纳米碳纤维聚氨酯基复合材料机敏特性研究及工程应用
发布时间：2022-09-17 12:05
本文以聚氨酯水泥（PUC）加固桥梁的工程实践为背景,通过向PUC中加入纳米碳纤维（CNF）等导电填料,将其制成纳米碳纤维聚氨酯水泥（CPUC）复合材料。从CPUC的制备、力学特性入手,对CPUC的机敏特性进行了系统研究,并提出了一种简便易行的评估CNF分散效果的方法。研究了 CPUC在疲劳荷载作用下的电阻率变化规律,利用CPUC电阻率变化对其疲劳累积损伤进行定量评定。通过CPUC材料加固混凝土大梁,建立电阻变化率与外荷载关系模型,对梁体的承载力状况进行实时评估,加固的同时实现了梁体健康监测的双重效果。利用CPUC加固混凝土柱,提高柱承载能力的同时,通过CPUC的纵向电阻变化率预估钢筋纵向应变,对柱体损伤程度进行定量表征,形成具有损伤自诊断功能的外包CPUC混凝土柱体。最后,以某加固实桥为例,利用集成型CPUC智能传感器,对主梁张拉体外预应力钢束前后,及静载试验下的主梁关键截面应变进行监测,验证了其在工程应用中的可行性。本研究为CPUC在智能监测方向的工程应用提供了理论依据与方向。主要研究成果如下:1、以双组分聚氨酯（PU）为胶凝材料,水泥作为主要细集料,CNF作为主要导电填料,通过对C...
【文章页数】：169 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题的研究背景和意义
1.1.1 课题的研究背景
1.1.2 课题的研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 纳米碳纤维聚氨酯基复合材料力学特性研究现状
1.2.2 纳米碳纤维聚氨酯基复合材料电学特性研究现状
1.2.3 聚氨酯基智能材料研究现状
1.2.4 结构健康监测研究现状
1.2.5 聚合物基复合材料加固研究现状
1.3 目前研究工作存在的问题
1.4 本文研究的主要内容
2 纳米碳纤维聚氨酯基复合材料的制备
2.1 原材料
2.1.1 胶凝材料
2.1.2 细骨料
2.1.3 导电填料
2.2 CNF表面改性及拌和过程
2.2.1 CNF的表面改性
2.2.2 拌和过程
2.3 微观表征与性能测试
2.3.1 X射线光电子能谱(XPS)
2.3.2 X射线衍射(XRD)
2.3.3 傅里叶变换-红外光谱(FTIR)
2.3.4 热重(TG)分析
2.4 CPUC渗虑阈值及测试方法
2.4.1 CPUC渗虑阈值
2.4.2 两电极与四电极测试方法比较
2.4.3 电流与电压电极距离对测试结果的影响
2.5 本章小结
3 纳米碳纤维聚氨酯基复合材料基本力学性能研究
3.1 抗压性能测试
3.1.1 配合比设计
3.1.2 抗压试验
3.1.3 纤维掺量对PUC应力应变及模量影响
3.1.4 泊松比
3.2 抗弯拉强度
3.2.1 抗弯试验
3.2.2 荷载-挠度关系
3.2.3 弯拉应力-应变关系
3.3 抗拉强度
3.3.1 直拉强度
3.3.2 直拉、劈拉、弯拉强度比较
3.4 与混凝土粘结试验
3.4.1 直接拉伸粘结试验
3.4.2 粘结抗剪强度试验
3.5 纤维增强机理
3.5.1 拉伸强度
3.5.2 弹性模量
3.6 本章小结
4 纳米碳纤维聚氨酯基复合材料机敏特性研究
4.1 静态电阻率影响因素
4.1.1 正交试验设计
4.1.2 结果与讨论
4.2 压敏性能测试
4.2.1 试样制作及测试方法
4.2.2 CPUC压敏特性
4.2.3 导电及压敏机理分析
4.3 弯阻特性测试
4.3.1 弯曲试验
4.3.2 弯拉应力-应变曲线
4.3.3 CPUC弯阻特性
4.4 拉敏性能测试
4.4.1 试验方案设计
4.4.2 单次加载拉敏特性
4.4.3 不同应力幅值下循环加载拉敏特性
4.4.4 受拉弛豫过程
4.5 CPUC人工加速湿热老化电导特性研究
4.5.1 试验设计
4.5.2 结果与讨论
4.5.3 机理分析
4.6 不同环境温度下CPUC电导效应机理
4.6.1 复合型导电高分子材料导电机理
4.6.2 环境温度对CPUC电导效应的影响
4.7 本章小结
5 纳米碳纤维聚氨酯水泥分散性评价研究
5.1 引言
5.2 试验方案设计
5.2.1 静态电阻率测试
5.2.2 正六面体试块制备与电阻测试
5.2.3 压敏性能测试
5.3 结果与讨论
5.3.1 不同聚灰比下渗流曲线
5.3.2 正六面体电阻变异系数Cv
5.3.3 压阻灵敏度
5.3.4 取样正六面体与相应拌合物之间灵敏度误差
5.3.5 电阻变异系数与灵敏度关系
5.3.6 CNFs掺量最优配合比与灵敏度判别
5.4 本章小结
6 本征型CPUC加固混凝土梁、柱自监测试验研究
6.1 CPUC加固混凝土梁-弯曲疲劳累积损伤自监测研究
6.1.1 四点弯曲疲劳试验
6.1.2 结果与讨论
6.1.3 结论
6.2 CPUC加固混凝土梁-弯曲自监测试验研究
6.2.1 试验概况
6.2.2 试验结果及讨论
6.2.3 结论
6.3 CPUC加固混凝土柱-轴压自监测试验研究
6.3.1 试验方案设计
6.3.2 试验结果及分析
6.3.3 结论
6.4 本章小结
7 集成型CPUC在桥梁工程中的应用
7.1 集成型CPUC的标定
7.1.1 集成型CPUC传感器的制作
7.1.2 表面型CPUC弯压传感器的标定
7.1.3 表面型CPUC弯拉传感器的标定
7.2 集成型CPUC在桥梁施工监控中的应变监控
7.2.1 工程概况
7.2.2 主梁应变监控方案及测点布置
7.2.3 主梁应变监控结果
7.3 集成型CPUC在桥梁静载试验中的应变测试
7.3.1 静载试验方案及测点布置
7.3.2 校验系数及应变测量
7.4 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
【参考文献】：
期刊论文
[1]箍筋约束超高性能混凝土柱受压性能研究进展[J]. 邓宗才,姚军锁. 建筑科学与工程学报. 2020(01)
[2]海砂混凝土单轴受压应力-应变全曲线试验研究[J]. 陈宗平,张亚旗,姚如胜,陈宇良. 硅酸盐通报. 2019(12)
[3]基于中性轴的混凝土梁桥监测方法与指标研究[J]. 夏烨,王鹏,雷伟,孙利民. 华南理工大学学报(自然科学版). 2019(12)
[4]本征自感知混凝土在高铁土建基础设施原位监测中的应用展望[J]. 韩宝国,丁思齐,董素芬,倪一清,欧进萍. 中国铁路. 2019(11)
[5]轴压荷载下钢管钢筋混凝土损伤状态超声检测研究[J]. 陈猛,贾益铭,陈耕野,迟东,王宇涵. 工程力学. 2019(10)
[6]基于时间反演法的纤维增强复材/钢筋增强混凝土梁损伤监测研究[J]. 周玲珠,郑愚,罗远彬,张黎飞,王晓璐,刘利川. 工业建筑. 2019(09)
[7]钢绞线网片-聚合物砂浆加固钢筋混凝土梁受弯性能试验研究及破坏机理分析[J]. 黄群贤,郭子雄,姚秋来,刘阳,林加慧. 建筑结构学报. 2019(12)
[8]玄武岩纤维布和碳纤维布加固高强混凝土柱轴压性能试验研究[J]. 高鹏,黄镜渟,周安,朱大勇,魏松,李涛,戴良军. 工业建筑. 2019(09)
[9]碳纤维聚氨酯水泥复合材料力学性能试验研究[J]. 杨楠,孙全胜. 聚氨酯工业. 2019(04)
[10]功能三维石墨烯-多壁碳纳米管/热塑性聚氨酯复合材料的制备及性能[J]. 赵梁成,李斌,武思蕊,李仲明,李覃. 复合材料学报. 2020(02)
博士论文
[1]土木工程结构的性能监测系统与损伤识别方法研究[D]. 杨晓明.天津大学 2006
硕士论文
[1]多相导电材料对混凝土梁裂缝的自监测研究[D]. Abasal Hussain（阿赛）.大连理工大学 2019
[2]钢纤维对智能混凝土裂缝自监测性能的影响[D]. 谢昊威.大连理工大学 2018
[3]声发射技术在混凝土梁破坏监测中的应用研究[D]. 李传禧.华南理工大学 2018
[4]基于压电传感器的方钢管混凝土柱-钢梁节点冲击应力监测与性能分析[D]. 刘向东.长江大学 2018
[5]基于智能材料的混凝土结构健康监测实验及数值模拟研究[D]. 郑俊博.长沙理工大学 2018
[6]智能聚合物混凝土的自感知特性及应用研究[D]. 杨叶.南京理工大学 2018
[7]PUFA复合材料加固钢筋混凝土圆截面桥墩的试验研究[D]. 阮文定（Nguyen Van Dinh）.哈尔滨工业大学 2013
[8]PUFA材料用于钢筋混凝土梁抗剪加固的试验研究与理论分析[D]. 金锐光.哈尔滨工业大学 2013
[9]活性粉末混凝土加固RC柱轴压性能试验研究[D]. 陶剑剑.湖南大学 2013
[10]FRP约束混凝土轴压短柱核心区应力的传感器测试[D]. 张颖.济南大学 2013
本文编号：3679193
【文章页数】：169 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题的研究背景和意义
1.1.1 课题的研究背景
1.1.2 课题的研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 纳米碳纤维聚氨酯基复合材料力学特性研究现状
1.2.2 纳米碳纤维聚氨酯基复合材料电学特性研究现状
1.2.3 聚氨酯基智能材料研究现状
1.2.4 结构健康监测研究现状
1.2.5 聚合物基复合材料加固研究现状
1.3 目前研究工作存在的问题
1.4 本文研究的主要内容
2 纳米碳纤维聚氨酯基复合材料的制备
2.1 原材料
2.1.1 胶凝材料
2.1.2 细骨料
2.1.3 导电填料
2.2 CNF表面改性及拌和过程
2.2.1 CNF的表面改性
2.2.2 拌和过程
2.3 微观表征与性能测试
2.3.1 X射线光电子能谱(XPS)
2.3.2 X射线衍射(XRD)
2.3.3 傅里叶变换-红外光谱(FTIR)
2.3.4 热重(TG)分析
2.4 CPUC渗虑阈值及测试方法
2.4.1 CPUC渗虑阈值
2.4.2 两电极与四电极测试方法比较
2.4.3 电流与电压电极距离对测试结果的影响
2.5 本章小结
3 纳米碳纤维聚氨酯基复合材料基本力学性能研究
3.1 抗压性能测试
3.1.1 配合比设计
3.1.2 抗压试验
3.1.3 纤维掺量对PUC应力应变及模量影响
3.1.4 泊松比
3.2 抗弯拉强度
3.2.1 抗弯试验
3.2.2 荷载-挠度关系
3.2.3 弯拉应力-应变关系
3.3 抗拉强度
3.3.1 直拉强度
3.3.2 直拉、劈拉、弯拉强度比较
3.4 与混凝土粘结试验
3.4.1 直接拉伸粘结试验
3.4.2 粘结抗剪强度试验
3.5 纤维增强机理
3.5.1 拉伸强度
3.5.2 弹性模量
3.6 本章小结
4 纳米碳纤维聚氨酯基复合材料机敏特性研究
4.1 静态电阻率影响因素
4.1.1 正交试验设计
4.1.2 结果与讨论
4.2 压敏性能测试
4.2.1 试样制作及测试方法
4.2.2 CPUC压敏特性
4.2.3 导电及压敏机理分析
4.3 弯阻特性测试
4.3.1 弯曲试验
4.3.2 弯拉应力-应变曲线
4.3.3 CPUC弯阻特性
4.4 拉敏性能测试
4.4.1 试验方案设计
4.4.2 单次加载拉敏特性
4.4.3 不同应力幅值下循环加载拉敏特性
4.4.4 受拉弛豫过程
4.5 CPUC人工加速湿热老化电导特性研究
4.5.1 试验设计
4.5.2 结果与讨论
4.5.3 机理分析
4.6 不同环境温度下CPUC电导效应机理
4.6.1 复合型导电高分子材料导电机理
4.6.2 环境温度对CPUC电导效应的影响
4.7 本章小结
5 纳米碳纤维聚氨酯水泥分散性评价研究
5.1 引言
5.2 试验方案设计
5.2.1 静态电阻率测试
5.2.2 正六面体试块制备与电阻测试
5.2.3 压敏性能测试
5.3 结果与讨论
5.3.1 不同聚灰比下渗流曲线
5.3.2 正六面体电阻变异系数Cv
5.3.3 压阻灵敏度
5.3.4 取样正六面体与相应拌合物之间灵敏度误差
5.3.5 电阻变异系数与灵敏度关系
5.3.6 CNFs掺量最优配合比与灵敏度判别
5.4 本章小结
6 本征型CPUC加固混凝土梁、柱自监测试验研究
6.1 CPUC加固混凝土梁-弯曲疲劳累积损伤自监测研究
6.1.1 四点弯曲疲劳试验
6.1.2 结果与讨论
6.1.3 结论
6.2 CPUC加固混凝土梁-弯曲自监测试验研究
6.2.1 试验概况
6.2.2 试验结果及讨论
6.2.3 结论
6.3 CPUC加固混凝土柱-轴压自监测试验研究
6.3.1 试验方案设计
6.3.2 试验结果及分析
6.3.3 结论
6.4 本章小结
7 集成型CPUC在桥梁工程中的应用
7.1 集成型CPUC的标定
7.1.1 集成型CPUC传感器的制作
7.1.2 表面型CPUC弯压传感器的标定
7.1.3 表面型CPUC弯拉传感器的标定
7.2 集成型CPUC在桥梁施工监控中的应变监控
7.2.1 工程概况
7.2.2 主梁应变监控方案及测点布置
7.2.3 主梁应变监控结果
7.3 集成型CPUC在桥梁静载试验中的应变测试
7.3.1 静载试验方案及测点布置
7.3.2 校验系数及应变测量
7.4 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
【参考文献】：
期刊论文
[1]箍筋约束超高性能混凝土柱受压性能研究进展[J]. 邓宗才,姚军锁. 建筑科学与工程学报. 2020(01)
[2]海砂混凝土单轴受压应力-应变全曲线试验研究[J]. 陈宗平,张亚旗,姚如胜,陈宇良. 硅酸盐通报. 2019(12)
[3]基于中性轴的混凝土梁桥监测方法与指标研究[J]. 夏烨,王鹏,雷伟,孙利民. 华南理工大学学报(自然科学版). 2019(12)
[4]本征自感知混凝土在高铁土建基础设施原位监测中的应用展望[J]. 韩宝国,丁思齐,董素芬,倪一清,欧进萍. 中国铁路. 2019(11)
[5]轴压荷载下钢管钢筋混凝土损伤状态超声检测研究[J]. 陈猛,贾益铭,陈耕野,迟东,王宇涵. 工程力学. 2019(10)
[6]基于时间反演法的纤维增强复材/钢筋增强混凝土梁损伤监测研究[J]. 周玲珠,郑愚,罗远彬,张黎飞,王晓璐,刘利川. 工业建筑. 2019(09)
[7]钢绞线网片-聚合物砂浆加固钢筋混凝土梁受弯性能试验研究及破坏机理分析[J]. 黄群贤,郭子雄,姚秋来,刘阳,林加慧. 建筑结构学报. 2019(12)
[8]玄武岩纤维布和碳纤维布加固高强混凝土柱轴压性能试验研究[J]. 高鹏,黄镜渟,周安,朱大勇,魏松,李涛,戴良军. 工业建筑. 2019(09)
[9]碳纤维聚氨酯水泥复合材料力学性能试验研究[J]. 杨楠,孙全胜. 聚氨酯工业. 2019(04)
[10]功能三维石墨烯-多壁碳纳米管/热塑性聚氨酯复合材料的制备及性能[J]. 赵梁成,李斌,武思蕊,李仲明,李覃. 复合材料学报. 2020(02)
博士论文
[1]土木工程结构的性能监测系统与损伤识别方法研究[D]. 杨晓明.天津大学 2006
硕士论文
[1]多相导电材料对混凝土梁裂缝的自监测研究[D]. Abasal Hussain（阿赛）.大连理工大学 2019
[2]钢纤维对智能混凝土裂缝自监测性能的影响[D]. 谢昊威.大连理工大学 2018
[3]声发射技术在混凝土梁破坏监测中的应用研究[D]. 李传禧.华南理工大学 2018
[4]基于压电传感器的方钢管混凝土柱-钢梁节点冲击应力监测与性能分析[D]. 刘向东.长江大学 2018
[5]基于智能材料的混凝土结构健康监测实验及数值模拟研究[D]. 郑俊博.长沙理工大学 2018
[6]智能聚合物混凝土的自感知特性及应用研究[D]. 杨叶.南京理工大学 2018
[7]PUFA复合材料加固钢筋混凝土圆截面桥墩的试验研究[D]. 阮文定（Nguyen Van Dinh）.哈尔滨工业大学 2013
[8]PUFA材料用于钢筋混凝土梁抗剪加固的试验研究与理论分析[D]. 金锐光.哈尔滨工业大学 2013
[9]活性粉末混凝土加固RC柱轴压性能试验研究[D]. 陶剑剑.湖南大学 2013
[10]FRP约束混凝土轴压短柱核心区应力的传感器测试[D]. 张颖.济南大学 2013
本文编号：3679193
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