复相导电混凝土应用于损伤诊断的试验研究

论文摘要

导电混凝土,作为智能材料的一个重要分支,是近年来国内外学者针对混凝土工程功能要求提出的一种新型材料。它的研究促进了混凝土材料向多功能和信息化方向发展,为智能结构的研究设计提供了基础。在自然灾害或不可预见性作用下的结构中它被用于自诊断损伤和缺陷的预报乃至自我修复等方面具有重要的意义。在交通检测、融雪化冰、建筑采暖以及电磁屏蔽等领域的应用也将为社会带来更大的经济效益。基于国内外的研究现状,本文主要开展了对导电混凝土导电性能影响因素的研究以及导电混凝土用于损伤诊断的试验研究和损伤分析。主要工作如下:采用在碳纤维导电混凝土中加入导电相纳米炭黑或钢纤维来改善其导电性能,通过改变纳米炭黑、钢纤维与碳纤维的掺量来研究其对混凝土的工作度、含气量、抗压强度、抗折强度以及体积电阻率的影响,试验测试结果表明:随着碳黑和碳纤维掺量的增加,新拌混凝土的含气量都增大,抗压强度没有明显一致变化,塌落扩展度损失随着纳米炭黑掺量的增加而增大,随着碳纤维掺量的增加没有明显增大。单掺纳米炭黑、单掺碳纤维以及复掺纳米炭黑与碳纤维的导电混凝土抗折强度都是随着导电相掺量的增加先增大再降低的,而复掺钢纤维与碳纤维的导电混凝土抗折强度随着导电相掺量的增加而增大。随着龄期的增长,四电极和两电极法测试的体积电阻率都增大,但四电极法的测得的电阻率值明显低于两电极法测得之值。另外,研究了含有纳米炭黑、碳纤维或钢纤维的导电混凝土梁受荷过程中电阻变化规律及其与混凝土损伤之间的关系,并通过比拟的方法与试验数据回归的方法,得到了混凝土梁电阻变化率与梁几何中性轴处应变或裂缝宽度的曲线关系,利用损伤力学理论与该曲线关系,建立了损伤度与电阻变化率的关系表达式。研究表明:开裂前,所有种类的混凝土梁的电阻变化率与梁几何中心轴处应变的关系用一次衰减指数函数方程拟合较好,通过拟合曲线的斜率可以直接反映出导电混凝土用于检测损伤的灵敏度,从而间接反映出混凝土损伤的程度;SC系列混凝土梁开裂后,随着梁裂缝宽度的增大,钢纤维从混凝土基体中不断拔出,使得其与基体之间的接触电阻大为增大,同时改变混凝土的传导方式使所测梁段的电阻增大,并且电阻的增加程度取决于裂缝的尺寸大小、钢纤维的应力状况以及钢纤维的体积掺量这几个因素。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 智能混凝土的研究现状
• 1.2.1 损伤自诊断混凝土
• 1.2.2 自调节混凝土
• 1.2.3 自修复混凝土
• 1.2.4 自增强阻尼混凝土
• 1.3 导电混凝土的研究现状
• 1.3.1 导电混凝土的定义、分类与特点
• 1.3.2 导电混凝土压敏性
• 1.3.3 导电混凝土的温敏性
• 1.3.4 导电混凝土的焦耳效应
• 1.3.5 导电混凝土的电力效应
• 1.3.6 导电混凝土的电磁屏蔽性能
• 1.4 损伤
• 1.4.1 损伤力学
• 1.4.2 材料宏观变形相应与损伤细观演化之间的联系
• 1.5 本文研究的出发点与主要内容
• 2 复相导电混凝土的工作性能试验
• 2.1 引言
• 2.2 试验概况
• 2.2.1 试验内容
• 2.2.2 试验材料
• 2.2.3 试验配合比设计
• 2.3 坍落扩展度试验
• 2.3.1 试验方法
• 2.3.2 试验结果及分析
• 2.4 含气量试验
• 2.4.1 试验方法
• 2.4.2 试验结果及分析
• 2.5 本章小结
• 3 复相导电混凝土的力学性能试验
• 3.1 引言
• 3.2 复相导电混凝土立方块抗压强度试验
• 3.2.1 试验方法
• 3.2.2 试验结果及分析
• 3.3 复相导电混凝土抗折强度试验
• 3.3.1 试验方法
• 3.3.2 试验结果与分析
• 3.4 本章小结
• 4 导电混凝土的导电机理
• 4.1 引言
• 4.2 复合材料导电性能的几个基本概念
• 4.2.1 体积电阻率与表面电阻率
• 4.2.2 载流子
• 4.2.3 极化效应
• 4.2.4 渗滤阈值
• 4.3 聚合物基复合材料的导电机理
• 4.3.1 漏电导电
• 4.3.2 隧道导电
• 4.3.3 粒子导电
• 4.4 临界浓度与开关效应
• 4.4.1 临界浓度
• 4.4.2 开关效应
• 4.5 石墨和炭黑混凝土导电机理
• 4.5.1 石墨导电机理
• 4.5.2 炭黑导电机理
• 4.6 碳纤维和钢纤维混凝土导电机理
• 4.7 钢渣混凝土导电机理
• 4.7.1 水泥石中的孔隙和水
• 4.7.2 钢渣混凝土导电机理
• 4.8 导电纤维智能混凝土的导电模型
• 4.9 本章小结
• 5 复相导电混凝土的电阻率影响因素的研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验材料、仪器及工艺
• 5.2.1 试验材料
• 5.2.2 试验仪器
• 5.2.3 导电混凝土制作工艺
• 5.3 复相导电混凝土试件制作和电阻的测量方法
• 5.3.1 试件制作
• 5.3.2 电阻的测量方法
• 5.4 复相导电混凝土电阻的影响因素研究
• 5.4.1 导电相掺量与固化龄期对混凝土电阻率的影响
• 5.4.2 导电相种类与含气量对混凝土电阻率的影响
• 5.4.3 电极对混凝土电阻率的影响
• 5.5 本章小结
• 6 复相导电混凝土梁受弯全过程电阻-损伤关系试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 比拟法建立力场与电场之间的关系可行性分析
• 6.3 梁开裂后的电-力场比拟及修正
• 6.4 试验配比和试验装置
• 6.5 力场损伤与电场电阻关系的试验结果与分析
• 6.5.1 CB系列、CF系列以及BF系列导电混凝土梁试验结果与分析
• 6.5.2 SF系列导电混凝土梁试验结果与分析
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A SC系列混凝土梁开裂前后中性轴应变与裂缝宽度对应关系
• 附录B SC系列混凝土梁裂缝形状
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢