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碳纤维硫铝酸盐水泥复合材料的制备及其机敏特性

王守德  
【摘要】: 重大土木建筑物结构的健康检测需要在其关键部位埋设各种传感器件,碳纤维水泥复合材料具有优良的机敏性能,有望制作成此类传感器器件进行健康检测,同时其与混凝土具有良好的相容性,因此,研究与开发碳纤维水泥复合材料的机敏性能及其影响因素对于推动土木工程结构向智能化方向发展有重要的应用意义和学术价值。本文以硫铝酸盐水泥为基体,制备了碳纤维硫铝酸盐水泥复合材料(CFSC),重点研究了碳纤维在CFSC中的分散工艺以及CFSC压阻、压容、温阻和温容机敏特性,并探讨了环境和水化龄期对CFSC机敏性能的影响。 研究了分散剂浓度、搅拌工艺和粉煤灰对碳纤维分散效果的影响,结果表明,随着甲基纤维素浓度的提高,碳纤维的分散效果存在极值,当甲基纤维素浓度为0.051g/mL时,碳纤维分散效果最好;搅拌工艺中采用先将碳纤维分散到分散剂,然后加入水泥的方法可以提高碳纤维的分散效果;粉煤灰可以提高碳纤维在CFSC中的分散性。 研究了碳纤维掺量对净浆、砂浆、混凝土CFSC压阻和压容特性的影响规律,并研究了纳米氧化钛、碳纳米管、粉煤灰的掺入以及碳纤维氧化处理对净浆CFSC压阻和压容特性的影响,结果表明:随着碳纤维含量的增加,浇注净浆、砂浆和混凝土CFSC的压阻特性和压容特性变化幅度均存在极值,当碳纤维掺量为0.5%时,净浆、砂浆和混凝土CFSC的压阻特性和压容特性均最好;碳纤维含量相同时,净浆、砂浆和混凝土CFSC的压阻特性和压容特性变化幅度依次降低;6%纳米氧化钛可以提高CFSC的压阻特性,但过量氧化钛掺量将使CFSC的抗压强度受到损害;碳纳米管掺量为0.6%时,净浆CFSC的压阻特性变化幅度最大,碳纳米管掺量为0.4%时,CFSC的压容特性变化幅度最大;10%粉煤灰的掺入可以提高CFSC的压阻特性和CFSC压容特性变化的可逆性;碳纤维氧化处理可以提高CFSC的压阻特性,但降低了CFSC的压容特性。在研究的组分中,其中碳纳米管对提高CFSC压阻和压容特性比其他组分更具有优势。 研究了碳纤维、纳米氧化钛和碳纳米管的掺量CFSC温阻和温容特性的影响规律,结果表明,当碳纤维掺量为0.5%时,在-40~86.7℃范围,随温度的提高CFSC的电阻率逐步降低,表现出良好的温阻特性;在50℃和70℃保温时,CFSC电阻率基本保持不变,在升温-降温热循环过程中,CFSC的温阻曲线趋向稳定;纳米氧化钛对CFSC的温阻特性没有明显的改善作用,0.4%碳纳米管的掺入可以提高CFSC温阻特性的线性变化;当碳纤维掺量到达到0.5%时,CFSC的温容特性比较稳定,随着温度升降循环次数的增加,温度-电容曲线线形基本保持不变,表现出较好的温容特性重复性;CFSC在70℃下具有长时间的电容稳定性,0.4%碳纳米管的掺入提高了CFSC温容特性的线性变化。因此,利用掺入合适量碳纳米管的CFSC的温阻和温容特性,可以将CFSC制作成温度传感器用于环境温度的测量。 研究了成型工艺对CFSC压阻、压容、温阻和温容的影响规律,结果表明,在相同循环载荷作用下,压制成型制备CFSC的电阻率变化幅度和电容率变化幅度均明显小于浇注成型;当成型压力为7MPa和10MPa时,CFSC具有最好的压阻特性,这与复合材料的气孔率有关;压制成型CFSC的温阻和温容特性与浇注成型变化规律相同,区别之处在于压制成型CFSC的温阻和温容特性更加稳定;与浇注成型CFSC温阻特性的Arrhenius方程曲线相比较,压制成型CFSC方程曲线更趋于线性变化;成型压力越大,CFSC的温阻特性变化越趋于平缓;成型压力对CFSC温阻特性Arrhenius方程曲线斜率影响较小。成型压力越大,CFSC温容特性增长幅度越大。由此可以看出,压制成型工艺可以提高CFSC机敏特性的线性变化,有利于检测信号的控制。 研究了环境和水化龄期对CFSC压阻、压容、温阻和温容的影响规律,结果表明,相对湿度越大,CFSC的电容效应越明显,CFSC的压阻特性受到削弱,为了充分发挥CFSC的压阻特性,在使用过程中复合材料应该密封;相对湿度越大,CFSC的压容特性变化幅度越大;当相对湿度较高时,CFSC的压容特性趋于稳定;为了充分发挥CFSC随着水化龄期的延长,CFSC的电阻率不断下降,并且CFSC的压阻特性变得越来越趋向于稳定且线性变化;随着水化龄期的延长,CFSC的电容率不断升高,CFSC的压容特性变得越来越趋向于稳定且线性变化;水化龄期能够影响CFSC的电阻率和电容,为了得到稳定的CFSC温阻特性和温容特性,必须对CFSC进行充分水化。 通过工艺、组分及影响因素的探索,得到了机敏性能良好的CFSC,找到了成型工艺、环境和湿度对CFSC机敏性能的影响规律,对于应用CFSC制作成机敏传感器件打下了坚实的材料基础和理论基础,对于土木建筑结构向智能化方向发展具有重要意义。


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