碳纤维水泥基复合材料受拉构件破坏全过程研究

论文摘要

导电混凝土是近年来兴起研究的功能材料之一,是在对传统的混凝土进行改性、研究和开发之后得到的。它除具有良好的力学性能外,还具有压敏性、温敏性及其它性能,不但顺应了当前材料科学的发展趋势,即促进材料向多功能化和信息技术方向发展,为智能结构的设计提供材料基础,而且对混凝土结构在服役期或在台风及地震等自然灾害作用下的结构完整性的自诊断、损伤和缺陷的预报乃至自我修复等具有重要意义。另外,它还应用于机场、高架桥和高速公路等进行融雪除冰,以及建筑采暖和电磁屏蔽等领域。但是,作为智能混凝土基础的力学参量与电学参量之间的关系尚缺乏基础研究,与弹性模量相同,电导率是材料的本征量。为了研究碳纤维混凝土的导电性,并揭示其导电性能与力学性能之间的关系,本论文做了以下主要工作：进行了导电混凝土试件制作方法的探索；试件电导率测量电路的设计；混凝土试件在单次受拉荷载作用下,电学量及力学量的全过程自动测量；轴心荷载作用全过程水泥砂浆试件的如何实现；探索了将电-力比拟方法推广到损伤、破裂全过程的可能性；对混凝土的损伤分析。在导电混凝土受压全过程中,在含水率不变的条件下,引起电导率变化的主要原因有以下两个：（1）导电颗粒或纤维的接触程度：当接触紧密时,电导率上升,反之下降；（2）混凝土的损伤程度：损伤小,电导率大,反之小。试件的电导率是上升还是下降取决于这两个因素谁起主导作用。试件加载至破坏的全过程可以用电导率的全过程变化体现出来。导电水泥砂浆单轴受拉全过程试验表明了比拟法的正确性：试验中导电混凝土试件集承载与导电于一身,由于力场与电场的边界条件相似（即便出现损伤甚至破裂也是相似的）,力场和电场是可以全过程相互比拟的。根据实测的电导率-应变、割线模量-应变关系,分析得出了二种关系的比拟关系。在导电混凝土力学和电学性能、损伤、尤其是力场-电场比拟关系诸方面的基础性研究具有创新性和理论意义,其结果可应用于建筑、桥梁、水利等基础设施建设、IT、电业及航空航天等广阔的领域,具有实用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 智能材料的研究及其应用现状
• 1.2.1 智能材料的概念、分类
• 1.2.2 智能材料的基本组成和工作原理
• 1.2.3 智能材料的应用和发展趋势
• 1.3 智能混凝土的研究现状
• 1.3.1 损伤自诊断智能混凝土
• 1.3.2 自适应自调节智能混凝土
• 1.3.3 自修复智能混凝土
• 1.3.4 具有反射与吸收电磁波功能的智能混凝土
• 1.3.5 温度自监控智能混凝土
• 1.4 国内外碳纤维智能混凝土的研究现状和研究趋势
• 1.4.1 国外研究现状
• 1.4.2 国内研究现状
• 1.5 本文研究的目的及意义
• 1.5.1 研究的目的
• 1.5.2 研究的意义
• 第2章 碳纤维混凝土的导电机理与导电的测量
• 2.1 掺碳纤维混凝土的导电机理
• 2.1.1 聚合物基复合材料的导电机理
• 2.1.1.1 复合材料的导电性能
• 2.1.1.2 聚合物基复合材料的导电机理
• 2.1.2 导电混凝土
• 2.1.2.1 导电混凝土的定义
• 2.1.2.2 导电混凝土主要性能指标
• 2.1.2.3 导电相骨料
• 2.1.3 碳纤维复合材料的导电机理
• 2.1.3.1 导电通路形成理论
• 2.1.3.2 室温导电机理
• 2.1.3.2.1 通道导电理论
• 2.1.3.2.2 隧道效应理论
• 2.1.4 碳纤维智能混凝土的导电机理
• 2.1.4.1 碳纤维智能混凝土的导电组分
• 2.1.4.2 碳纤维水泥砂浆的导电性能
• 2.1.5 碳纤维智能混凝土的导电模型
• 2.2 导电性的测量
• 2.2.1 极化机理
• 2.2.2 电源与电极选用
• 2.2.2.1 电极方案及初始电阻测量
• 2.2.3 用直流法测量导电混凝土的电阻率
• 2.2.3.1 直流回路法
• 第3章 碳纤维水泥砂浆试件的制备
• 3.1 引言
• 3.2 试验材料及工艺
• 3.2.1 试验材料
• 3.2.1.1 导电材料
• 3.2.1.2 水泥基体材料
• 3.2.1.3 外掺粉料的选择
• 3.2.1.4 外加剂的选择
• 3.2.2 碳纤维智能混凝土制作工艺的探讨
• 第4章 碳纤维水泥砂浆试验概况
• 4.1 概述
• 4.2 碳纤维在混凝土中分散性研究
• 4.2.1 分散原理分析
• 4.2.2 甲基纤维素（MC）的表面润滑
• 4.2.3 硅灰的填充效应
• 4.3 碳纤维分散性研究方法简介
• 4.4 投料顺序和分散剂的选用
• 4.5 小结
• 第5章 碳纤维水泥砂浆轴心受拉全过程的研究
• 5.1 实验概况
• 5.1.1 实验材料和设备选取
• 5.1.1.1 实验材料及性能指标
• 5.1.1.2 主要试验设备
• 5.1.2 试件的制备
• 5.1.3 探索性试验
• 5.1.4 试验方法
• 5.1.4.1 试件受力全过程曲线测定的实现途径
• 5.1.4.2 实验现场
• 5.2 龄期对体系电阻率的影响
• 5.2.1 结果与分析
• 5.3 轴心受拉全过程试验
• 5.3.1 结果与分析
• 5.4 导电混凝土的电—力比拟
• 5.4.1 外部量与本征量的区别
• 5.4.2 电—力比拟
• 第6章 结语与展望
• 6.1 结论
• 6.2 未来的研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 项目资助情况