碳纤维混凝土力敏特性及在井壁受力监测中的初步应用

摘要

碳纤维混凝土（Carbon Fiber Reinforced Concrete，CFRC）是在普通混凝土中添加碳纤维而成的一种新型复合材料。CFRC具有良好的力学性能，同时还具有一定的机敏性，利用材料的机敏性，能实现对建筑结构的自检测。近年来，越来越多的学者对碳纤维混凝土导电特性进行研究，但由于碳纤维分散难的问题，碳纤维混凝土实际应用并不广泛。本文从利于实际应用的角度出发，选择较短碳纤维作为导电材料，对其力学性能和力敏性能进行研究。 首先对碳纤维混凝土和井壁监测的国内外研究现状进行了全面的综述。然后通过室内试验的方法，研究讨论了制作工艺、分散剂掺量、碳纤维掺量、碳纤维长度等因素对碳纤维混凝土抗压性能和电阻率的影响。再对不同受力条件下碳纤维混凝土电阻的变化规律进行了研究，最后将其用于井壁受力监测。 室内试验表明，施工工艺对碳纤维混凝土抗压强度有一定影响，但所用碳纤维尺寸越小，受影响程度越小。随着碳纤维掺量的增加，混凝土强度呈降低-升高-降低的变化规律，碳纤维最佳掺量为水泥质量的0.6%~1.0%。碳纤维混凝土与素混凝土界面抗剪强度大于普通混凝土，两种材料可共同使用。不同制作工艺都能有效降低混凝土电阻率，且电阻率随碳纤维掺量的增加而逐渐降低。正常条件下，碳纤维混凝土电阻整体较为稳定，受极化作用应影响，会有约2%增加。碳纤维混凝土具有良好的负温度系数（NTC）效应，即温度升高，混凝土电阻降低，温度降低，混凝土电阻变大。碳纤维混凝土具有良好的力敏性能，均匀加载至破坏时，混凝土电阻近似成线性降低。循环荷载作用下，应力水平较低时，每次循环电阻变化幅度基本相同，卸载后电阻值基本恢复到初始状态。应力水平较高时，卸载后电阻值高于初始值，且随着循环次数增多，电阻增加幅度逐渐变大。相同应力水平下，电阻变化幅度与碳纤维掺量成正比关系。 综合考虑强度、力敏特性以及现场实施等因素，采用同掺法的制作工艺，选用0.1mm长度的碳纤维，以0.6%的掺量制作碳纤维混凝土，在立井井筒-618m处浇筑一段高3.6m、直径5.5m的碳纤维混凝土智能井壁，采用环形电极布置，用于井壁安全监测。监测结果表明，碳纤维混凝土电阻变化能很好的反映出井壁受力的变化，通过线性拟合，找出电阻变化与应变之间定量关系，结果与传统振弦式传感器监测数据相吻合。对各电极进行应变反算，给出应变沿井壁一周的分布，实现井壁全方位监测，为今后实现智能井筒奠定基础。

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摘 要

Abstract

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Contents

图清单

表清单

变量注释表

1 绪论

1 Introduction

1.1 研究目的及意义（Research Objectives and Significance）

1.2.1 碳纤维在基体材料中分散性研究

1.2.2 CFRC基本力学性能研究

1.2.3 CFRC敏感性研究

1.2.4 CFRC的工作性能及工程应用

1.2.5 井壁安全监测研究

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

2 碳纤维混凝土基本力学性能研究

2 Study on The Basic Mechanical Properties of CFRC

2.1 引言（Introduction）

2.2 试验材料和设备及试件制作（Test Material and Test Equipment

2.2.1 试验材料

2.2.2 试验仪器设备

2.2.3 试件制作与养护

2.3.1 制作工艺的影响

2.3.2 分散剂的影响

2.3.3 碳纤维长度对混凝土抗压强度的影响

2.3.4 碳纤维掺量对混凝土抗压强度的影响

2.4 CFRC与普通混凝土交界面抗剪强度研究（Study on Shear Strength of

2.4.1 试验设计

2.4.2 试验步骤

2.4.3 试验结果及分析

2.5 本章小结（Summary）

3 碳纤维混凝土电阻测试及稳定性研究

3 Resistance Test and Stability Study of CFRC

3.1 引言（Introduction）

3.2碳纤维混凝土导电机理（The Conductive Mechanism of CFRC）

3.3 碳纤维混凝土电阻测试方法（Resistance Testing Method of CFRC

3.3.1 电阻测试方法

3.3.2 测试电极选取

3.4 碳纤维混凝土电阻的影响因素研究（Study on The Influence Factors

3.4.1 制作工艺的影响

3.4.2 养护龄期的影响

3.4.3 养护环境的影响

3.4.4 碳纤维掺量的影响

3.4.5 碳纤维长度的影响

3.5 碳纤维混凝土电阻稳定性研究（Study on Resistance Stability of

3.5.1 常态下碳纤维混凝土电阻稳定性测试

3.5.2 温度对碳纤维混凝土电阻的影响

3.5.3 湿度对碳纤维混凝土电阻的影响

3.6 本章小结（Summary）

4 碳纤维混凝土压敏特性研究

4 Study on pressure sensitivity of CFRC

4.1 引言（Introduction）

4.2 CFRC压敏机理（Pressure Sensitive Mechanism of CFRC）

4.3 线性荷载下加载至破坏电阻变化规律（Resistance Variation Rule of

4.3.1 试验设计

4.3.2 试验结果及分析

4.4 循环荷载下电阻变化规律（Resistance Variation Rule of CFRC

4.4.1 不同应力水平等幅循环荷载下的电阻变化规律

4.4.2 不等幅循环荷载下的电阻变化规律

4.5 荷载保持下电阻变化规律（Resistance Variation Rule of CFRC

4.5.1 试验设计

4.5.2 试验结果分析

4.6 本章小结（Summary）

5 碳纤维混凝土在井壁原位受力监测中的初步应用

5 Preliminary Application of CFRC in In-situ Stres

5.1 工程概况（Project Summary）

5.2 监测方案（Monitoring Scheme）

5.3 传统定点测试方案与现场实施（Traditional Fixed-point Test Sch

5.3.1 测试层位

5.3.2 测试内容

5.3.3 现场实施

5.4 碳纤维混凝土井壁现场实施（Implementation of CFRC Wellbore）

5.4.1 测试层位

5.4.2 碳纤维混凝土制作

5.4.3 测试电极埋设

5.4.4 数据传输及采集

5.4.5 现场试块试验

5.5 监测结果分析（Analysis of Monitoring Results）

5.6 本章小结（Summary）

6 结论与展望

6 Conclusion and Prospect

6.1 结论（Conclusion）

6.2 展望（Prospect）

参考文献

作者简历

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