碳纤维水泥基复合材料导电特性及其应用研究

【摘要】：混凝土结构在使用过程中由于自然环境和损伤累计等因素的影响使得其结构材料劣化,使用功能降低,这严重地影响其使用寿命,使得混凝土结构的安全性、耐久性和适用性降低。对新建和已有混凝土结构进行安全检测是对结构可靠性进行监控的行之有效的办法。碳纤维水泥基复合材料是一种具有自检测能力的智能材料,是一项新型、低成本和应用前景广阔的混凝土结构检测材料。该技术出现的十几年来愈来愈引起国内外学者的重视,其应用研究领域正在不断扩展。本文结合国家自然科学基金重点项目:混凝土结构裂缝的形成与发展机理及控制技术研究(No.50438010)对碳纤维水泥基复合材料导电性能的影响因素及其对结构的检测性能进行了深入的研究,主要研究内容包括: 1.根据混凝土的非线弹性性质、纤维端部应力和由于温度变化产生的温度应力对剪应力及纤维正应力的影响,对短纤维增强混凝土应力传递的剪滞理论进行改进。结合碳纤维增强混凝土分析了混凝土应变、纤维端部正应力系数和温度差对应力传递的影响。认为在混凝土弹性阶段剪应力和纤维正应力受应变影响较小,塑性阶段应变对应力传递影响较大;纤维端部应力系数对剪应力和纤维正应力表现为线性影响;剪应力与温度变化呈同方向变化,但纤维正应力不受温度影响。 2.根据已有的水泥基复合材料电阻的测试经验,针对结构试验和工程实际本文根据课题的具体安排研制开发水泥基复合材料电阻检测设备,其即克服了有电极检测中现有检测设备复杂、成本高的缺点,又克服了无电极检测中电磁感应设备容易受到干扰、漏磁和只适用于材料试验的缺点。试验证明,作者研发的试验设备可以很好的应用于材料特性试验、三点弯曲梁试验和Ⅱ型断裂试验等研究中,并且可以获得电阻与材料和力学参数较好的对应关系。 3.利用直流双电极法研究了碳纤维砂浆和碳纤维混凝土的导电性能与其龄期之间的关系。为了模拟材料受载产生裂缝情况在材料内部设置人为绝缘,研究了在不同龄期碳纤维砂浆和碳纤维混凝土试件导电性能受其内部绝缘部分的面积、位置和数量影响的程度。结果表明,碳纤维砂浆的导电性能随龄期有显著的变化,并呈现Sigmoidal曲线关系,绝缘的数量对其导电性能无显著影响,但是绝缘位置越靠近电极其导电性能越强;碳纤维混凝土的导电性能随龄期有显著的变化,并呈现高斯曲线关系,绝缘片只有在某一对最佳截面上其导电性能才能达到最佳状态,在同一截面、龄期和绝缘面积下绝缘片的数量越多其导电性能越强。从灰关联分析的数据来看,对于碳纤维砂浆所考察因素对其导电性能影响由强到弱的顺序为:龄期、绝缘位置、绝缘数量、绝缘面积;对于碳纤维混凝土所考察因素对其导电性能影响由强到弱的顺序为:龄期、绝缘数量、绝缘位置、绝缘面积。龄期是影响碳纤维砂浆和碳纤维混凝土导电特性的决定因素。 4.采用纤维混凝土和纤维砂浆sensor两种方法,利用碳纤维混凝土和碳纤维砂浆的导电特性捕捉到了三点弯曲梁试件的起裂荷载。引入双K断裂准则计算了碳纤维混凝土的起裂韧度K_(ⅠC)~(ini)和失稳韧度K_(ⅠC)~(un),电阻变化率与荷载、跨中挠度和裂缝口张开位移的关系能较好的符合洛仑兹曲线的关系,该关系可以反映试件在峰值荷载前的弹性变形阶段、裂缝稳定开展阶段和裂缝失稳开展阶段。 5.利用碳纤维混凝土的导电特性对有限宽两端切口半边受力试件的断裂性能进行考察。结果表明,碳纤维混凝土的导电性能随荷载和位移有显著的变化;碳纤维混凝土的导电特性可以被用来确定该型试件的K_(ⅡC);并且在峰值荷载前的电阻变化率曲线可以明显的表征出试件在试验过程中的弹性变形阶段、裂缝稳定开展阶段和裂缝失稳开展阶