碳纤维混凝土在动态称重中的应用

   碳纤维混凝土是在普通混凝土中添加一定含 量的短切碳纤维丝而制成的一种新型水泥基复合 材料,它不但具有普通混凝土承受荷载的能力,而 且还有良好的导电性和压敏特性[1-9].笔者把碳 纤维混凝土试件连接到直流回路中,当试件受到 外部荷载时,电压会发生变化.经过计算得出相对 电阻率变化率与荷载的关系,通过相对电阻率变 化率大小来判定荷载的大小.这一技术的应用,将 为机动车的动态称重提供新的途径. 
    1　试　验 
    1·1　试件原材料及制备 
    原材料:32·5级普通硅酸盐水泥;沈阳产碎 石和河砂;短切聚丙烯腈(PAN)基碳纤维(长度3 mm);羟乙基纤维素(分散剂); FDN高效减水 剂;磷酸三丁酯(消泡剂). 试件采用湿拌法[10]制备,试件1的尺寸为 550mm×60mm×60mm,体积质量配合比见表 1,试件1在制备过程中将参考文献[6]中的第1 步进行了修改,即在配置分散剂溶液时参考了文 献[11];电极采用不锈钢片,尺寸为40mm×70 mm×0·5mm;试件2为立方体试件(60mm×60 mm×60mm),极限抗压强度为18·9MPa,试件 龄期均在6个月以上,保持干燥状态,试验前对试 件进行了烘干.
 
    1·2　试验过程 
    试件1电极布置见图1,试验施加的最大荷 载值为20kN,处于试件的弹性受力范围.试验加 载示意图见图2,试验采用5·5V恒压直流电源 采样频率为10Hz.电极片连接入电路的方法采 用并联电极片,即试件上排的电极片用导线连接 起来,使之成为等压点,将下排的电极片连接起来 成为等压点.将这两点连接入电路,电极片连接情 况见图1.碳纤维混凝土试件连入电路方法见图 2.采用循环加载方法,荷载范围为5~10kN,每 个位置加载10个周期,图1中电极间距为50 mm.第一个加载位置为最左边电极片的中心位 置,加载位置由左向右移动,每次移动45mm,共 计6个位置,加载位置见图1. 
     
    2　试验结果分析 
    2·1　动态称重的基本原理 
    假设正方形截面的CFRC试件沿轴线方向有 均匀的体积电阻率ρ,则试件的电阻R可表示为 
     
    式中:ρ0为CFRC的初始电阻率;ρ(t)为任意t时 刻CFRC的电阻率;Δρ为任意t时刻CFRC的电 阻率变化. 试验中混凝土发生的变形相对于自身的尺寸 而言通常可以忽略不计.将式(1)代入式(2)可 
     
    由表2可以看出,无论荷载是刚好压在电极 片上还是施加在两相邻电极片的碳纤维混凝土 上,采集的信号始终可以反映荷载的变化.当荷载 峰值为10kN时,无论荷载施加在什么位置, |Δp /ρ0|始终保持在4%左右.因此可见,无论荷 载在哪个位置,都能通过动态数据采集仪电压的 变化情况实时监测荷载的大小变化. 
    2·2·2　加载频率对压敏性的影响 
    图3为加载位置为6号位置,荷载F=5~1 kN,加载频率分别为0·2Hz,0·3Hz及0·5H 时,荷载与相对电阻率变化率(φ)的关系. 由图3可见,试验通过不同的加载频率来模 拟不同的行车速度.比较3个图,荷载形状、荷载 峰值和谷值基本相同,区别在于加载的频率不同, 它们的相对电阻率变化率的曲线基本相同,荷载 每变化一周,相对电阻率变化率相应也变化一周, 压敏性较好·荷载为10kN时,相对电阻率变化 率保持在4%左右,从而看出,加载频率对CFRC 条块试件压敏性的影响可以忽略不计. 
     
     
    荷载与相对电阻率变化率两者之间近似呈线 性关系·通过对曲线进行拟合,可以得到拟合直 线的斜率K,K的绝对值即可反映压敏性的大小, 本次拟合直线的斜率K的绝对值为0·316 9. 
    3　结　论 
    (1)碳纤维混凝土条块循环加载下,荷载每 变化一周,相对电阻率变化率也变化一周.在相同 的荷载下,相对电阻率变化率基本保持不变,具有 较好的压敏性. 
    (2)加载位置、加载频率的改变对CFRC条 块的压敏性影响很小,可以忽略不计. 
    (3)荷载与相对电阻率变化率近似呈线性关 系,通过拟合斜率K的绝对值为0·316 9.根据K 值的大小,可以知道荷载的大小,从而实现动态称 重.