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新型建筑材料—纳米级碳纤维混凝土性能研究

作　者: 高迪
导　师: 彭立敏；Y.L.Mo
学　校: 中南大学
专　业: 土木工程
关键词: 新型建筑材料纳米级碳纤维混凝土物理力学性质电阻变化率机敏特性
分类号: TU528
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着现代混凝土工程的大型化、超大型化、工程环境的超复杂化以及混凝土材料应用领域的不断扩大,人们对混凝土材料的要求也逐步提高,高性能混凝土和高功能混凝土是21世纪混凝土材料科学和工程技术发展的重点和方向。而纳米技术在混凝土领域的渗透,打破传统混凝土的局限,极大地扩展了混凝土的应用领域,给混凝土行业带来了崭新的生命力。纳米级碳纤维混凝土作为一种新型建筑材料目前在国际上鲜有研究,国内几乎处于空白阶段。本文以美国国家科学基金项目(NSF项目编号：0634279)为依托,在消化吸收相关文献的基础上,以试验为主、数值分析为辅的研究手段系统地探索了纳米级碳纤维混凝土的基本物理力学性质以及基于电阻变化率的机敏特性等问题。论文的主要研究内容和研究成果如下：(1)在纳米级碳纤维混凝土的制备中,使用三种适合用于混凝土拌制与施工的纳米级碳纤维分散方法,并通过实验结果比较采用不同分散方法制备的纳米级碳纤维混凝土的力学特性和电阻特性。确定了采用聚羧酸盐高效减水剂水溶液作为分散介质,同时配合适量消泡剂对纳米级碳纤维进行分散的方法,可实现纳米级碳纤维对混凝土物理力学性能增强和功能化的目的。(2)通过单轴抗压试验、抗弯试验、劈裂试验和轴向不等辐循环抗压试验对纳米级碳纤维混凝土材料的物理力学性能进行了测试,确定了不同类型纳米级碳纤维在混凝土和自密实混凝土中的最优掺量。电镜扫描结果也表明将适量的分散良好的纳米级碳纤维掺入混凝土中可以增强其抗压强度、劈裂强度,提高混凝土的延性和抗弯性能。(3)从纳米级碳纤维混凝土的电阻特性和导电机理入手,通过试验揭示了纳米级碳纤维混凝土在抗压、抗弯、劈裂和循环荷载试验中电阻变化与应力应变之间的关系。实验结果表明,纳米级碳纤维混凝土试件表现出良好的压敏特性,是一种很有应用前景的具有自监测功能的智能混凝土材料。(4)使用超声波脉冲速度法探讨了普通混凝土和纳米级碳纤维混凝土中脉冲速度与电阻变化率和抗压强度之间关系。试验结果显示出纳米级碳纤维混凝土内部的超声波脉冲速度与其抗压强度具有较好的线性关系,在混凝土应变增大时其内部脉冲速度变化和电阻变化关系也有很好的规律性。因此可利用这些关系来预测混凝土强度,实现对其性质的无损探察。(5)使用基于循环软化模型的有限元程序对纳米级碳纤维混凝土框架剪力墙的抗震性能进行了模拟计算分析。结果表明纳米级碳纤维的加入使得墙体物理力学性能得到提升,其平均延性和抗剪能力也相应增强,因而使用纳米级碳纤维混凝土可以提高剪力墙的抗震性能。(6)通过试验进一步研究了纳米级碳纤维钢筋混凝土梁结构和受弯曲控制的纳米级碳纤维钢筋混凝土桥柱试件的机敏特性。提出纳米级碳纤维钢筋混凝土与纳米级碳纤维素混凝土相似,在工作(受力)状态下荷载或变形与电阻变化率之间存在着相应的关系,进一步验证将纳米级碳纤维混凝土用于结构中而使钢筋混凝土结构智能化的可行性。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-47
  1.1 概述  12
  1.2 智能混凝土的定义及发展  12-16
    1.2.1 损伤自诊断混凝土  13-14
    1.2.2 自调节智能混凝土  14-15
    1.2.3 自修复智能混凝土  15-16
  1.3 纳米材料简介  16-21
    1.3.1 纳米材料的发展  16-17
    1.3.2. 纳米材料的分类  17
    1.3.3 纳米材料的结构特性  17-18
    1.3.4 纳米材料的特异效应和物理化学性能  18-21
      1.3.4.1 纳米材料的特异效应  18-19
      1.3.4.2 纳米材料的物理化学性能  19-21
  1.4 纳米材料在水泥混凝土中的应用  21-26
    1.4.1 混凝土和纳米科技的定义  21-22
      1.4.1.1 混凝土—复杂纳米结构材料  21-22
      1.4.1.2 纳米技术混凝土的定义  22
    1.4.2 纳米矿粉在水泥混凝土中的应用  22-24
    1.4.3 纳米金属粉末在混凝土中的应用  24
    1.4.4 纳米金属氧化物在混凝土中的应用  24
    1.4.5 聚合物/无机纳米复合材料在混凝土中的应用  24-25
    1.4.6 碳纳米管在混凝土中的应用  25-26
  1.5 研究背景  26-29
    1.5.1 纤维混凝土和碳纤维混凝土  26-27
    1.5.2 纤维在混凝土中作用的机理  27-28
    1.5.3 纤维混凝土性能的影响因素  28-29
  1.6 国内外研究进展  29-44
    1.6.1 国外研究进展  29-35
      1.6.1.1 碳纤维在水泥基材料中的应用研究  29-31
      1.6.1.2 纳米碳管(CNT)在水泥基材料中的应用研究  31-34
      1.6.1.3 纳米级碳纤维(CNF)在水泥基材料中的应用研究  34-35
    1.6.2 国内研究进展  35-43
      1.6.2.1 纳米复合材料及纳米矿粉在混凝土中的应用研究  35-36
      1.6.2.2 碳纤维混凝土的应用研究  36-39
      1.6.2.3 纳米碳管—水泥复合材料的应用研究  39-41
      1.6.2.4 石墨和纳米碳黑在水泥复合材料的应用研究  41-43
    1.6.3 研究现状分析  43-44
  1.7 课题研究意义和主要内容  44-47
    1.7.1 研究目的和意义  44
    1.7.2 主要内容  44-45
    1.7.3 研究思路  45-47
第二章纳米级碳纤维混凝土的制备研究  47-64
  2.1 试验材料及仪器设备  47-53
    2.1.1 试验材料  47-50
      2.1.1.1 混凝土材料  47
      2.1.1.2 混凝土外加剂  47
      2.1.1.3 纳米级碳纤维(CNF)  47-49
      2.1.1.4 电极材料  49-50
    2.1.2 实验仪器与设备  50-52
      2.1.2.1 力学测量  50-51
      2.1.2.2 电学测量  51-52
    2.1.3 试验仪器设备汇总表  52-53
  2.2 电极的制作  53
    2.2.1 铜丝导电胶表面环绕电极  53
    2.2.2 内置铜网电极  53
  2.3 纳米级碳纤维的分散  53-59
    2.3.1 物理分散方法  55-56
    2.3.2 化学分散方法  56-57
      2.3.2.1 表面活性剂(SDS)  56
      2.3.2.2 高效减水剂  56-57
    2.3.3 纳米级碳纤维分散方法讨论  57-59
  2.4 纳米级碳纤维混凝土的制作  59-63
    2.4.1 普通纳米级碳纤维混凝土(CNFC)  59
    2.4.2 纳米级碳纤维自密实混凝土(CNFSCC)  59-62
    2.4.3 纳米级碳纤维自密实钢筋混凝土(CNFRSCC)  62-63
  2.5 小结  63-64
第三章纳米级碳纤维混凝土材料物理力学性能试验  64-80
  3.1 纳米级碳纤维混凝土单轴抗压试验和往复不等幅荷载抗压试验  64-73
    3.1.1 试验介绍  64
    3.1.2 试验结果  64-70
    3.1.3 试验结果分析  70-73
  3.2 纳米级碳纤维混凝土劈裂试验  73-75
    3.2.1 试验介绍  73
    3.2.2 试验结果  73-74
    3.2.3 实验结果分析  74-75
  3.3 纳米级碳纤维混凝土四点抗弯试验  75-78
    3.3.1 试验介绍  75-77
    3.3.2 试验结果  77
    3.3.3 试验结果分析  77-78
  3.4 纳米级碳纤维混凝土的微观结构  78-79
  3.5 小结  79-80
第四章纳米级碳纤维混凝土材料电学性能试验  80-102
  4.1 引言  80
  4.2 纳米级碳纤维混凝土的电阻特性和导电机理  80-89
    4.2.1 电阻和极化现象  80-85
      4.2.1.1 纳米级碳纤维混凝土的电阻  81-84
      4.2.1.2 极化现象  84-85
    4.2.2 导电机理  85-89
      4.2.2.1 有效介质理论和电场发射理论  85-86
      4.2.2.2 渗流理论  86-87
      4.2.2.3 量子力学隧道效应理论  87-89
  4.3 单轴抗压试验中纳米级碳纤维混凝土的电阻变化特性  89-94
    4.3.1 试验结果  89-91
    4.3.2 试验结果分析  91-94
  4.4 四点抗弯试验中纳米级碳纤维混凝土的电阻变化特性  94-96
    4.4.1 试验结果  94-95
    4.4.2 试验结果分析  95-96
  4.5 劈裂试验中纳米级碳纤维混凝土的电阻变化特性  96-97
    4.5.1 试验结果  96-97
    4.5.2 试验结果分析  97
  4.6 往复不等幅荷载抗压试验中纳米级碳纤维混凝土的电阻变化特性  97-100
    4.6.1 试验结果  98-99
    4.6.2 试验结果分析  99-100
  4.7 小结  100-102
第五章纳米级碳纤维混凝土超声脉冲法试验  102-114
  5.1 试验简介  102-103
  5.2 试验结果与分析  103-113
    5.2.1 试件超声脉冲速度与龄期和抗压强度关系  103-108
    5.2.2 受压情况下试件超声脉冲速度与应力应变的关系  108-110
    5.2.3 受压情况下试件超声脉冲速度与电阻变化率的关系  110-113
  5.3 小结  113-114
第六章纳米级碳纤维混凝土框架剪力墙抗震性能模拟研究  114-125
  6.1 普通钢筋混凝土框架剪力墙试验和基于CSMM的有限元模拟  114-116
  6.2 纳米级碳纤维钢筋混凝土框架剪力墙基于CSMM的模拟分析  116-124
    6.2.1 纳米级碳纤维混凝土的本构关系  116-118
    6.2.2 CNFRC-FSW-4和CNFRC-FSW-6的模拟分析  118-124
      6.2.2.1 模拟试件CNFRC-FSW-4  119-121
      6.2.2.2 模拟试件CNFRC-FSW-6  121-124
  6.3 小结  124-125
第七章纳米级碳纤维钢筋混凝土结构机敏试验  125-142
  7.1 纳米级碳纤维钢筋混凝土梁试件机敏试验  125-128
    7.1.1 试验介绍  125-126
    7.1.2 试验结果  126-128
    7.1.3 试验结果分析  128
  7.2 模拟地震荷载下纳米级碳纤维钢筋混凝土桥柱试件机敏试验  128-140
    7.2.1 试验介绍  128-133
    7.2.2 试验结果与分析  133-140
  7.3 小结  140-142
第八章主要结论与展望  142-146
  8.1 主要研究成果  142-144
  8.2 本文主要创新点  144-145
  8.3 研究展望  145-146
参考文献  146-168
攻读学位期间主要研究成果  168-170
致谢  170-171

新型建筑材料—纳米级碳纤维混凝土性能研究

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