多物理场对碳纳米管混凝土构件压阻效应的影响研究

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混凝土桥梁处于温湿度和荷载作用等因素不断变化的服役状态,物理场和材料组分等因素影响和制约了混凝土智能化的发展。国内外学者对碳纳米管水泥基复合材料的电学特性进行了大量研究,由于影响因素众多,各物理场的影响形式与程度也存在较大差异。目前,研究对此问题的关注和深度不够,压阻效应理论尚未完善。因此,有必要研究多物理场对碳纳米管混凝土构件压阻效应的影响。本文的研究目的是:开展碳纳米管混凝土压阻效应多物理场影响试验和碳纳米管混凝土构件(梁)压阻试验;结合渗滤理论、有效介质理论、场致发射理论,基于隧道效应理论与电流密度模型,建立碳纳米管混凝土压阻理论模型;揭示多种物理场对碳纳米管混凝土压阻效应影响机理和特性。本文的主要内容及成果分别为:(1)研究碳纳米管水泥基复合材料的导电性能和压阻效应,分析导电机理和压阻机理,阐释物理场、材料组分因素对碳纳米管水泥基复合材料导电特性的影响。主要结论:碳纳米管混凝土压阻效应的主要影响因素包括物理场影响和材料组分两部分。其中物理场影响包括电压、应力/应变、温湿度等;材料组分影响包括碳纳米管形态、掺量、水灰比、掺合料和外加剂等。(2)通过碳纳米管的分散试验,确定高效制备碳纳米悬浮液的方案;利用正交试验法研究多物理场(应力、湿度、温度、电压)对碳纳米管混凝土电学特性的影响。主要结论:SDBS和碳纳米管的掺比为2:1,经40min超声处理时,碳纳米管悬浮液有最佳分散性,吸光度可达1.90A;随湿度增加,应力灵敏度均呈先增加后减小再增加的变化规律;随温度增加,应力灵敏度呈先增加后减小的变化规律;电压为1V的灵敏度显著高于其它电压水平,但压阻响应易受到其它因素的干扰。(3)开展碳纳米管钢筋混凝土梁的压阻效应试验研究,分析配筋量、加载速率、测试电压对碳纳米管混凝土结构(梁)压阻效应的影响。主要结论:单筋混凝土梁在不同荷载水平下,有较好的压阻效果,并且稳定性较好;不同加载速率对压阻响应的作用不明显;不同电压下,初始电阻率随电压增加逐渐降低,电阻率的变化幅值也逐渐降低,压阻响应曲线的噪点明显增多。(4)基于隧道导电理论,建立碳纳米管混凝土压阻效应理论模型,依托碳纳米管混凝土压阻试验分析结果,对理论模型进行温度、湿度、电压物理场的标定。主要结论:湿度对压阻模型的修正后,得到的理论值与插值曲线的变化规律一致;各温度下的电阻率变化分数理论值与试验值存在一定差异,但整体的变化规律趋于一致,二者的相关系数R2可达0.825;电阻率变化分数随电压增大呈二次抛物线变化,在电压为20V时,电阻率变化分数有最大值,理论值与试验值的相关系数R2可达0.997。本文研究将试验与理论相结合,揭示了多种物理场对碳纳米管混凝土压阻效应的影响规律,为碳纳米管混凝土在工程智能化监测领域能科学合理地发挥其优异功能提供一定的依据。
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