率曲线开始出现有较大的非线性,22.5%组仍然表现出良好的线性映射关系,25%、27.5%组随着循环加卸载电阻率曲线表现也不太稳定,线性映射关系变差。
　　四、结论
　　1.随着环氧与固化剂比例的调整,电阻显规律性的变化,固化剂的含量越大,相同纳米碳黑掺量的复合树脂电阻就越大,复合树脂的电阻随固化剂的减少而减小,当环氧树脂与固化剂的比例固定时,电阻的变化随纳米碳黑的掺量的增加而减小,由于制作工艺的限制及材料性质的特征知即使同一个配比的复合树脂,电阻值也存在一定的离散性。
　　2.机敏性的表现也随固化剂与环氧树脂的百分比及纳米碳黑的掺量显规律性的变化,在两个应力水平的等幅循环荷载作用下,复合树脂表现出了力与电阻变化率的良好的映射关系,当钢筋由弹性阶段进入塑性阶段的转变过程中,应力曲线和电阻变化率曲线及应变曲线表现出良好的对应关系。随着循环荷载的作用时间的增加,当钢筋出现残余应变时,电阻变化率也随之发生不可逆的变化。
　　3.纳米碳黑复合环氧树脂涂层作为钢筋应力应变的传感材料是可能的。
　　
　　参考文献:
　　[1]李国宝.汕头大学硕士学位论文,2006.
　　[2]杨宝武.环氧树脂固化剂[J].粘接,1993,14(4),1013(9).
　　[3]陈国强.半导体应变片式传感器应用研究.山东矿业学院学报,1994,13(3):264-268.
　　 [4]张立德,牟季美.纳米材料与结构[M].北京:科学出版社,2002.

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