010-82930964 
编号：CYYJ04530
篇名：纳米炭黑—碳纤维复合导电水泥砂浆的裂缝自监测研究
作者：罗嘉俊
关键词： 纳米炭黑; 碳纤维; 电阻变化率; 裂缝自监测; 仿真模拟;
机构： 桂林理工大学
摘要： 导电水泥砂浆作为一种新型智慧建筑材料,可用于对结构健康监测,提高建筑结构的安全性。本文为了研究纳米炭黑、碳纤维复合导电水泥砂浆对裂缝损伤自监测研究,在总结国内外智能混凝土、水泥材料的导电性能、机敏性性能研究成果上,采用纳米炭黑、碳纤维制备复合导电水泥砂浆试件。通过对其导电性试验、裂缝自监测试验以及仿真模拟分析,对其导电性能、自监测性能和自监测机理进行了研究。主要的研究内容和结论如下: (1)添加纳米炭黑与碳纤维会对水泥砂浆的和易性和力学性能都会产生显著影响。随着导电材料的增加和易性会总体显著降低,而力学性能呈现出非线性变化。当炭黑掺量为0.75%-1.00%、碳纤维掺量在0.5%时,能保证在适合的和易性情况下保持较高的力学性能。 (2)导电水泥砂浆的电阻率明显受到导电材料掺量的影响,要呈现出随掺量的增加而下降的趋势。单掺碳纤维的水泥砂浆的电阻率下降幅度要比单掺纳米炭黑下降的幅度要大;而且电阻率一般随着养护龄期的增加而增加。在养护28d后,复掺掺1.00%炭黑与0.5%碳纤维复掺的水泥砂浆材料具有较高的导电性能,且能在养护水化反应后仍保持较好的导电性能,其电阻率为4863.43Ω·cm。 (3)在裂缝自监测试验中,随着裂缝试件长度比μ增加,电阻率上升和自监测灵敏度K呈现下降的趋势。炭黑和碳纤维的掺入分别导致电阻变化率FCR上升和对裂缝灵敏性K的显著提高,当μ为0.625时,FCR最大值为205.56%。而且复掺体系提高了裂缝自监测效果和导电稳定性。通过一阶衰减模型拟合自监测曲线,函数的相关系数范围在0.98337-0.99976之间,相关性较高。基于试验数据,构建的裂缝自监测数学模型能将电阻信号转化为裂缝长度的定量数据,具有较高的预测准确性。 (4)在COMSOL仿真分析导电水泥砂浆的导电性能和监测机制中,发现10-50mm的电极间距最有效。裂缝的形成和发展显著影响电流密度和电压;仿真模拟下FCR先急剧上升后稳定趋势,与对裂缝自监测试验结果一致。裂缝定位和定量分析显示,裂缝区域电极的归一化值高于中间电极,但低于两端电极。通过比较电极对的归一化均值和空间分布,可实现裂缝位置的精确定位。
