【摘要】 研究石墨烯增强复合材料的压阻响应，通过压缩/拉伸试验与有限元分析揭示其电阻率变化规律，为建筑结构损伤检测提供高灵敏解决方案。

该论文报告了含有石墨烯纳米片的纤维增强水泥砂浆的压阻响应。使用少量（水泥重量的 0.25%）石墨烯纳米导电颗粒将传统的硅酸盐水泥基复合材料转变为半导体应力传感材料。使用表面电阻率测试仪测量电阻率，该测试仪已被混凝土行业广泛接受，该测试仪采用通过四个电极的交流电。

 

标准样品的拉伸和压缩测试用于建立电阻率和施加应变之间的关系。采用有限元分析来预测三点弯曲下板坯样本的电阻率。测试结果和模拟结果表明，石墨烯-水泥复合材料的电阻率可用于结构健康监测和损伤检测。

图 1压缩测试结果[1]。

 

图2压缩试验后的立方体试样[1]

 

图 1 报告了压缩测试的结果。 GnP-FRC 复合材料的应力应变行为具有近乎线性的上升分支，随后是陡峭的下降分支。请注意，图 1 中的应变使用了第一个峰值应力之前来自应变计的应变以及峰值之后来自弦罐的应变。

 

在应变为 2,300 με 时达到峰值应力（80 MPa），超过该峰值应力，样本开始出现垂直劈裂裂纹，如图 2 中的失效模式所示。测得的平均泊松比为 0.31，对应于 1.20 至 10.5 MPa 的应力。与典型混凝土相比，该比率似乎很高。

 

以硅酸盐水泥重量的 0.25% 相对较低的剂量使用石墨烯纳米片 (GnP)，结果表明能够增强几乎不导电的水泥基材料的导电性。

 

检查所得 GnPFRC 材料的电阻率，以确定其潜在的应力传感特性。使用表面电阻率测试仪测量电阻率，该测试仪已被混凝土行业广泛接受。电阻率测量采用通过四点温纳探头的交流电。

 

对标准砂浆样本进行拉伸和压缩测试，以确定电阻率和施加应变之间的关系。从报道的测试中观察到，GnP-FRC复合材料的电阻率随着拉伸应变的增加而增加，并且随着压缩应变的增加而以更快的速度下降。

 

这可能是由于观察到的拉伸应变主要来自横向裂纹，而压缩应变反映了整个样品的材料变形。根据测试结果提出了线性关系来描述材料的电阻率（电导率）随压缩应变和拉伸应变的变化。

 

对于本研究中使用的材料，高度简化的线性关系可能适用于小于 2,300 με 的应变。进行有限元分析来预测按比例放大的板样本在三点弯曲下的电阻率响应。测试和模拟表明GnP-FRC复合材料的电阻率可用于结构健康监测。

 

[1]Liu H, Deshmukh A, Salowitz N, et al. Resistivity signature of graphene-based fiber-reinforced composite subjected to mechanical loading[J]. Frontiers in Materials, 2022, 9: 818176.

 

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