碳纖維硫鋁酸鹽水泥復合材料的制備及其機敏特性.pdf

1、重大土木建筑物結構的健康檢測需要在其關鍵部位埋設各種傳感器件，碳纖維水泥復合材料具有優(yōu)良的機敏性能，有望制作成此類傳感器器件進行健康檢測，同時其與混凝土具有良好的相容性，因此，研究與開發(fā)碳纖維水泥復合材料的機敏性能及其影響因素對于推動土木工程結構向智能化方向發(fā)展有重要的應用意義和學術價值。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合材料(CFSC)，重點研究了碳纖維在CFSC中的分散工藝以及CFSC壓阻、壓容、溫阻和溫容機敏特

2、性，并探討了環(huán)境和水化齡期對CFSC機敏性能的影響。 研究了分散劑濃度、攪拌工藝和粉煤灰對碳纖維分散效果的影響，結果表明，隨著甲基纖維素濃度的提高，碳纖維的分散效果存在極值，當甲基纖維素濃度為0.051g/mL時，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凈漿CFSC壓阻和壓容特性的影響，結果表明：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，當碳纖維摻量為0.5％時，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，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，但過量氧化鈦摻量將使CFSC的抗

4、壓強度受到損害；碳納米管摻量為0.6％時，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，其中碳納米管對提高CFSC壓阻和壓容特性比其他組分更具有優(yōu)勢。 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，結果表明，當碳纖維摻量為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，CFSC電阻率基本保持不變，在升溫-降溫熱循環(huán)過程中，CFSC的溫阻曲線趨向穩(wěn)定；納米氧化鈦對CFSC的溫阻特性沒有明顯的改善作用，0.4％碳納米管的摻入可以提高CFSC溫阻特性的線性變化；當碳纖維摻量到達到0.5％時，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性：CFSC在70℃下具有長時間的電容穩(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)境溫度的測量。 研究了成型工藝對CFSC壓阻、壓容、溫阻和溫容的影響規(guī)律，結果表明，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；當成型壓力為

7、7MPa和10MPa時，CFSC具有最好的壓阻特性，這與復合材料的氣孔率有關；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溫容特性增長幅

8、度越大。由此可以看出，壓制成型工藝可以提高CFSC機敏特性的線性變化，有利于檢測信號的控制。 研究了環(huán)境和水化齡期對CFSC壓阻、壓容、溫阻和溫容的影響規(guī)律，結果表明，相對濕度越大，CFSC的電容效應越明顯，CFSC的壓阻特性受到削弱，為了充分發(fā)揮CFSC的壓阻特性，在使用過程中復合材料應該密封；相對濕度越大，CFSC的壓容特性變化幅度越大；當相對濕度較高時，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，C

9、FSC的電阻率不斷下降，并且CFSC的壓阻特性變得越來越趨向于穩(wěn)定且線性變化；隨著水化齡期的延長，CFSC的電容率不斷升高，CFSC的壓容特性變得越來越趨向于穩(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CFSC進行充分水化。 通過工藝、組分及影響因素的探索，得到了機敏性能良好的CFSC，找到了成型工藝、環(huán)境和濕度對CFSC機敏性能的影響規(guī)律，對于應用CFSC制作成機敏傳