纳米炭黑环氧树脂基复合材料应变和裂缝感知特性研究

论文摘要

结构健康监测是目前土木工程领域的研究热点,要实现对大型土木工程的健康监测需要灵敏度高、稳定性及耐久性好的传感器。本文从工程需求出发,系统地研究炭黑/环氧树脂基传感器的电学和力电性能,并将传感器埋入钢筋混凝土构件中形成智能自监测系统。主要研究内容包括:首先,以电阻率的平均值和变异系数作为评价指标,并结合扫描电镜图片,分析研究搅拌时间和偶联剂表面改性对炭黑粉体在环氧树脂基体中分散性的影响,并进一步研究炭黑在环氧树脂基体中分散性对炭黑/环氧树脂基块体传感器力电性能的影响,从而确定传感器试件制备的基本工艺;通过分析其所形成电场的差异,比较不同电极对传感器电学及力电性能的影响,确定最佳的电极形式。其次,通过比较掺加不同直径和结构炭黑的环氧树脂基块体传感器的伏安特性和力电性能,分析炭黑直径和结构对传感器力电影响的机理;研究环氧树脂基块体传感器在循环荷载下的力电性;进一步研究环向约束下炭黑/环氧树脂块体传感器在静载和循环荷载下的力电性能,找到提高炭黑/环氧树脂基块体传感器力灵敏度的途径。制备炭黑/环氧树脂基单电极和多电极薄膜传感器,研究炭黑掺量对单电极薄膜传感器电阻率和力电性能的影响,揭示其渗流特性;研究不同电极布置形式下单电极薄膜传感器的力电性能;研究单电极薄膜传感器在循环荷载下的力电性能,分析循环荷载作用下薄膜传感器灵敏度系数的变化机理;提出通过在环氧树脂基体中混掺不同直径和结构炭黑改善薄膜传感器在循环荷载下的监测性能的方法;研究多电极薄膜传感器在弯矩作用下的监测性能。然后,研究炭黑/环氧树脂基传感器的基本传感特性,包括滞后、时间零漂移、量程、灵敏度、线性度和重复性;研究湿度和温度对传感器性能的影响,提出温度补偿方法;研究加载速度对传感器监测性能的影响。最后,将炭黑/环氧树脂基传感器应用于混凝土柱及钢筋混凝土梁形成自监测智能系统。研究环氧树脂基块体传感器对混凝土柱及钢筋混凝土梁受压区压应变的监测,比较传感器测试结果与位移计及同测点的应变片的监测结果;应用多电极薄膜传感器对钢筋混凝土梁受拉区裂缝进行监测,验证了监测系统的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 智能混凝土的研究进展
• 1.2.1 自调节混凝土
• 1.2.2 自修复混凝土
• 1.2.3 自增强阻尼混凝土
• 1.2.4 自感知混凝土
• 1.3 机敏复合材料研究进展
• 1.3.1 水泥基机敏复合材料研究进展
• 1.3.2 聚合物基机敏复合材料研究进展
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 炭黑
• 2.1 引言
• 2.2 炭黑/环氧树脂基块体试件制备工艺及其对力电性能的影响
• 2.2.1 原材料
• 2.2.2 搅拌时间的影响
• 2.2.3 偶联剂对炭黑表面改性的影响
• 2.3 炭黑/环氧树脂块体试件电极形式选择
• 2.3.1 原材料及试件制备
• 2.3.2 电极形式和测试方法对电阻测试影响及分析
• 2.3.3 电极形式及测试方法对力电性能的影响
• 2.4 本章小结
• 第3章 炭黑/环氧树脂块体试件基本力电性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 炭黑掺量的影响
• 3.2.1 试件制备及测试
• 3.2.2 结果及分析
• 3.3 炭黑颗粒直径的影响
• 3.3.1 试件制备及测试
• 3.3.2 实验结果及分析
• 3.3.3 对理论分析的验证
• 3.4 炭黑/环氧树脂导电复合材料在循环荷载作用下的力电性能
• 3.4.1 试件制备及测试
• 3.4.2 结果及分析
• 3.5 约束对炭黑/环氧树脂导电复合材料力电性能的影响
• 3.5.1 提高炭黑/环氧树脂导电复合材料力电性能的途径
• 3.5.2 受约束炭黑/环氧树脂导电复合材料力电性能测试
• 3.6 本章小结
• 第4章 炭黑/环氧树脂/聚酰亚胺导电薄膜基本力电性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 炭黑掺量的影响
• 4.2.1 薄膜试件的制备及测试
• 4.2.2 实验结果及分析
• 4.3 电极设置的影响
• 4.3.1 试件制备及测试
• 4.3.2 实验测试结果及分析
• 4.4 循环荷载作用下薄膜试件的力电变化规律
• 4.4.1 掺喷雾炭黑薄膜试件在循环荷载下的力电性能
• 4.4.2 对薄膜试件力电性能的改进
• 4.5 弯矩作用下的力电变化
• 4.5.1 试件制备及测试
• 4.5.2 多电极薄膜弯矩测试结果
• 4.6 本章小结
• 第5章 炭黑/环氧树脂基传感器性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 炭黑/环氧树脂基传感器基本特征
• 5.2.1 满度值
• 5.2.2 灵敏度
• 5.2.3 线性度
• 5.2.4 重复性
• 5.2.5 迟滞性
• 5.2.6 时间零漂移
• 5.3 湿度和温度对炭黑/环氧树脂基传感器性能影响
• 5.3.1 湿度对炭黑/环氧树脂基传感器性能影响
• 5.3.2 温度对炭黑/环氧树脂基传感器性能影响
• 5.4 加载速度对传感器性能影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 基于炭黑/环氧树脂基传感器的自监测混凝土结构
• 6.1 引言
• 6.2 基于炭黑/环氧树脂基块体传感器的混凝土柱自监测
• 6.2.1 试件制备及测试
• 6.2.2 传感器电阻测试
• 6.2.3 混凝土柱应变自监测性能
• 6.3 炭黑/环氧树脂基薄膜传感器对单裂缝的监测
• 6.3.1 试件制备及测试
• 6.3.2 测试结果
• 6.4 基于炭黑/环氧树脂基传感器的自监测钢筋混凝土梁
• 6.4.1 钢筋混凝土梁设计及加载制度
• 6.4.2 炭黑/环氧树脂传感器的布设及测试
• 6.4.3 混凝土梁受压区监测结果
• 6.4.4 混凝土梁受拉区裂缝监测结果
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历