碳纖維硫鋁酸鹽水泥復(fù)合材料的制備及其機(jī)敏特性.pdf

1、重大土木建筑物結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)需要在其關(guān)鍵部位埋設(shè)各種傳感器件，碳纖維水泥復(fù)合材料具有優(yōu)良的機(jī)敏性能，有望制作成此類傳感器器件進(jìn)行健康檢測(cè)，同時(shí)其與混凝土具有良好的相容性，因此，研究與開(kāi)發(fā)碳纖維水泥復(fù)合材料的機(jī)敏性能及其影響因素對(duì)于推動(dòng)土木工程結(jié)構(gòu)向智能化方向發(fā)展有重要的應(yīng)用意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。本文以硫鋁酸鹽水泥為基體，制備了碳纖維硫鋁酸鹽水泥復(fù)合材料(CFSC)，重點(diǎn)研究了碳纖維在CFSC中的分散工藝以及CFSC壓阻、壓容、溫阻和溫容機(jī)敏特

2、性，并探討了環(huán)境和水化齡期對(duì)CFSC機(jī)敏性能的影響。 研究了分散劑濃度、攪拌工藝和粉煤灰對(duì)碳纖維分散效果的影響，結(jié)果表明，隨著甲基纖維素濃度的提高，碳纖維的分散效果存在極值，當(dāng)甲基纖維素濃度為0.051g/mL時(shí)，碳纖維分散效果最好；攪拌工藝中采用先將碳纖維分散到分散劑，然后加入水泥的方法可以提高碳纖維的分散效果；粉煤灰可以提高碳纖維在CFSC中的分散性。 研究了碳纖維摻量對(duì)凈漿、砂漿、混凝土CFSC壓阻和壓容特性的影響

3、規(guī)律，并研究了納米氧化鈦、碳納米管、粉煤灰的摻入以及碳纖維氧化處理對(duì)凈漿CFSC壓阻和壓容特性的影響，結(jié)果表明：隨著碳纖維含量的增加，澆注凈漿、砂漿和混凝土CFSC的壓阻特性和壓容特性變化幅度均存在極值，當(dāng)碳纖維摻量為0.5％時(shí)，凈漿、砂漿和混凝土CFSC的壓阻特性和壓容特性均最好；碳纖維含量相同時(shí)，凈漿、砂漿和混凝土CFSC的壓阻特性和壓容特性變化幅度依次降低；6％納米氧化鈦可以提高CFSC的壓阻特性，但過(guò)量氧化鈦摻量將使CFSC的抗

4、壓強(qiáng)度受到損害；碳納米管摻量為0.6％時(shí)，凈漿CFSC的壓阻特性變化幅度最大，碳納米管摻量為0.4％R寸，CFSC的壓容特性變化幅度最大；10％粉煤灰的摻入可以提高CFSC的壓阻特性和CFSC壓容特性變化的可逆性；碳纖維氧化處理可以提高CFSC的壓阻特性，但降低了CFSC的壓容特性。在研究的組分中，其中碳納米管對(duì)提高CFSC壓阻和壓容特性比其他組分更具有優(yōu)勢(shì)。 研究了碳纖維、納米氧化鈦和碳納米管的摻量CFSC溫阻和溫容特性的影響

5、規(guī)律，結(jié)果表明，當(dāng)碳纖維摻量為0.5％B寸，在-40～86.7℃C范圍，隨溫度的提高CFSC的電阻率逐步降低，表現(xiàn)出良好的溫阻特性；在50℃和70℃保溫時(shí)，CFSC電阻率基本保持不變，在升溫-降溫?zé)嵫h(huán)過(guò)程中，CFSC的溫阻曲線趨向穩(wěn)定；納米氧化鈦對(duì)CFSC的溫阻特性沒(méi)有明顯的改善作用，0.4％碳納米管的摻入可以提高CFSC溫阻特性的線性變化；當(dāng)碳纖維摻量到達(dá)到0.5％時(shí)，CFSC的溫容特性比較穩(wěn)定，隨著溫度升降循環(huán)次數(shù)的增加，溫度-電

6、容曲線線形基本保持不變，表現(xiàn)出較好的溫容特性重復(fù)性：CFSC在70℃下具有長(zhǎng)時(shí)間的電容穩(wěn)定性，0.4％碳納米管的摻入提高了CFSC溫容特性的線性變化。因此，利用摻入合適量碳納米管的CFSC的溫阻和溫容特性，可以將CFSC制作成溫度傳感器用于環(huán)境溫度的測(cè)量。 研究了成型工藝對(duì)CFSC壓阻、壓容、溫阻和溫容的影響規(guī)律，結(jié)果表明，在相同循環(huán)載荷作用下，壓制成型制備CFSC的電阻率變化幅度和電容率變化幅度均明顯小于澆注成型；當(dāng)成型壓力為

7、7MPa和10MPa時(shí)，CFSC具有最好的壓阻特性，這與復(fù)合材料的氣孔率有關(guān)；壓制成型CFSC的溫阻和溫容特性與澆注成型變化規(guī)律相同，區(qū)別之處在于壓制成型CFSC的溫阻和溫容特性更加穩(wěn)定；與澆注成型CFSC溫阻特性的Arrhenius方程曲線相比較，壓制成型CFSC方程曲線更趨于線性變化；成型壓力越大，CFSC的溫阻特性變化越趨于平緩；成型壓力對(duì)CFSC溫阻特性Arrhenius方程曲線斜率影響較小。成型壓力越大，CFSC溫容特性增長(zhǎng)幅

8、度越大。由此可以看出，壓制成型工藝可以提高CFSC機(jī)敏特性的線性變化，有利于檢測(cè)信號(hào)的控制。 研究了環(huán)境和水化齡期對(duì)CFSC壓阻、壓容、溫阻和溫容的影響規(guī)律，結(jié)果表明，相對(duì)濕度越大，CFSC的電容效應(yīng)越明顯，CFSC的壓阻特性受到削弱，為了充分發(fā)揮CFSC的壓阻特性，在使用過(guò)程中復(fù)合材料應(yīng)該密封；相對(duì)濕度越大，CFSC的壓容特性變化幅度越大；當(dāng)相對(duì)濕度較高時(shí)，CFSC的壓容特性趨于穩(wěn)定；為了充分發(fā)揮CFSC隨著水化齡期的延長(zhǎng)，C

9、FSC的電阻率不斷下降，并且CFSC的壓阻特性變得越來(lái)越趨向于穩(wěn)定且線性變化；隨著水化齡期的延長(zhǎng)，CFSC的電容率不斷升高，CFSC的壓容特性變得越來(lái)越趨向于穩(wěn)定且線性變化；水化齡期能夠影響CFSC的電阻率和電容，為了得到穩(wěn)定的CFSC溫阻特性和溫容特性，必須對(duì)CFSC進(jìn)行充分水化。 通過(guò)工藝、組分及影響因素的探索，得到了機(jī)敏性能良好的CFSC，找到了成型工藝、環(huán)境和濕度對(duì)CFSC機(jī)敏性能的影響規(guī)律，對(duì)于應(yīng)用CFSC制作成機(jī)敏傳