内掺CCCW的水泥基机敏材料电学性能研究

摘要

内掺碳纤维、石墨等导电相的水泥基机敏材料除了具有优越的力学性能外，还具有良好的电学性能，在结构健康监测、交通监测、电磁屏蔽等方面有着广泛的应用前景。 本研究采用两电极法和四电极法测试材料的体积电阻，Instron5882万能材料试验机测试材料的力学性能和进行试块的压阻试验加载。采用Keithley2700数据自动分析系统记录电压，直流电流由Keithley2400恒流源提供，并用JSM—5610LV扫描电镜分析材料的微观结构。通过掺入含活性化学物质CCCW材料（水泥基渗透结晶防水材料）及使用经过浓硝酸浸泡的短切碳纤维，有效提高了水泥基机敏材料电学性能的稳定性。主要研究内容及结论如下： （1）研究了不同碳纤维掺量水泥净浆试块的渗流现象及其在循环荷载下的压阻特性，分析了碳纤维掺量不同时水泥净浆试块的压阻性能差异产生的原因。结果表明：当适量地掺入碳纤维时，试块的电阻变化率和压应力存在较好的对应关系。碳纤维掺量为水泥质量的1.0％～1.2％时，试块具有较佳的压阻性能。 （2）研究了不同碳纤维掺量水泥砂浆试块的渗流现象及其在循环荷载下的压阻特性和材料的力学性能，分析了碳纤维含量对水泥砂浆试块的压阻性能和抗压强度的影响。结果表明：碳纤维掺量为加入水泥质量的3.096～4.0％时，试块的压阻性能较好；碳纤维掺量为水泥质量的1.4％时，抗压强度达到最大值59.1MPa。 （3）研究了碳纤维—石墨水泥砂浆试块在循环荷载下的压阻特性及石墨含量对试块抗压强度的影响。结果表明：试块的电阻变化率和压应力也存在较好的对应关系。在碳纤维含量为所加水泥质量分数的1.0％，石墨掺量为20％～30％时，试块的压阻性能最好；掺与不掺KIM的碳纤维．石墨水泥砂浆试块的抗压强度均随石墨掺量的增加而降低，但是，在石墨掺量相同条件下，掺入KIM后试块的抗压强度有一定提高。 （4）掺加CCCW后可在一定程度上减弱试块的极化效应，有效提高测试试块的电阻稳定性；此外，对碳纤维表面进行氧化处理后，大大增强了其在水泥基体中的分散性，也有益于试块电学性能的稳定。 （5）对机敏材料渗流现象机理、极化现象机理进行了讨论，提出了渗流现象的有效介质模型，并对机敏材料的压阻机理进行了理论分析。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1机敏混凝土概述

1.1.1机敏材料的概念

1.1.2机敏混凝土简介

1.1.3机敏混凝土的研究方向

1.2国内外有关机敏混凝土电学性能的研究现状

1.3国内外有关CCCW材料的研究现状及应用

1.4本课题研究的目的及意义

1.4.1研究目的

1.4.2研究意义

1.5本研究的主要内容

第2章试样制备与测试方法

2.1试验材料及试样制备

2.1.1原材料及特性

2.1.2试验主要设备

2.1.3试样制备

2.2测试方法的选择

2.3性能测试

2.3.1水泥基机敏材料导电性能测试

2.3.2水泥基机敏材料压阻性能测试

2.3.3水泥砂浆机敏材料抗压强度测试

2.4 SEM电镜分析

第3章碳纤维水泥净浆试块的电学性能研究

3.1测试系统

3.2试验结果与分析

3.2.1 CFRC净浆试块的渗流现象及分析

3.2.2 CFRC净浆试块的极化现象及分析

3.2.3 CFRC净浆试块的压阻特性及主要影响因素

3.3本章小结

第4章碳纤维水泥砂浆的电学性能及力学性能研究

4.1测试系统

4.2实验结果与分析

4.2.1 CFRC砂浆试块的渗流现象及分析

4.2.2 CFRC砂浆试块的极化现象及分析

4.2.3 CFRC砂浆试块的压阻特性及主要影响因素

4.2.4不同碳纤维掺量下CFRC砂浆试块的抗压强度测试

4.2.5碳纤维对CFRC砂浆试块抗压强度的影响机理

4.3本章小结

第5章碳纤维-石墨水泥砂浆的电学及力学性能研究

5.1测试系统

5.2试验结果与分析

5.2.1碳纤维-石墨水泥砂浆试块的渗流现象及分析

5.2.2碳纤维-石墨水泥砂浆试块的压阻特性

5.2.3不同石墨掺量下碳纤维-石墨砂浆试块抗压强度测试

5.2.4石墨对碳纤维-石墨水泥砂浆试块抗压强度的影响

5.2.5碳纤维-石墨水泥砂浆试块的微观形貌分析

5.3本章小结

第6章讨论

6.1水泥基机敏材料的导电机理

6.1.1机敏材料的渗流现象

6.1.2内掺CCCW机敏材料的极化现象

6.2机敏材料渗流现象的有效介质模型

6.3机敏材料压阻性能的理论模型

6.4本章小结

第7章 结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

致谢

附录硕士研究生期间发表的论文