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關于鋼筋應力應變測試復合材料力電性能的試驗研究
[摘要]鋼筋混凝土結構中鋼筋應力,在使用階段很難檢測。普通的應變片應用范圍有限,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力測試的基礎。
[關鍵詞]復合樹脂 傳感元件 壓阻效應
一、材料特性及制做工藝
環氧樹脂和固化劑是由廣州市東方化工實業有限公司生產的E-44環氧樹脂和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復合樹脂的制作過程:第一步,將長為200mm的Ф14的光圓鋼筋表面打磨光滑,用無水乙醇進行表面清理,干燥后,將其表面涂上一薄層環氧樹脂(加入50%固化劑攪拌均勻的樹脂)約0.2-0.5mm,確保鋼筋與復合樹脂絕緣。并在鋼筋表面貼上箔式應變片,型號為:BX120-3AA,浙江黃巖測試儀器廠,等固化一天。第二步,稱取一定配比的環氧樹脂和固化劑,攪拌均勻,加入稀釋劑和增粘劑,攪拌幾分鐘,再一點點兒的加入納米碳黑,由于納米碳黑質輕,易團聚,不易攪拌,加入時要分若干次加,每次確定已充分攪拌后,再加料。第三步,在鋼筋中段長2.5cm的范圍內涂上攪拌充分的復合樹脂,厚度適當,取約1mm為宜。讓后纏繞銅絲導線,四根,內側兩個相距1cm,外側兩個相距2cm,最后在復合樹脂外層纏繞塑料薄膜,待其固化。
二、試驗方法及過程
復合樹脂材料固化3天后測電阻極化曲線,固化7天時測壓阻效應。試驗中所采用的電阻測試方法為四電極法,電阻測量儀器為Agilent Co.Ltd生產的HP34401A數字萬用表。加載設備為SANS公司生產的CMT5105型微機控制電子萬能試驗機。在測試加拉力之前,先把試件的四個電極與萬用表相接,并用數據線把萬用表與計算機聯通,然后測量零載時的電組。當顯示的測量電阻達到穩定時再進行壓阻性試驗。加拉力時以0.5mm/min的速度對試件進行軸向拉伸,并通過計算機實時采集電阻,拉力與應變。
三、試驗結果與分析
作為機敏材料涂層,厚度是個不可忽視的因素,相同導電材料摻量攪拌均勻的復合樹脂,不同的厚度電阻差別將很大,本文取B1組進行了研究,分三個厚度:0.5mm,1mm,1.5mm,每個厚度三個試件,復合樹脂涂層的導電性能在相同的配合比時,隨著厚度的不同也有較大的差異,涂層比較薄時,電阻較大,隨著涂層厚度的增加,電阻逐漸減小,這是由于涂層內部導電路徑隨著厚度的變化而發生改變引起的,環氧樹脂是一種熱固性材料,本身是不導電的,在固化劑的作用下,形成空間聚合物結構,納米碳黑的加入,由于納米材料的導電性,使聚合物的電導能力增大,同樣配合比的復合樹脂,內部的導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。考慮使用過程中的問題,如果樹脂涂層太厚,不容易涂抹均勻,用到結構中后引起的缺陷較大,應力集中嚴重。取約1mm的厚度為宜。
環氧樹脂的性質很大程度上與固化劑有關,固化劑的摻量的多少,對復合樹脂的電阻值有很大的影響,同時也會影響到復合樹脂的滲流曲線,固化劑占環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,電阻值顯數量級低減,隨著納米碳黑摻量的增加,這種差異性越來越小,因為隨著納米材料的增多,內部導電通導的密度增大,固化劑的增多或減少只改變內部電路的相對數量,對導電通路的影響減小。
復合樹脂涂層的壓阻效應試驗中取固化劑含量分別為25%和50%的兩組來進行。納米含量為15%的復合樹脂的壓阻效應很差,取20%,22.5%,25%,27.5%來研究其機敏性。采用循環加載,最大加載值分別取30KN、40KN。每個等級加載五個循環。鋼筋為HPB235鋼筋,直徑為14mm,可以計算得其屈服強度f?y=32.31KN。加載跨彈性、塑性兩個階段。R0為初始相對穩定電阻值,試驗得到兩組復合樹脂七天時的壓阻曲線圖。
第一組,固化劑與環氧樹脂之比為0.25:1,從四個不同納米百分比的復合樹脂涂層的機敏特性曲線圖中,我們可以看到,在等幅荷載的循環作用下,復合樹脂的壓阻曲線和應力應變曲線之間存在良好的映射關系,隨著鋼筋應力的增大,電阻變化率近似線性變化,在四個不同百分比納米摻量的復合樹脂中,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,固化劑與環氧樹脂之比為0.5:1,從四個不同納米百分比構件的壓阻性測試結果曲線圖中,我們可以看出,本組中納米微粒含量為20%的復合樹脂機敏性變得不穩定,在循環加載的過程中,電阻變化率曲線開始出現有較大的非線性,22.5%組仍然表現出良好的線性映射關系,25%、27.5%組隨著循環加卸載電阻率曲線表現也不太穩定,線性映射關系變差。
四、結論
1.隨著環氧與固化劑比例的調整,電阻顯規律性的變化,固化劑的含量越大,相同納米碳黑摻量的復合樹脂電阻就越大,復合樹脂的電阻隨固化劑的減少而減小,當環氧樹脂與固化劑的比例固定時,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的特征知即使同一個配比的復合樹脂,電阻值也存在一定的離散性。
2.機敏性的表現也隨固化劑與環氧樹脂的百分比及納米碳黑的摻量顯規律性的變化,在兩個應力水平的等幅循環荷載作用下,復合樹脂表現出了力與電阻變化率的良好的映射關系,當鋼筋由彈性階段進入塑性階段的轉變過程中,應力曲線和電阻變化率曲線及應變曲線表現出良好的對應關系。隨著循環荷載的作用時間的增加,當鋼筋出現殘余應變時,電阻變化率也隨之發生不可逆的變化。
3.納米碳黑復合環氧樹脂涂層作為鋼筋應力應變的傳感材料是可能的。
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