新型建筑材料—纳米级碳纤维混凝土性能研究

【摘要】：随着现代混凝土工程的大型化、超大型化、工程环境的超复杂化以及混凝土材料应用领域的不断扩大,人们对混凝土材料的要求也逐步提高,高性能混凝土和高功能混凝土是21世纪混凝土材料科学和工程技术发展的重点和方向。而纳米技术在混凝土领域的渗透,打破传统混凝土的局限,极大地扩展了混凝土的应用领域,给混凝土行业带来了崭新的生命力。纳米级碳纤维混凝土作为一种新型建筑材料目前在国际上鲜有研究,国内几乎处于空白阶段。本文以美国国家科学基金项目(NSF项目编号：0634279)为依托,在消化吸收相关文献的基础上,以试验为主、数值分析为辅的研究手段系统地探索了纳米级碳纤维混凝土的基本物理力学性质以及基于电阻变化率的机敏特性等问题。论文的主要研究内容和研究成果如下： (1)在纳米级碳纤维混凝土的制备中,使用三种适合用于混凝土拌制与施工的纳米级碳纤维分散方法,并通过实验结果比较采用不同分散方法制备的纳米级碳纤维混凝土的力学特性和电阻特性。确定了采用聚羧酸盐高效减水剂水溶液作为分散介质,同时配合适量消泡剂对纳米级碳纤维进行分散的方法,可实现纳米级碳纤维对混凝土物理力学性能增强和功能化的目的。 (2)通过单轴抗压试验、抗弯试验、劈裂试验和轴向不等辐循环抗压试验对纳米级碳纤维混凝土材料的物理力学性能进行了测试,确定了不同类型纳米级碳纤维在混凝土和自密实混凝土中的最优掺量。电镜扫描结果也表明将适量的分散良好的纳米级碳纤维掺入混凝土中可以增强其抗压强度、劈裂强度,提高混凝土的延性和抗弯性能。 (3)从纳米级碳纤维混凝土的电阻特性和导电机理入手,通过试验揭示了纳米级碳纤维混凝土在抗压、抗弯、劈裂和循环荷载试验中电阻变化与应力应变之间的关系。实验结果表明,纳米级碳纤维混凝土试件表现出良好的压敏特性,是一种很有应用前景的具有自监测功能的智能混凝土材料。 (4)使用超声波脉冲速度法探讨了普通混凝土和纳米级碳纤维混凝土中脉冲速度与电阻变化率和抗压强度之间关系。试验结果显示出纳米级碳纤维混凝土内部的超声波脉冲速度与其抗压强度具有较好的线性关系,在混凝土应变增大时其内部脉冲速度变化和电阻变化关系也有很好的规律性。因此可利用这些关系来预测混凝土强度,实现对其性质的无损探察。 (5)使用基于循环软化模型的有限元程序对纳米级碳纤维混凝土框架剪力墙的抗震性能进行了模拟计算分析。结果表明纳米级碳纤维的加入使得墙体物理力学性能得到提升,其平均延性和抗剪能力也相应增强,因而使用纳米级碳纤维混凝土可以提高剪力墙的抗震性能。 (6)通过试验进一步研究了纳米级碳纤维钢筋混凝土梁结构和受弯曲控制的纳米级碳纤维钢筋混凝土桥柱试件的机敏特性。提出纳米级碳纤维钢筋混凝土与纳米级碳纤维素混凝土相似,在工作(受力)状态下荷载或变形与电阻变化率之间存在着相应的关系,进一步验证将纳米级碳纤维混凝土用于结构中而使钢筋混凝土结构智能化的可行性。