機(jī)敏混凝土的壓敏性及鋼筋腐蝕與防護(hù)機(jī)理研究.pdf

1、機(jī)敏混凝土作為一種水泥基本征復(fù)合材料，與混凝土結(jié)構(gòu)具有天然的相容性和同壽命性，還具有造價(jià)低、可大規(guī)模布設(shè)等特點(diǎn)，可滿足土木工程結(jié)構(gòu)長期健康監(jiān)測的需要，已成為該領(lǐng)域的熱點(diǎn)和前沿研究方向。
　　 水泥基導(dǎo)電復(fù)合材料應(yīng)變自感知性能是基于其電阻與應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系，即壓阻特性。本文針對目前機(jī)敏混凝土存在的問題，提出了在制備水泥基復(fù)合材料時(shí)內(nèi)摻水泥基滲透結(jié)晶防水材料(CCCW)、以碳纖維和石墨為導(dǎo)電相的技術(shù)路線，并從制備工藝及組分優(yōu)化、單向和

2、多軸應(yīng)變狀態(tài)下的自感知特性及機(jī)理，以及含CCCW和碳纖維混凝土中鋼筋的腐蝕與防護(hù)機(jī)理等方面進(jìn)行了較深入系統(tǒng)的研究。論文主要成果與創(chuàng)新之處如下:
　　 1.首次提出了在機(jī)敏混凝土的制備過程中使用CCCW材料，以改進(jìn)機(jī)敏材料的電學(xué)性能及壓敏性的穩(wěn)定性，提高機(jī)敏材料的力學(xué)性能。通過改進(jìn)碳纖維分散工藝、內(nèi)摻CCCW和采用濃硝酸浸泡PAN基碳纖維制備了碳纖維水泥凈漿和砂漿，并對其微觀結(jié)構(gòu)、電學(xué)特性、單向循環(huán)荷載下的壓阻特性和力學(xué)性能進(jìn)行了

3、實(shí)驗(yàn)研究和理論分析。同時(shí)，研究了內(nèi)摻CCCW的石墨水泥基機(jī)敏材料(GCC)的導(dǎo)電及壓阻性能、力學(xué)性能。結(jié)果表明，經(jīng)濃硝酸浸泡處理的碳纖維分散性得到了增強(qiáng)，碳纖維在水泥基體中分散較為均勻。CCCW對試樣的微裂縫具有自修復(fù)作用，可以提高機(jī)敏混凝土的力學(xué)性能和電學(xué)性能的穩(wěn)定性。
　　 2.研究了內(nèi)摻CCCW的碳纖維石墨水泥基復(fù)合材料(CFGCC)的電學(xué)性能和力學(xué)性能。通過復(fù)摻長程導(dǎo)電的碳纖維和短程導(dǎo)電的石墨，內(nèi)摻CCCW以部分彌補(bǔ)加入

4、石墨導(dǎo)致的復(fù)合材料力學(xué)性能的下降，制備了電學(xué)性能穩(wěn)定、力學(xué)性能較好的新型機(jī)敏材料。研究結(jié)果表明，內(nèi)摻4％CCCW(占水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、1％碳纖維的CFGCC滲濾閾值為20％左右;石墨摻量為20％～30％的CFGCC的壓阻特性最好，碳纖維和石墨復(fù)摻工藝提高了機(jī)敏材料電學(xué)性能的穩(wěn)定性。
　　 3.提出了利用羥丙基甲基纖維素(HPMC)作為制備機(jī)敏混凝土?xí)r所加短切碳纖維的分散劑。結(jié)果表明，HPMC可以替代羧甲基纖維素(CMC)分散

5、碳纖維，有效解決其容易起霉、耐水性差的問題。
　　 4.研究了所制備的新型機(jī)敏材料的應(yīng)變靈敏度系數(shù)K(單位應(yīng)變的電阻變化率)，探討了多循環(huán)對CFGCC試塊電學(xué)性能的影響，基于隧道效應(yīng)理論，對多軸應(yīng)變下的力電理論進(jìn)行了初步分析，并進(jìn)一步探索了嵌入式GCC、CFGCC試塊對混凝土柱的自感知特性，研究了多軸應(yīng)變條件下機(jī)敏材料作為傳感器監(jiān)測結(jié)構(gòu)埋入試樣部位的受力狀態(tài)的可行性。結(jié)果表明，在壓應(yīng)力幅值6.25MPa循環(huán)荷載作用下，含石墨20

6、％和50％的GCC試樣的K值分別為37和22;含碳纖維1％、石墨20％和30％的CFGCC的K值分別為63和25，均遠(yuǎn)高于電阻應(yīng)變片的2。嵌入式GCC、CFGCC試塊的混凝土柱具有良好的壓敏特性。在循環(huán)荷載的作用下，內(nèi)嵌混凝土柱中心的機(jī)敏材料試塊的電阻變化率與混凝土柱所受的壓力呈現(xiàn)良好的對應(yīng)關(guān)系，具有很好的同步性。在單調(diào)加載條件下，試塊的電阻值可以清晰反映試塊的彈性范圍、塑性范圍和破壞范圍。
　　 5.采用新拌砂漿法、硬化砂漿法