机敏混凝土的压敏性及钢筋腐蚀与防护机理研究

论文摘要

机敏混凝土作为一种水泥基本征复合材料,与混凝土结构具有天然的相容性和同寿命性,还具有造价低、可大规模布设等特点,可满足土木工程结构长期健康监测的需要,已成为该领域的热点和前沿研究方向。水泥基导电复合材料应变自感知性能是基于其电阻与应变的对应关系,即压阻特性。本文针对目前机敏混凝土存在的问题,提出了在制备水泥基复合材料时内掺水泥基渗透结晶防水材料（CCCW）、以碳纤维和石墨为导电相的技术路线,并从制备工艺及组分优化、单向和多轴应变状态下的自感知特性及机理,以及含CCCW和碳纤维混凝土中钢筋的腐蚀与防护机理等方面进行了较深入系统的研究。论文主要成果与创新之处如下：1.首次提出了在机敏混凝土的制备过程中使用CCCW材料,以改进机敏材料的电学性能及压敏性的稳定性,提高机敏材料的力学性能。通过改进碳纤维分散工艺、内掺CCCW和采用浓硝酸浸泡PAN基碳纤维制备了碳纤维水泥净浆和砂浆,并对其微观结构、电学特性、单向循环荷载下的压阻特性和力学性能进行了实验研究和理论分析。同时,研究了内掺CCCW的石墨水泥基机敏材料（GCC）的导电及压阻性能、力学性能。结果表明,经浓硝酸浸泡处理的碳纤维分散性得到了增强,碳纤维在水泥基体中分散较为均匀。CCCW对试样的微裂缝具有自修复作用,可以提高机敏混凝土的力学性能和电学性能的稳定性。2.研究了内掺CCCW的碳纤维石墨水泥基复合材料（CFGCC）的电学性能和力学性能。通过复掺长程导电的碳纤维和短程导电的石墨,内掺CCCW以部分弥补加入石墨导致的复合材料力学性能的下降,制备了电学性能稳定、力学性能较好的新型机敏材料。研究结果表明,内掺4%(CCCW（占水泥质量分数,下同）、1%碳纤维的CFGCC渗滤阈值为20%左右；石墨掺量为20%-30%的CFGCC的压阻特性最好,碳纤维和石墨复掺工艺提高了机敏材料电学性能的稳定性。3.提出了利用羟丙基甲基纤维素（HPMC）作为制备机敏混凝土时所加短切碳纤维的分散剂。结果表明,HPMC可以替代羧甲基纤维素（CMC）分散碳纤维,有效解决其容易起霉、耐水性差的问题。4.研究了所制备的新型机敏材料的应变灵敏度系数K（单位应变的电阻变化率）,探讨了多循环对CFGCC试块电学性能的影响,基于隧道效应理论,对多轴应变下的力电理论进行了初步分析,并进一步探索了嵌入式GCC、CFGCC试块对混凝土柱的自感知特性,研究了多轴应变条件下机敏材料作为传感器监测结构埋入试样部位的受力状态的可行性。结果表明,在压应力幅值6.25MPa循环荷载作用下,含石墨20%和50%的GCC试样的K值分别为37和22：含碳纤维1%、石墨20%和30%的CFGCC的K值分别为63和25,均远高于电阻应变片的2。嵌入式GCC、CFGCC试块的混凝土柱具有良好的压敏特性。在循环荷载的作用下,内嵌混凝土柱中心的机敏材料试块的电阻变化率与混凝土柱所受的压力呈现良好的对应关系,具有很好的同步性。在单调加载条件下,试块的电阻值可以清晰反映试块的弹性范围、塑性范围和破坏范围。5.采用新拌砂浆法、硬化砂浆法和宏观电池技术,研究分析了掺CCCW、短切碳纤维及盐水浸泡和干湿循环对钢筋锈蚀的影响,探讨了混凝土结构钢筋腐蚀与防护的机理。结果表明,短切碳纤维促进钢筋锈蚀,其含量越大,促进钢筋锈蚀作用越明显。结构系统防护法可有效实施对钢筋的保护。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 智能混凝土的研究现状与进展
• 1.2.1 自感知混凝土
• 1.2.1.1 聚合物基复合材料的导电机理及研究进展
• 1.2.1.2 水泥基复合材料的研究现状及发展趋势
• 1.2.2 自修复混凝土
• 1.2.2.1 混凝土裂缝的自修复原理及其影响因素
• 1.2.2.2 存在的问题及发展趋势
• 1.2.3 自调节混凝土
• 1.2.4 自阻尼混凝土
• 1.3 混凝土的耐久性及钢筋腐蚀防护技术的研究现状与进展
• 1.3.1 混凝土中钢筋腐蚀的机制
• 1.3.2 混凝土中钢筋腐蚀防护技术及研究现状与进展
• 1.4 本文的课题来源及主要研究内容
• 第2章 内掺CCCW的碳纤维水泥基复合材料研究
• 2.1 引言
• 2.2 内掺CCCW的碳纤维水泥净浆试块的性能
• 2.2.1 原材料和试验方法
• 2.2.2 渗滤现象及其分析
• 2.2.3 循环加载下的压阻特性及分析
• 2.3 碳纤维水泥净浆试块的电阻及其稳定性分析
• 2.3.1 试验方法
• 2.3.2 结果及讨论
• 2.4 内掺CCCW的碳纤维水泥砂浆的性能及微观组织
• 2.4.1 试验方法
• 2.4.2 结果和讨论
• 2.4.2.1 碳纤维水泥砂浆的导电特性研究
• 2.4.2.2 在循环荷载下的压阻特性
• 2.4.2.3 抗压强度测试结果与分析
• 2.4.2.4 XRD分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 石墨水泥砂浆的导电及压阻特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验材料及方法
• 3.2.1 原材料
• 3.2.2 试样制备
• 3.2.3 测试方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 不同石墨掺量的水泥基复合材料体积电阻率
• 3.3.2 不同石墨掺量水泥基复合材料在循环荷载作用下的压阻特性
• 3.4 本章小结
• 第4章 碳纤维石墨水泥砂浆的导电及压阻特性
• 4.1 引言
• 4.2 表面涂刷银粉导电胶电极试样的导电及压阻特性
• 4.2.1 试验材料与方法
• 4.2.1.1 原材料
• 4.2.1.2 试样制备
• 4.2.1.3 测试方法
• 4.2.2 结果与讨论
• 4.2.2.1 不同石墨掺量的CFGCC体积电阻率
• 4.2.2.2 在循环荷载作用下的压阻特性
• 4.3 不锈钢丝网状电极试样的导电及压阻特性
• 4.3.1 试验材料与方法
• 4.3.1.1 原材料
• 4.3.1.2 试样制备
• 4.3.1.3 测试方法
• 4.3.2 结果与讨论
• 4.3.2.1 试样电阻随固化龄期的变化规律
• 4.3.2.2 不同石墨掺量的碳纤维石墨水泥砂浆的体积电阻率
• 4.3.2.3 在循环荷载作用下的压阻特性
• 4.3.2.4 两种电极试验方法及结果比较
• 4.4 本章小结
• 第5章 HPMC分散碳纤维的水泥砂浆电学性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验材料与方法
• 5.2.1 原材料
• 5.2.2 试样制备
• 5.2.3 测试方法
• 5.3 结果及讨论
• 5.3.1 试样电阻随固化龄期的变化规律
• 5.3.2 不同石墨掺量的碳纤维石墨水泥砂浆的体积电阻率
• 5.3.3 在循环荷载作用下的压阻特性
• 5.4 本章小结
• 第6章 机敏材料的压敏性及灵敏度测试与分析
• 6.1 引言
• 6.2 基本原理及试验过程
• 6.2.1 应变灵敏度系数定义
• 6.2.2 试验过程
• 6.3 结果及讨论
• 6.3.1 内掺CCCW的石墨水泥砂浆（GCC）的压敏特性
• 6.3.2 内掺CCCW的碳纤维石墨水泥砂浆（CFGCC）的压敏性
• 6.3.3 循环荷载对CFGCC试块电学性能的影响
• 6.3.4 结果分析
• 6.3.5 基于隧道效应理论的多轴应变下的力电理论分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 嵌入式机敏结构的研究
• 7.1 引言
• 7.2 试验
• 7.2.1 试块及内嵌GCC试块、CFGCC试块混凝土柱的制备
• 7.2.2 测试方法
• 7.3 结果及讨论
• 7.3.1 循环荷载下混凝土柱内嵌GCC或CFGCC试块的压阻特性
• 7.3.2 单调加载下混凝土柱内嵌GCC或CFGCC试块的压阻特性
• 7.3.3 讨论
• 7.4 本章小结
• 第8章 混凝土中钢筋腐蚀与防护机理研究
• 8.1 引言
• 8.2 混凝土中钢筋腐蚀问题研究
• 8.2.1 原材料及试验方法
• 8.2.2 结果与讨论
• 8.2.2.1 新拌砂浆法测定掺和料对钢筋锈蚀性能的影响
• 8.2.2.2 硬化砂浆法测定掺和料对钢筋锈蚀性能的影响
• 8.2.2.3 5%NaCl溶液及干湿循环对水泥砂浆中钢筋锈蚀的影响
• 8.2.2.4 讨论
• 8.3 CCCW掺入剂对混凝土中钢筋保护作用研究
• 8.3.1 原材料及试验方法
• 8.3.1.1 原材料及设备
• 8.3.1.2 试验方法
• 8.3.2 结果与讨论
• 8.3.2.1 试验结果及分析
• 8.3.2.2 CCCW对钢筋防护作用机理
• 8.4 本章小结
• 第9章 结论与展望
• 9.1 主要结论
• 9.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录