环境条件对纳米碳纤维水泥基材料压阻性能的影响

摘要

混凝土结构健康监测是保障土木工程基础设施安全运行的重要手段，也是用来研究混凝土结构损伤积累和灾害演变的一种技术方法。因此，通过掺入导电填料或纤维使水泥基材料对应力、应变和位移具有自感知功能成为近年来国内外的研究热点。与其它智能传感元件相比，自感知水泥基材料具有长期耐久可靠、与混凝土结构的相容性好等优点。纳米碳纤维(Carbon nanofibers简称CNFs)拥有良好的导电性能、力学性能和易分散性等优点，因此利用纳米碳纤维制备智能水泥基材料得到较多关注。本文主要围绕水泥浆体流变性能对CNFs分散性的影响规律和温湿度、冻融循环对掺 CNFs水泥石、砂浆和混凝土材料的电阻率和压阻性能的影响展开实验研究与机理分析，从而为纳米碳纤维水泥基材料的制备及其在不同环境条件下应用奠定基础。本论文主要研究内容与成果如下：
　　通过试验得到掺 CNFs水泥石的渗流曲线，并确定了 CNFs的合理掺量范围；通过变化水胶比、矿物掺合料和减水剂等方法得到不同流变特性的水泥浆体，并以同组试件的电阻率变异系数为评价指标，研究了浆体流变参数(扩展度、粘度和屈服剪切应力)对 CNFs在水泥基材料中分散效果的影响规律与作用机理。结果表明：过高或过低的流动性和塑性粘度均不利于 CNFs在水泥浆体中的均匀分散；当水泥净浆的流动度为205mm~215mm时，CNFs的分散效果最好，试件的电阻率和电阻率变异系数最小，压阻曲线的线性度与灵敏度达到最高。
　　研究了埋入式和粘贴式电极布置形式、交流电频率、干燥与氯化钠溶液浸泡等因素对纳米碳纤维水泥石电学参数的影响。结果发现：当 CNFs掺量较低时，提高交流电频率能有效降低试件的电阻率、电阻率变异系数和容抗值；氯盐溶液浸泡使试件的电阻率显著下降且试件的容抗值明显增加。当 CNFs掺量低于某临界值时，采用埋入式电极试件的电阻率和容抗值均低于粘贴式电极试件。当水泥石的电阻率为1.0kΩ·cm~20kΩ·cm时，水泥石具有良好的压阻效应。基于智能水泥基材料的多向应变压阻模型对 CNFs水泥石的压阻效应进行了理论分析，结果与实测值接近。
　　研究了不同温度与含水率对 CNFs砂浆的电阻和压阻特性的影响规律，并从载流子迁移电导率、电动现象、极化效应、宏观隧道效应四个角度进行机理分析。研究得出：在室温干燥状态下，掺适量 CNFs的砂浆试件具有良好的压阻效应。当含水率相同时，随着温度由20℃降低到-25℃时，CNFs砂浆的应变感知灵敏度与线性度逐渐降低；当温度高于20℃时，灵敏度与线性度又随环境温度升高而降低。当温度相同时，CNFs砂浆的应变感知灵敏度随着含水率的增加呈现出先降低后升高的趋势。
　　研究了 CNFs砂浆在3种溶液介质（0%、1.5%和3.0%NaCl）、2种冻融循环制度（-10℃~10℃、-20℃~20℃）作用下的损伤规律与压阻性能演变。研究结果表明：在3种不同溶液介质中经历300次-10℃~10℃冻融循环，CNFs砂浆几乎未发生质量损失，而电阻率提高和相对动弹性模量损失显著。较小水灰比的 CNFs砂浆在干燥状态下的应变感知灵敏度与线性度很高，而经历冻融循环后的灵敏度与线性度降低明显。水灰比较大的 CNFs砂浆在烘干状态下的应变感知灵敏度与线性度较低，但冻融循环后灵敏度与线性度反而提高。在-20℃~20℃冻融循环制度下，氯盐溶液加速了 CNFs砂浆的表面剥蚀和压阻性能劣化。相同条件下，循环荷载作用加速了 CNFs砂浆的冻融损伤，导致压阻效应灵敏度降低。
　　研究了 CNFs混凝土经冻融循环后的损伤、压阻特性和 CNFs混凝土梁在三点弯曲荷载作用下的自感知特性。结果显示：CNFs混凝土的压阻灵敏度与线性度、弯曲自感知能力均随冻融循环作用而降低，且盐冻比水冻的降低作用更明显。利用弯曲荷载作用下的力电模型计算得出 CNFs混凝土梁受三点弯曲荷载时，荷载值与电阻变化率的关系近似为直线关系。相同条件下，CNFs混凝土梁的体积电阻变化率监测 CNFs混凝土力与挠度的灵敏度低于表面电阻变化率，但体积电阻变化率监测力与挠度时的线性程度比表面电阻变化率高。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 用于水泥基材料中碳材料种类和特性

1.3碳纤维水泥基材料的制备与纤维分散研究

1.4碳纤维混凝土的力电与热电效应

1.5课题研究目的与研究内容

第2章 浆体流变性对纳米碳纤维分散性的影响

2.1引言

2.2纳米碳纤维在水泥石中的渗滤阈值

2.3水泥浆中纳米碳纤维的分散性评价与压阻特性

2.4本章小结

第3章 不同测试条件下纳米碳纤维水泥石电性能

3.1 引言

3.2研究方案

3.3交流电压频率与氯化钠溶液浸泡作用

3.4水泥石电阻时间零漂移研究

3.5 纳米碳纤维水泥石压阻性能研究

3.6本章小结

第4章 温湿度对纳米碳纤维砂浆压阻性能影响

4.1 引言

4.2纳米碳纤维砂浆的电阻研究

4.3纳米碳纤维砂浆的压阻性能研究

4.4本章小结

第5章 冻融循环对纳米碳纤维砂浆压阻性能影响

5.1 引言

5.2研究方案

5.3纳米碳纤维砂浆的冻融循环损伤

5.4冻融循环对纳米碳纤维砂浆压阻性能的影响

5.5 本章小结

第6章 冻融循环对纳米碳纤维混凝土自监测影响

6.1 引言

6.2 研究方案

6.3冻融循环对纳米碳纤维混凝土压阻效应的影响

6.4冻融循环对纳米碳纤维混凝土梁自感知特性的影响

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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