GCC在结构监测中的应用研究

论文摘要

近年来,我国综合国力发展的脚步越来越快,越来越多的土木工程方兴未艾,然而建好后的结构在使用过程中普遍因为地基不均匀沉降、温度变化、承载力不足等因素难免出现裂缝,当裂缝渐渐扩展到一定的宽度,就会发生渗水、钢筋锈蚀等问题,从而破坏混凝土结构的安全性和整体性。因此,及时检测到混凝土结构的微裂缝,并随时监测其发展态势,必能有效增加工程结构的安全可靠性；所以,对建筑结构的健康状况的在线监测与评估就显得十分重要。在众多用于结构安全监测以及检测的方法中,传感器的选择是及其重要的一个方面；在各类传感器的中,用应力自感知水泥基复合材料所制成的传感器以其与混凝土结构有着天然的匹配性的优势,近年来成为国内外研究的热点。对于应力自感知水泥基复合材料的研究基本是围绕碳纤维水泥基复合材料展开的,碳纤维虽然物理力学性能良好,但是也存在着造价高,在水泥基体中不宜分散导致试块电学性能不稳定等问题；而石墨不仅具有良好、稳定的导电特性,在酸碱环境中耐腐蚀、抗氧化性能好,能够很好地适应水泥的高碱环境,与之相关的用于结构安全监测的研究还鲜有报道。因此,作者对石墨水泥基复合材料(GCC)展开了一系列研究：首先,介绍了相关的导电理论,并首次提出了采用小尺寸试件进行研究并对其制备方法进行介绍：主要从导电相材料的选择、电极以及测试方法的选择等方面展开；其次,对GCC材料制成的小尺寸试件进行基础性研究,包括以下几个方面：相同石墨掺量条件下,不同水灰比试件的电流变异系数的研究；不同的石墨掺量对导电性能的影响以及龄期、外加电压和含水率对试件导电性能的影响；再次,在此基础上创新性地对其性能进行改进：使用0.5%水泥质量的膨润土进行掺入,对其在拉伸作用下的力敏特性进行研究,并与普通GCC试件的承受变形的能力以及渗滤阈值等方面进行比较,制备出电学性能稳定,力学性能较好的新型力敏材料;最后,根据试验中试件破坏的特点,运用有限元理论以及ABAQUS软件,选取空白试件为代表进行数值模拟,通过线弹性本构模型以及第一强度理论,对试件的破坏原因进行简要的分析并与试验结果进行比较。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外文献综述
• 1.2.1 应力自感知水泥基复合材料的研究现状
• 1.2.2 石墨水泥基复合材料（GCC）的研究现状
• 1.3 研究意义
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 导电理论以及GCC试件的制备
• 2.1 水泥基材料的导电理论
• 2.1.1 渗滤理论
• 2.1.2 量子力学隧穿效应
• 2.1.3 漏电导电理论
• 2.2 石墨砂浆的导电机理
• 2.3 GCC试件的制备
• 2.3.1 导电相材料的选择
• 2.3.2 电极的选择
• 2.3.3 测试方法的选择
• 本章小结
• 第三章 GCC导电性能的影响因素
• 3.1 水灰比对GCC试件导电特性的影响分析
• 3.1.1 试验材料、仪器以及工艺
• 3.1.2 试验过程与方法
• 3.1.3 试验结果与讨论
• 3.2 石墨掺量以及养护龄期对GCC材料的影响分析
• 3.2.1 石墨掺量对GCC材料的影响
• 3.2.2 养护龄期对GCC材料的影响
• 3.3 外加电压对GCC试件导电性能的影响分析
• 3.3.1 试验材料与仪器
• 3.3.2 制备方法及养护条件
• 3.3.3 实验过程
• 3.3.4 结果与讨论
• 3.4 含水率对GCC导电性能的影响分析
• 3.4.1 试验仪器与设备
• 3.4.2 试验过程与方法
• 3.4.3 实验结果与讨论
• 本章小结
• 第四章 基于拉伸作用下GCC试件的力敏性能实验研究
• 4.1 普通GCC试件在拉伸作用下力敏效应的分析
• 4.1.1 试验材料与方法
• 4.1.2 试验结果分析
• 4.1.3 结果讨论
• 4.2 添加膨润土的GCC试件在拉伸作用下的力敏效应的分析
• 4.2.1 实验材料与方法
• 4.2.2 试验结果与讨论
• 4.3 添加膨润土的试件与不添加膨润土的试件各项性能的对比分析
• 4.4 结果与讨论
• 本章小结
• 第五章 拉伸作用下试件的破坏分析
• 5.1 有限元建模分析
• 5.1.1 基本假定
• 5.1.2 本构模型与破坏准则
• 5.1.3 有限元相关参数的选择与确定
• 5.2 数值结果分析
• 5.2.1 破坏前云图分析
• 5.2.2 微裂纹稳定扩展云图分析
• 5.2.3 试件荷载峰值云图分析
• 5.2.4 试件断裂后云图分析
• 5.3 数值结果与试验结果对比分析
• 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢