碳纖維水泥基復(fù)合材料導(dǎo)電特性及其應(yīng)用研究.pdf

1、混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中由于自然環(huán)境和損傷累計(jì)等因素的影響使得其結(jié)構(gòu)材料劣化，使用功能降低，這嚴(yán)重地影響其使用壽命，使得混凝土結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和適用性降低。對新建和已有混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全檢測是對結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行監(jiān)控的行之有效的辦法。碳纖維水泥基復(fù)合材料是一種具有自檢測能力的智能材料，是一項(xiàng)新型、低成本和應(yīng)用前景廣闊的混凝土結(jié)構(gòu)檢測材料。該技術(shù)出現(xiàn)的十幾年來愈來愈引起國內(nèi)外學(xué)者的重視，其應(yīng)用研究領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)展。 該文對碳纖維水泥

2、基復(fù)合材料導(dǎo)電性能的影響因素及其對結(jié)構(gòu)的檢測性能進(jìn)行了深入的研究。 主要研究內(nèi)容： 1.根據(jù)混凝土的非線彈性性質(zhì)、纖維端部應(yīng)力和由于溫度變化產(chǎn)生的溫度應(yīng)力對剪應(yīng)力及纖維正應(yīng)力的影響，對短纖維增強(qiáng)混凝土應(yīng)力傳遞的剪滯理論進(jìn)行改進(jìn)。結(jié)合碳纖維增強(qiáng)混凝土分析了混凝土應(yīng)變、纖維端部正應(yīng)力系數(shù)和溫度差對應(yīng)力傳遞的影響。認(rèn)為在混凝土彈性階段剪應(yīng)力和纖維正應(yīng)力受應(yīng)變影響較小，塑性階段應(yīng)變對應(yīng)力傳遞影響較大；纖維端部應(yīng)力系數(shù)對剪應(yīng)力和纖

3、維正應(yīng)力表現(xiàn)為線性影響；剪應(yīng)力與溫度變化呈同方向變化，但纖維正應(yīng)力不受溫度影響。 2.根據(jù)已有的水泥基復(fù)合材料電阻的測試經(jīng)驗(yàn)，針對結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和工程實(shí)際該文根據(jù)課題的具體安排研制開發(fā)水泥基復(fù)合材料電阻檢測設(shè)備，其即克服了有電極檢測中現(xiàn)有檢測設(shè)備復(fù)雜、成本高的缺點(diǎn)，又克服了無電極檢測中電磁感應(yīng)設(shè)備容易受到干擾、漏磁和只適用于材料試驗(yàn)的缺點(diǎn)。試驗(yàn)證明，作者研發(fā)的試驗(yàn)設(shè)各可以很好的應(yīng)用于材料特性試驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)和Ⅱ型斷裂試驗(yàn)等研究中，

4、并且可以獲得電阻與材料和力學(xué)參數(shù)較好的對應(yīng)關(guān)系。 3.利用直流雙電極法研究了碳纖維砂漿和碳纖維混凝土的導(dǎo)電性能與其齡期之間的關(guān)系。為了模擬材料受載產(chǎn)生裂縫情況在材料內(nèi)部設(shè)置人為絕緣，研究了在不同齡期碳纖維砂漿和碳纖維混凝土試件導(dǎo)電性能受其內(nèi)部絕緣部分的面積、位置和數(shù)量影響的程度。結(jié)果表明，碳纖維砂漿的導(dǎo)電性能隨齡期有顯著的變化，并呈現(xiàn)Sigmoidal曲線關(guān)系，絕緣的數(shù)量對其導(dǎo)電性能無顯著影響，但是絕緣位置越靠近電極其導(dǎo)電性能越

5、強(qiáng)；碳纖維混凝土的導(dǎo)電性能隨齡期有顯著的變化，并呈現(xiàn)高斯曲線關(guān)系，絕緣片只有在某一對最佳截面上其導(dǎo)電性能才能達(dá)到最佳狀態(tài)，在同一截面、齡期和絕緣面積下絕緣片的數(shù)量越多其導(dǎo)電性能越強(qiáng)。從灰關(guān)聯(lián)分析的數(shù)據(jù)來看，對于碳纖維砂漿所考察因素對其導(dǎo)電性能影響由強(qiáng)到弱的順序?yàn)椋糊g期、絕緣位置、絕緣數(shù)量、絕緣面積；對于碳纖維混凝土所考察因素對其導(dǎo)電性能影響由強(qiáng)到弱的順序?yàn)椋糊g期、絕緣數(shù)量、絕緣位置、絕緣面積。齡期是影響碳纖維砂漿和碳纖維混凝土導(dǎo)電特性的

6、決定因素。 4.采用纖維混凝土和纖維砂漿sensor兩種方法，利用碳纖維混凝土和碳纖維砂漿的導(dǎo)電特性捕捉到了三點(diǎn)彎曲梁試件的起裂荷載。引入雙K斷裂準(zhǔn)則計(jì)算了碳纖維混凝土的起裂韌度KICini和失穩(wěn)韌度KICun，電阻變化率與荷載、跨中撓度和裂縫口張開位移的關(guān)系能較好的符合洛侖茲曲線的關(guān)系，該關(guān)系可以反映試件在峰值荷載前的彈性變形階段、裂縫穩(wěn)定開展階段和裂縫失穩(wěn)開展階段。 5.利用碳纖維混凝土的導(dǎo)電特性對有限寬兩端切口半邊

7、受力試件的斷裂性能進(jìn)行考察。結(jié)果表明，碳纖維混凝土的導(dǎo)電性能隨荷載和位移有顯著的變化；碳纖維混凝土的導(dǎo)電特性可以被用來確定該型試件的KⅡC；并且在峰值荷載前的電阻變化率曲線可以明顯的表征出試件在試驗(yàn)過程中的彈性變形階段、裂縫穩(wěn)定開展階段和裂縫失穩(wěn)開展階段。 6.為克服現(xiàn)有檢測結(jié)構(gòu)可靠性方法的高成本和操作復(fù)雜的缺點(diǎn)，將碳纖維水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)電特性引入到三點(diǎn)彎曲梁的可靠性計(jì)算中，并且分析其承載能力和位移可靠性指標(biāo)與電阻變化率之間的

8、關(guān)系。結(jié)果表明三點(diǎn)彎曲梁的兩種可靠度指標(biāo)隨著電阻變化率的增加而減小服從洛倫茲曲線關(guān)系，并且曲線的參數(shù)在荷載與撓度的標(biāo)準(zhǔn)差與均值比值變化的情況下是穩(wěn)定的。所有的結(jié)果表明碳纖維水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)電特性可以較好地被用來監(jiān)測三點(diǎn)彎曲梁的損傷和可靠度指標(biāo)的變化規(guī)律。在雙線性模型的基礎(chǔ)上提出了基于撓度變量的損傷模型，分析三點(diǎn)彎曲梁的損傷狀況，利用灰預(yù)測理論預(yù)測了三點(diǎn)彎曲梁的損傷發(fā)展，結(jié)果表明該模型能夠較好的反映三點(diǎn)彎曲梁的損傷，并且預(yù)測的誤差較小可