环境因素对纳米碳纤维混凝土压敏特性的影响

摘要

纳米碳纤维(Carbon Nanofiber,CNF)具有纳米级尺寸、大长径比、高强度及低电阻率等优点,将其均匀分散到混凝土中会很大程度上改善混凝土的力学性能与电学性能。国外研究表明:纳米碳纤维混凝土(Carbon Nanofiber concrete,CNFC)具有良好的压敏效应,将其作为压敏传感器用于重大工程的健康监测不仅克服了传统型埋入式传感器与混凝土的相容性问题,还很大程度解决了采集信号系统的造价问题,因此CNFC可满足大多数结构长期健康监测的需要,已成为该领域研究的前沿方向。因此,本课题对CNFC材料中纳米碳纤维的最佳掺量、导电机理,以及各种不同环境条件作用对其压敏效应的影响等方面进行了系统研究,并得到以下主要研究结果:
　　1.经表面改善后的CNF在混凝土中的分散情况与混凝土的工作性相关,通过聚羧酸高效减水剂可对混凝土工作性指标参数进行调节,以使新拌混凝土到达良好的工作性。实验研究发现CNF掺量越大,需要掺入越多的减水剂才能将T500与Th分别调节在2s-5s、8s-15s以内,从而保证CNF在混凝土中良好分散。
　　2.基于渗流理论、有效介质理论与隧道效应理论,提出CNFC的导电机理可分为接触式导电与非接触导电,接触式导电主要指纤维间相互搭接、纤维与基体界面、基体导电。而非接触导电指纤维间、纤维与基体并没有相互接触而相隔一定距离或存在一定势垒,但电子与空穴在激活状态下能发生跃迁从而形成导电路径。
　　3.养护龄期、骨料、CNF掺量、干燥状态等对CNFC的电学性能与压敏特性的影响规律为:(1)CNFC的电阻率随着龄期延长而不断增大,极化时间变化没有明显规律。(2)CNF掺量相同条件下,各水泥基复合材料电阻率由小到大为:水泥净浆﹤水泥砂浆<混凝土,极化时间变化没有明显规律,后两者的压敏曲线形状相似,从阻变化率来看,水泥砂浆小于混凝土,水泥净浆的压敏特性较差。(3)CNFC电阻率随着纳米碳纤维的掺量增大而逐渐减小,纤维掺量在0.8％~1.8%范围时,CNFC的压敏曲线均表现出电阻率随压应力增加近似线性降低的趋势,掺量越大电阻率变化幅度越小。(4)干燥脱水可使CNFC的电阻率大幅度提高,但对其压敏特性几乎没有影响。
　　4.冻融循环、掺氯盐、环境温度、湿度等环境对CNFC电学性能与压敏特性的影响规律为:(1)经过175次冻融前后CNFC的电学性能和压敏特性规律基本相同,但冻融后混凝土在相同压应力作用下的电阻变化率变小。(2)掺入0.5%、1.0%氯化钠,CNFC的电阻率不降低反而增大,极化时间变化没有明显规律,压敏曲线规律相同,但相同压应力水平下的电阻变化率逐渐减小。(3)CNFC的电阻率随着温度的升高而不断增大,极化时间逐渐减小。(4)CNFC在不同湿度条件下因水份蒸发其电阻率不断减小,极化时间逐渐增大,压敏特性几乎保持不变或者变化较小。

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第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.3 课题研究意义

1.4 课题研究内容

第2章 CNFC制作工艺与导电机理

2.1 引言

2.2 原材料

2.3 配合比

2.4 纳米碳纤维混凝土的制作工艺

2.5 CNFC微观形态及纤维分散情况

2.6 电阻、压力与位移采集系统

2.7 纳米碳纤维混凝土导电机理

2.8 本章小结

第3章 CN F C的电学性能与压敏特性

3.1 引言

3.2 CNFC的极化效应

3.3骨料对CNFC电学性能与压敏特性的影响

3.4 龄期对CNFC电学性能的影响

3.5 CNF掺量对CNFC电学性能与压敏特性的影响

3.6 干燥状态对CNFC的电学性能与压敏特性的影响

3.7 本章小结

第4章 各环境因素作用下CNFC的电学性能与压敏特性演变

4.1 引言

4.2 冻融循环对CNFC电学性能与压敏特性的影响

4.3 掺氯盐对CNFC电学性能与压敏特性的影响

4.4环境温度对CNFC电学特性的影响

4.5 环境湿度对CNFC电学特性与压敏特性的

4.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它

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