碳纳米管混凝土构件压阻效应的全过程机理研究

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掺入适量的碳纳米管混凝土具有优异的压阻特性,应用碳纳米管混凝土的压阻效应,可实现混凝土智能化监测。国内外学者对碳纳米管水泥基复合材料的压阻效应开展了大量研究,并获得重大研究成果。然而,碳纳米管混凝土全过程压阻效应机理受到大量因素的影响,材料组构和加载模式对碳纳米管混凝土的全过程压阻性能具有一定的影响;同时,大多数研究只关注对碳纳米管水泥基复合材料弹性阶段下的压阻性能,而对碳纳米管混凝土各个受力阶段的压阻规律关注远远不够和深度不够,部分结论相差甚远。因此,对碳纳米管混凝土构件的全过程压阻效应进行研究很有必要。本文的研究目的是:开展轴压和轴拉不同加载模式下的碳纳米管混凝土全过程压阻规律的试验研究和碳纳米管钢筋混凝土梁构件压阻试验;掌握各个加载模式下的碳纳米管混凝土构件全过程压阻规律;基于各种理论建立碳纳米管混凝土全过程压阻效应理论模型;揭示不同加载模式下的碳纳米管混凝土全过程压阻机理和特性。本文的主要研究内容及成果分别为:(1)通过对碳纳米管水泥基复合材料压阻效应的国内外研究现状分析和总结,论述了材料组分和加载模式影响压阻效应等方面的研究成果,揭示了各因素下对碳纳米管水泥基复合材料全过程压阻机理和特性,分析了现有的研究不足或有待完善之处,展望了碳纳米管水泥基复合材料全过程压阻效应的未来发展趋势。(2)通过研究轴压和轴拉加载下的碳纳米管混凝土压阻效应全过程试验,分析不同加载速率和碳纳米管掺量对碳纳米管混凝土构件全过程压阻效应的影响。主要研究结论有:轴压加载下的碳纳米管混凝土全过程压阻规律是随着荷载的增大,试件电阻率一直在下降,当试件达到破坏状态时,其电阻率降低至最小值,随后出现突变的现象;碳纳米管混凝土试件在较低的加载速率下有较好的压敏性能,对中高加载速率不敏感;掺量为0.5wt.%时试件电阻率变化分数最大,有更明显的压敏性能。轴拉加载下的碳纳米管混凝土全过程压阻规律是随着荷载的增大,其电阻率一直在上升,当试件破坏时,试件电阻率会出现突变情况;随着掺量的增加,试件电阻率变化分数先减小后增大,且在掺量为0.5wt.%时达到最大,因此,此掺量下碳纳米管混凝土有较佳的拉敏性能;试件电阻率变化分数随着加载速率的增大而减小,试件在低加载速率下有较明显的拉敏性能。(3)通过开展四点弯曲加载下的碳纳米管钢筋混凝土梁构件的全过程压阻效应试验研究,分析加载速率和配筋量对碳纳米管混凝土梁构件全过程压阻效应的影响。主要研究结论有:碳纳米管钢筋混凝土梁的全过程压阻规律为随着荷载的不断增大,其电阻率先减小,随着荷载进一步增大且达到最大时,电阻率继续减小并在荷载最大时相应出现突变的现象;在中高加载速率下的碳纳米管钢筋混凝土梁有较好压阻响应;单筋截面的碳纳米管混凝土梁有较佳的压阻响应。(4)基于半导体压阻效应基本原理和现有的导电理论、压阻机理,结合材料组构和钢筋等因素影响,分析应力在开始加载至碳纳米管混凝土破坏的整个过程对其压阻规律的影响,建立出不同加载方式下的碳纳米管混凝土的全过程压阻效应理论模型,根据各加载方式下的试验结果和理论值进行比对,对理论模型进行修正。
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