碳纤维增强水泥基复合材料的发展与研究

传统的水泥混凝土材料由于功能单一、脆性大、自重大、抗拉强度和抗弯强度差,在一些特殊领域中的应用受到了很大限制.碳纤维由于具有高比强度、高比模量、密度小、耐腐蚀、导电性好、对人畜无害等优异性能而颇受材料科学工作者的青睐,被视为许多复合材料的优良增强体.将碳纤维加入到水泥基体中,制成碳纤维增强水泥基复合材料,不仅可改善水泥自身力学性能的缺陷,使其具有高强度、高模量、高韧性,更重要的是能把普通的水泥建筑材料变成对温度和应力敏感、具有自感知内部应力和损伤及一系列电磁屏蔽性能的智能材料.     

自感知镍纳米线/水泥基复合材料的制备及压敏性能

通过多孔氧化铝模板交流电沉积的方法制备了镍纳米线,以镍纳米线为导电填料、聚羧酸减水剂为分散剂,首次制备了新型的自感知镍纳米线/水泥基复合材料。通过SEM、TEM和XRD测试方法,研究了镍纳米线与镍纳米线水泥基复合材料的显微结构,与此同时,用四电极伏安法研究了镍纳米线水泥基复合材料的渗流阈值和压敏性。结果显示：所得的镍纳米线直径约为65 nm,长径比约为50;聚羧酸型减水剂能有效提高镍纳米线的分散性;水泥基复合材料的电阻率随镍纳米线的掺量增加呈现渗流特性,渗流阈值为0.5vol%;掺加1.0vol%镍纳米线的水泥基复合材料的应变灵敏度系数高达509.2,远高于电阻应变片的2.0,适用于混凝土结构应力监测的传感元件。     

水泥基纳米复合材料压敏特性研究

研究了添加纳米TiO2粒子砂浆在单调荷载及循环荷载下的压敏特性,及添加碳黑的水泥净浆的单调加载下的压敏特性.实验结果表明在单调单向压力荷载时,添加纳米TiO2砂浆具有良好的压敏性能,其体积电阻率与压应力具有稳定而线性的对应关系;循环加载时,其体积电阻率的变化规律又能反映出材料的疲劳损伤情况.添加纳米碳黑砂浆在单调荷载下也具有较好的压敏特性,但稳定性稍差.在实验的基础上,本文探讨了水泥基纳米复合材料的压敏特性机理,分析了两种不同纳米复合材料压敏性能差异性产生的原因.     

乙炔炭黑水泥基复合材料的压敏性

为探讨乙炔炭黑水泥基复合材料的压敏性 , 验证了利用基于埋入式环状电极的四电极法测试复合材料电阻的可行性; 研究了一次加载至破坏时乙炔炭黑水泥基复合材料的电阻率变化规律 , 并通过在弹性阶段的加载考察了乙炔炭黑水泥基复合材料压敏性的重现性 ; 分析了测试电流和试件偏压对压敏性的影响。研究结果表明 ,基于埋入式环状电极的四电极法测试压敏水泥基材料的电阻误差小于 10 % , 用于复合材料电阻的测试是可行的。掺量 15 vol %的乙炔炭黑水泥基复合材料一次加载至破坏 , 电阻率变化率最大可达 55 % , 弹性阶段电阻率变化率可达 35 %以上 , 且其压敏性基本不受测试电流和试件偏压的影响。乙炔炭黑是制备具有高感知灵敏度的压敏水泥基材料的一种有效功能组分。     

超高性能水泥基复合材料的多尺度设计与抗爆炸性能研究进展

超高性能水泥基复合材料(Ultra-high performance cementitious composites,UHPCC)是一种具有超高强度、超高韧性、超高耐久性和良好体积稳定性的新型水泥基复合材料.超高性能水泥基复合材料因其优异的力学性能和耐久性能,在超高层建筑、桥梁、隧道、海上平台、核反应堆安全壳及军事防护工程等领域中具有广阔的应用前景.近年来,国内外意外爆炸事故和恐怖爆炸袭击事件时有发生,许多建筑和防护工程面临着爆炸等强动载的冲击作用,而现有的大多数建筑结构无法抵御爆炸载荷的冲击,将建筑结构爆炸风险降低到可接受水平迫在眉睫.目前存在的防护工程材料大多为普通强度(C30～C50)等级的混凝土或普通纤维增强混凝土,抗爆能力普遍较弱,研究强度等级高、抗爆炸性能好的超高性能水泥基复合材料逐渐成为防护工程材料研究的热点.本文通过对爆炸现象的基本特点及对建筑物破坏形式的分析,结合对水泥基复合材料抗爆炸原理的研究,从纤维混凝土、珍珠层混凝土、梯度混凝土等细微观结构设计,以及泄爆结构、性能目标等宏观结构设计两个角度,重点综述了抗爆炸高性能水泥基复合材料的细-微-宏观多尺度结构设计及其性能优化研究进展,对爆炸作用下超高性能水泥基复合材料的结构损伤破坏机理研究进展以及应用现状进行了阐述.最后,进一步探讨了抗爆炸超高性能水泥基复合材料研究中存在的问题,并展望了相关研究与发展趋势.     

连续碳纤维增强水泥基复合材料的传感特性研究

修补和加固的在役混凝土结构需要有效的手段来监测和评定其安全状况。研究了连续碳纤维增强水泥基复合材料三点弯曲梁在不同加载方式下,其电阻与变形之间的变化规律,探究连续碳纤维增强水泥基复合材料的传感特性。结果表明,连续碳纤维增强水泥基复合材料试样的应变-电阻敏感度高于电阻应变片,线性度、滞后性较好,蠕变小,稳定性较好。据此,可将连续碳纤维增强水泥基复合材料用来制作感知结构损伤的传感器,实现对大型土木结构的在线健康监测。如果将其用作修补材料,那么在修补加固破损结构的同时,还可利用其应变-电阻敏感性长期在线动态监测结构的损伤及修补质量。     

量子隧道效应压敏复合材料

为探讨镍粉-水泥基复合材料的压敏性及其产生机理,首先验证了采用埋入式环状四电极进行镍粉-水泥基复合材料电阻测试的可行性,然后探讨了镍粉-水泥基复合材料的伏安特性,最后研究了一次加载至破坏时和弹性加载阶段镍粉-水泥基复合材料的电阻率变化规律.研究结果表明:基于埋入式环状电极的四电极法适用于镍粉-水泥基复合材料压敏性的测试;在测试电流＜10mA时,镍粉-水泥基复合材料的伏-安特性为线性,隧道导电具有欧姆特性;镍粉-水泥基复合材料一次加载至破坏,电阻率变化率最大达70%,弹性阶段电阻率变化率可达60%以上,量子隧道效应是致使其具有优异压敏性能的原因.     

传感器测试FRP约束混凝土轴压短柱的核心区应力

提出了一种使用水泥基压电陶瓷传感器测试混凝土轴压短柱应力的新方法。将压电传感器埋入混凝土矩形短柱核心区,测试了纤维增强复合材料约束前后混凝土短柱的轴向动态疲劳载荷,建立了传感器输出信号与混凝土短柱核心区应力之间的数值模型,并将理论计算应力值与由模型推导出的应力值进行对比。结果表明:模型推导应力值与理论计算应力值基本吻合,验证了使用压电传感器测试动态载荷作用下混凝土短柱应力这一新方法的可行性。     

掺CCCW的碳纤维石墨水泥基复合材料的导电及压阻特性

利用四电极法研究了内掺水泥基渗透结晶防水材料(CCCW)的碳纤维石墨水泥基复合材料试样(40 mm×40 mm×40 mm)的导电特性及其在循环荷载作用下的压阻特性,分析讨论了碳纤维石墨水泥砂浆的体积电阻率及压阻特性随石墨掺量的变化规律。碳纤维和CCCW的掺量分别为水泥质量的1%和4%;石墨掺量分别为水泥质量的0%、10%、20%、30%、40%和50%。结果表明,添加CCCW的碳纤维石墨砂浆试样的体积电阻率随石墨掺量的增加迅速下降,并存在渗滤现象,渗滤阈值为20%左右。在循环荷载作用下,不同石墨掺量试样的电阻和应力存在一定的对应关系。石墨掺量为水泥质量的20%～30%时,碳纤维石墨水泥砂浆试样的体积电阻率与压应力呈现良好的可重复性,电阻值在应力加载时几乎呈线性下降,而卸载时增加。     

1-3型水泥基压电复合材料传感器的性能

以 123型水泥基压电复合材料作为传感元件制备了水泥基压电复合材料传感器。研究了水泥基压电复合材料传感器的频率响应、 线性性能以及应用于混凝土后的传感性能。结果表明: 当加载频率小于 5 Hz时 , 所有载荷下传感器输出电压的幅值均增大 , 但当加载频率大于 5 Hz时 , 所有载荷下传感器输出电压的幅值几乎与输入载荷频率无关 ; 传感器的输出电压幅值和输入载荷幅值之间存在明显的线性关系。水泥基压电传感器在实际混凝土结构中具有良好的传感特性 , 其输出电压与复杂载荷、 随机载荷和脉冲载荷均呈现明显的一一对应关系 ,且与输入载荷基本同步 , 不存在滞后现象 , 试验输出电压值与理论输出电压值也非常吻合。该传感器非常适合于土木工程结构的健康监测。      

FRP-OFBG智能复合筋及其在加筋混凝土梁中的应用

结合纤维增强聚合物(FRP)的强度特性和光纤光栅(OFBG)的感知特性,研制开发出了FRP-OFBG智能复合筋,研究了它的力学、微观结构、感知等特性。通过FRP-OF-BG加筋混凝土梁静载试验,监测了FRP筋的应变和混凝土开裂,研究了FRP筋与混凝土的滑移和混凝土梁的应变分布。结果表明,FRP-OFBG智能复合筋克服了光纤光栅在混凝土中埋设的工艺难题,是集感知和受力、功能材料和结构材料于一体的新型土木工程材料,既可以方便地作为混凝土结构的内部传感元件,也可以作为结构受力筋,具有很好的应用前景。     

Characterization of a sustainable sulfur polymer concrete using activated fillers

Sulfur polymer concrete (SPC) is a thermoplastic composite concrete consisting of chemically modified sulfur polymer and aggregates. This study focused on the characterization of a new SPC that has been developed as a sustainable construction material. It is made from industrial by-product sulfur that is modified with activated fillers of fly ash, petroleum refinery residual oil, and sand. Unlike conventional sulfur polymer cements made using dicyclopentadiene as a chemical modifier, the use of inexpensive industrial by-products enables the new SPC to cost-effectively produce sustainable, low-carbon, thermoplastic binder that can compete with conventional hydraulic cement concretes. A series of characterization analyses was conducted including thermal analysis, X-ray diffraction, and spatially-resolved X-ray absorption spectroscopy to confirm the polymerization of sulfur induced from the presence of the oil. In addition, mechanical testing, internal pore structure analysis, and scanning electron microscope studies evaluate the performance of this new SPC as a sustainable construction material with a reduced environmental impact.     

A high performance fibre reinforced cement based plaster for retrofitting RC members

A high performance fibre-reinforced cementitious composite (HPFRCC) material is developed to be used for retrofitting reinforced concrete members. It can be applied to the face of a concrete member to the desired thickness as a wet mix or as an adhesively-bonded prefabricated slab or strip. The material is compatible with concrete and possesses favourable strength and ductility properties, desirable for seismic retrofit. It overcomes some of the problems associated with the current techniques based on externally bonded steel plates and fibre-reinforced polymer (FRP) laminates caused mainly by the mismatch of their tensile strength and stiffness with that of the concrete member being retrofitted. An extensive rheological analysis is undertaken to develop the appropriate mixes using different types and mix proportions of constituent materials including; fine steel fibres, fine quartz sand, silica fume, cement and superplasticizer. Much reduced amounts of steel fibres are used compared to the previous studies so that ordinary mixing procedures could be applied and a more cost-effective retrofitting material could be developed. Samples made of the optimum mixes are shown to posses very high compressive and tensile strengths and sufficient ductility for the composite plaster to be used externally for strengthening and seismic retrofitting of concrete members.     

光纤缠绕式应变传感器

研究了一种可用于机敏复合材料与结构状态监测的本征型强度调制光纤应变传感器,它由两根以上多模光纤相互缠绕绞合形成。分析了该传感器的应变传感原理,得到其既能测量拉应变、又能测量压应变的结论。传感器对应变的响应具有良好的线性和重复性,灵敏度高,无迟滞现象。对植入碳纤维/环氧复合材料内的光纤缠绕型应变传感器的实验结果与理论分析一致,表明该传感器是适合于机敏复合材料与结构状态监测的较为理想的光纤传感器。     

Improved method of electrical resistance—a suitable technique for checking the state of concrete reinforcement

The paper describes an improved method of electrical resistance for checking the state of concrete reinforcement and its corrosion. The method is based on the phenomena of the weakening of the cross-section of reinforcement and the increase of its electrical resistance as a result of corrosion. The method was improved by developing a so-called ‘corrosion sensor’. This sensor is embedded in cement composite test specimens or in the concrete structure and enables one to check the condition of the reinforcement. The structure of the sensor excludes disturbing effects during the measurement (e.g. influence of temperature changes of the environment) and increases the sensitivity of the method and the reliability of the test results. This significantly improves this experimental and test technique. The results of the verification of the improved method are given.     

The effect of foam polystyrene granules on cement composite properties

Crumbled recycled foam polystyrene waste as well as spherical large and fine blown polystyrene waste is used to produce the filler for a light thermo-insulating composite, the matrix of which is light foam cement. For better cohesion, fillers are hydrophilizated with foam cement surfactant solution.Polystyrene granules and foam cement concrete interaction schemes are discussed. The investigation of foam cement concrete and polystyrene granule contact zone showed that the contact of these two materials is very close, without any fractures or microcracks. Adherence of the two components depends on the size and shape of granules used.When a polystyrene granule is ripped out of foam cement concrete, the emerged “hole” closely repeats the structure of the granule and there is some polystyrene residue left in it. This proves the fact that foam cement concrete contact zone is stronger than the polystyrene granule material. When fine polystyrene granules are used, it disintegrates along the contact zone. Such composite has the lowest adhesion strength, however, it is stronger in comparison with a composite, made with different foam polystyrene granules, provided by better macrostructure. Strength and thermal conductivity of the composite depend on its density, the filler, its sort and amount used, and is defined by regression equations.     

附加式压磁测力传感器在动态称重轨中的应用

根据剪力型动态称重轨的工作原理，对应用附加式压磁测力传感器动态称重进行了可行性研究。设计了一种三磁极压磁测力传感器，推导出这种传感器的输出方程，并分别在材料试验机与矿山有轨运输轨道上进行了静态特性标定试验和实试验。试验结果表明，这种传感器能够达到5mV／kN的测试灵敏度和小于2．7％的不重复精度。另外，这种传感器结构简单、安装方便、坚固耐用，将其应用动态称重轨是可行的。     

玄武岩纤维混凝土腐蚀条件下抗冻融性能试验研究

为了研究玄武岩纤维增强混凝土(BFRC)工程应用的耐久性能,通过试验的方法开展了这种新型复合建筑材料在腐蚀条件下抗冻融性能研究。试验分别测试了玄武岩纤维增强混凝土在无腐蚀环境下、在溶液、溶液和复合溶液(+)中的抗冻融寿命。试验结果表明:在上述四种情况下,复合材料经过冻融循环时相对弹性模量下降速度依次减缓。结论玄武岩纤维对混凝土在腐蚀条件下抗冻融破坏能力增强效果显著,有效地延长了混凝土在腐蚀条件下的使用寿命。     

水泥基复合路面材料微观热应力分析

乳化橡胶沥青水泥混凝土（ＥＲＡＣＣ）是以水泥砂浆为连续相，以裹覆乳化橡胶沥青的粗集料为分散相的水泥基复合路面材料。根据ＥＲＡＣＣ路面结构特点和ＥＲＡＣＣ的微观结构特点，建立了ＥＲＡＣＣ微观热应力分析的三层嵌套模型，推导了计算公式，讨论了提高ＥＲＡＣＣ抗温缩开裂能力的途径。