魏兴瑞，李锦钰，刘 峰，梁春雨
(1.吉林大学 交通学院 长春市 130025；
2.中交基础设施养护集团有限公司 北京市 100191)
碳纤维是一种纤维状碳材料，具有许多优良的电学、热学和力学性能。按照渗流理论，当水泥基体中碳纤维掺量达到一定数值后将形成渗流通道，试件电导率迅速增加[1]。
对碳纤维水泥基复合材料的研究可以追溯到上个世纪七十年代，研究发现其较普通水泥基复合材料力学性能有显著提升[2]。此后，国内外许多相关研究成果[3-5]表明，碳纤维的掺入可以提升材料的抗压强度、劈裂强度等力学性能，且与碳纤维的掺量有关；
碳纤维水泥基复合材料具有普通水泥基材料所没有的导电性及压阻效应，提出其作为自感知智能材料的可能性。田亚峰[6]提出了双渗流理论，一定程度上解释了碳纤维水泥基复合材料的压敏性与温敏性的原理。
将一定比例的碳纤维掺入到路面基层材料水泥稳定碎石中，有望在提高其弯拉强度等力学性能的基础上，利用碳纤维的导电性和压阻效应来监测水泥稳定碎石裂缝的发生及发展过程，实现水泥稳定碎石材料的抗裂自感知，使路面病害自监测成为可能。目前道路基础设施的服役性能智能检测是研究热点，路面病害监测技术仍有很大的发展空间，方便快捷无损地感知路面病害的产生与发展是当前路面工作中的难题之一。通过在水泥稳定碎石中掺入不同长度不同体积掺量的短切碳纤维，研究碳纤维增强水泥稳定碎石材料在荷载作用下发生裂缝破坏时电阻率的突变现象，分析其压阻效应，探讨实现水泥稳定碎石开裂破坏自感知的可行性，为路面材料无损智能监测提供新的思路和方法。
1.1 原材料及试验级配
本次实验所采用的碳纤维为吉林市晟鑫公司生产的短切碳纤维(图1)，细度7μm，强度1000MPa，模量100GPa。水泥为吉林省亚太水泥有限公司生产的鼎鹿牌普通硅酸盐水泥P·O 42.5。集料为玄武岩碎石，最大粒径30mm。
图1 试验中所用的碳纤维
按照《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)关于骨架密实型水泥稳定碎石半刚性基层的级配范围，本次实验的集料级配如表1所示。
表1 水泥稳定碎石试验级配
1.2 试验方案
试验中水泥稳定碎石材料的水泥剂量为5%，由于小掺量纤维不会影响混合料的最佳含水率和最大干密度[7]，首先根据击实试验，确定了水泥稳定碎石试件的最佳含水率为4.8%，最大干密度为2.577g/cm3。通过弯拉试验来研究各实验变量(碳纤维长度和掺量)对水泥稳定碎石材料的弯拉强度的影响，并同时利用电学测试仪器对试件进行相应参数的采集，来探究短切碳纤维水泥稳定碎石复合材料的压阻效应。
研究表明[8]，试件电阻率的下降速度随着碳纤维体积掺量(碳纤维占试件总体积的百分率)的增加逐渐趋于平缓，在碳纤维掺量超过试件体积的0.75%后增长缓慢，故本研究在试验中选取1mm、3mm、6mm的短切碳纤维长度与0.25%、0.5%、0.75%、1%的体积掺量作为试验变量。
弯拉试验按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)进行，每组成型三个平行试件，水泥稳定碎石梁式试件尺寸为100mm×100mm×450mm，试件的养生龄期为90d，养生温度20℃±2℃，相对湿度在95%以上。弯拉试验采用三分点加载，加载速率为50mm/min。
弯拉强度的计算公式如下：
式中：Rs为弯拉强度；
P为破坏极限荷载；
L为两支点间的距离(mm)；
b为试件宽度(mm)；
h为试件高度(mm)。
试验采用三分点弯拉试验配合电学测试装置进行，为了更好地记录试件在加载过程中导电性能的变化，试验加载速率为0.02mm/s。本次导电性能试验采用的是外贴电极法，电极材料选用30mm×100mm的紫铜片，布置于试件下表面的A、B位置处，如图2所示。
图2 电极布置示意图
由于表面平整度和杂质对材料表面电阻影响显著，在进行碳纤维水泥稳定碎石导电性能试验时，需要对试件表面打磨处理以保证其平整性并清除表面的碎石、粉尘等杂质，以减小因试件表面不平整产生的接触电阻，电极本身通过导电胶水及导电胶带粘结的方法固定在试件上，与外置的1.6V直流电源、电压表及电流表组成闭合回路。实验采用电阻率(FCR)作为电阻变化的指标，其计算公式为：
(2)
式中：R0为试件初始电阻；
R1为试件测量电阻。
4.1 弯拉试验结果分析
通过弯拉试验，研究碳纤维的长度和掺量对水泥稳定碎石的力学强度影响。39组90d龄期的试件弯拉试验结果见表2。表2中试件编号RSM代表碳纤维水泥稳定碎石，CSM代表未掺加碳纤维的水泥稳定碎石对照组；
数字1、3、6表示碳纤维的长度为1mm、3mm和6mm；
字母a、b、c、d分别表示碳纤维的掺量为0.25%、0.5%、0.75%和1%。下文图表的试件编号均与此相同。
表2 弯拉强度试验结果
从表2可以看出，水泥稳定碎石在掺加碳纤维后，其弯拉强度都有不同程度的提高，相对于对照组普遍提高了20%～40%，其中3mm 短切碳纤维与体积比为0.5%掺量的水泥稳定碎石试件力学性能表现最好，对应弯拉强度增大51.7 %。这是因为短切碳纤维具有良好的抗拉强度，分布于水泥浆体中起到了缠绕搭接作用，增强了水泥稳定碎石的界面效应。但当碳纤维长度与掺量增加到一定程度时，在水泥稳定碎石中分布的均匀性会降低，同时较长的和过多聚集的碳纤维会割裂水泥稳定碎石的整体性，出现微裂纹而导致弯拉强度的下降。
4.2 碳纤维水泥稳定碎石的初始电阻
利用四电极法分别对梁式试件两端施加1.6V电压，测量各试件电阻值的大小如表3所示。
表3 碳纤维水泥稳定碎石的电阻值
表3的试验结果表明：碳纤维水泥稳定碎石具有一定的导电性。对1mm和3mm长度的碳纤维，当掺量达到0.75%时电阻率大幅下降，而6mm长度的碳纤维，电阻率在掺量0.5%时明显降低。说明对于碳纤维增强水泥稳定碎石的导电性，碳纤维的掺量存在一个临界值。有学者认为这个纤维掺量为渗流阈值对应的临界掺量。当碳纤维掺量小于临界值时，由于水泥浆体中的导电相(碳纤维)体积含量过低，起不到联通作用，导电载体主要由孔隙和浆料中毛细管溶液中的微量正负离子组成，而且水泥稳定碎石的粗集料占比较多，内部空隙较大，所以材料的电阻率很高。当短切碳纤维的含量达到或超过临界值，碳纤维就会随机分布，相互重叠以及紧密间隔的碳纤维之间能够发生电子隧道跃迁，在水泥浆内部形成良好的碳纤维导电网络。此时电路中的载体主要由碳纤维内部的电子和空穴组成，载流电子浓度大幅增加，电阻率大幅降低。
4.3 碳纤维水泥稳定碎石材料的压阻效应
通过对水泥稳定碎石进行弯拉试验，同时连接电学装置测定短切碳纤维水泥稳定碎石在加载过程中电阻率(FCR)的变化，得到试件的荷载-时间-电阻率变化曲线。分别选取不同长度碳纤维试件的试验结果，碳纤维掺量在0.25%以上试件的典型试验结果如图3所示。
图3 水泥稳定碎石的电阻率变化曲线(碳纤维掺量大于0.25%)
分析图3的试验曲线发现：试件在开始施加荷载时，电阻率有上下突变的情况。这是因为材料内部粒径较小的集料在弯曲过程中位置会出现移动甚至脱落的情况，同时直流电的极化作用等对电阻率产生影响。
不同长度的短切碳纤维在荷载的作用下表现出来的电阻率变化趋势都是相似的。一些试件在断裂前表现出电阻率缓慢变小的趋势，主要是由于试件上方施加压力，内部空隙变小，一些原本未搭接在一起的短切碳纤维间距变小，试件内部的导电通道进行重组，增加了电子导电和隧穿导电的可能性，从宏观上表现出电阻率缓慢变小。
在荷载达到最大值、试件趋于破坏时，电阻率的变化对裂缝的感知较为灵敏，其表现为电阻率出现突变，呈现断崖式增大的情况。由于材料出现了弯拉破坏，裂缝迅速发展导致原本搭接一起的短切碳纤维迅速断开，裂缝部分碳纤维有的被拔出，原本的电路被阻断，电阻率突然变大。
此外，本试验还发现0.25%体积掺量的试件对裂缝的感知不佳，如图4试件在加载过程中，电阻值保持不动或者不断上下波动，即使在破坏时也没有响应或响应不灵敏，主要是因为0.25%掺量未达到渗流阈值，导电通路较少，在裂缝附近的电阻值较为微弱而导致在裂缝开展时，即使出现电流通路被阻断，但对整体电阻影响不大，反而在加载过程中一些碎石的移动以及内部空隙变化对其电导性影响较大。在所研究的范围内，碳纤维掺量越大表现出对裂缝的感知能力越好，因为较高掺量的碳纤维达到渗流阈值后有多种导电通路，且直流电对其极化作用减少[9]，从而显示出更优良稳定的裂缝感知能力。
图4 水泥稳定碎石的电阻率变化曲线(碳纤维掺量0.25%)
在水泥稳定碎石中掺入不同长度和掺量的短切碳纤维，通过弯拉实验研究碳纤维对水泥稳定碎石材料弯拉强度的影响，并分析其导电性和压阻效应，得到了如下结论：
(1)碳纤维可以增强水泥稳定碎石的弯拉强度，提高其抗裂性。其中3mm碳纤维与体积掺量为0.5%时水泥稳定碎石试件力学性能表现最好，对应弯拉强度增大51.7 %。
(2)对于研究中不同长度的碳纤维，掺量高于0.25%的水泥稳定碎石在出现弯拉破坏时，材料对裂缝的感知较为灵敏，电阻率表现出明显的突变。而0.25%掺量的碳纤维水泥稳定碎石由于没有形成有效的导电通路，电阻率在加载过程中没有规律性的变化。
(3)本研究中3种不同长度的短切碳纤维对压阻效应没有显著的影响，因此考虑到材料经济效益，对弯拉强度的提高和压阻效应的敏感性，建议采用长度为3mm、体积掺量为0.5%的碳纤维水泥稳定碎石作为智能道路监测的自感知材料。
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