本文研究的主题来源及内容简介

本文围绕内掺含活性化学物质的CCCW材料及碳纤维经表面氧化处理后的碳纤维水泥净浆、碳纤维水泥砂浆及碳纤维-石墨水泥砂浆这三种试块，根据前述分析可知，聚合物基压阻复合材料以颗粒状导电填充料石墨、炭黑为主，其导电机理和压阻特性得到了系统深入的研究，基于不同理论建立了多种压阻模型来描述和预测聚合物基炭黑复合材料的压阻特性。但聚合物基复合材料是柔性材料，与土木工程结构匹配性较差。水泥基压阻复合材料以纤维状导电填料碳纤维为主，其复合材料的性能和应用形式已进行了系统研究，但碳纤维导电复合材料压阻特性影响因素较多，存在一定不确定性和离散性，制约着其研究与应用。

为了更深入了解机敏混凝土的导电性及传感特性，为将机敏混凝土制作成感知结构服役状况的本征型传感器提供理论和实验依据，本课题从导电相、导电路径、导电载流子以及供电方式等方面对机敏混凝土的导电性及传感特性进行研究，包括碳纤维的导电性和传感特性研究、碳纤维机敏混凝土的导电性及传感特性研究。另外，碳纤维机敏混凝土传感器埋入大体积混凝土结构中时，往往是处于三向应力状态，所以本课题将对碳纤维机敏混凝土在三向应力状态下的传感特性进行研究。

基于国内外在压阻复合材料领域的研究现状，结合材料科学领域的研究成果，本文提出了制备水泥基导电复合材料时内掺、以碳纤维和石墨为导电相的技术路线，并围绕水泥基导电复合材料的制备工艺和配合比、单向和多轴应变状态下压阻特性等展开研究。同时，对内掺和短切碳纤维的混凝土中的钢筋的腐蚀与防护机理进行研究。

本文围绕内掺含活性化学物质的CCCW材料及碳纤维经表面氧化处理后的碳纤维水泥净浆、碳纤维水泥砂浆及碳纤维-石墨水泥砂浆这三种试块，开展了深入系统的研究，主要内容如下：

（1）碳纤维的导电性及传感特性研究。通过对碳纤维单丝、碳纤维束在单调与循环拉伸时的应变电阻效应、碳纤维的表面处理对应变电阻效应灵敏度、稳定性的影响等的研究，了解机敏混凝土的导电相碳纤维的导电性及传感特性，为探究机敏混凝土的导电性、导电机理及传感特性打基础。制备综合性能优异的上述三种材料的试块，确定较好的分散方法、搅拌工艺和材料配合比；通过改进碳纤维分散工艺及对碳纤维改性处理，制备内掺材料的碳纤维水泥净浆和砂浆，研究其电学性能和力学性能。针对碳纤维现有分散工艺难以保证制备性能稳定的水泥基复合材料的问题，在广泛了解和参考国内外的技术和工艺基础上，研究石墨、碳纤维和石墨水泥基复合材料的电学性能，以优化工艺及配比。同时，利用作为碳纤维的新型分散剂，研究所制备水泥基复合材料的电学性能。

（2）采用二电极法和四电极法分别对上述三种立方体试块进行电阻测试，分析当碳纤维或石墨掺量发生变化时对试块导电性能的影响；并分析了不同碳纤维或石墨掺量下上述三种试块在小应力循环载荷下的压阻特性；不同供电方式下机敏混凝土的传感特性及工程应用研究。碳纤维机敏混凝土是无源传感器，所以在研究其传感特性时就会涉及供电问题，本文研究了不同供电方式下机敏混凝土传感特性，并建立了交流供电下机敏混凝土的电学模型。另外，还对机敏混凝土的传感特性在工程上的应用进行了研究。(www.xing528.com)

（3）对碳纤维水泥砂浆试块和碳纤维-石墨水泥砂浆试块进行抗压强度测试，并采用电子显微镜（SEM）分析试块的微观组织结构；在上述研究的基础上，对所制备的机敏材料的应变灵敏度进行研究，同时研究在多循环条件下的压阻特性，分析讨论基于隧道效应理论的多轴应变下的力电理论公式，并进一步探索机敏材料试块以嵌入方式对混凝土结构的传感特性，研究利用所制备机敏材料试块实施土木工程结构健康监测的可行性，为其应用提供参考依据。

（4）对不同碳纤维或石墨掺量下的上述三种试块的渗流现象和极化现象进行了机理探讨，提出了渗流现象的有效介质模型及压阻机理的理论模型，最后讨论了导电相对碳纤维水泥砂浆试块和碳纤维-石墨水泥砂浆试块抗压强度的影响机理。机敏混凝土在三向应力状态下的传感特性研究。研究碳纤维机敏混凝土试样在三向受压情况下的应变包括轴向应变、环向应变和体积应变电阻效应，并与单向受压情况下的应变电阻效应作比较，从而更进一步研究碳纤维机敏混凝土的传感特性，为将机敏混凝土制作成本征型传感器提供理论和实验依据。

（5）对掺入CCCW和碳纤维的混凝土中的钢筋腐蚀问题进行研究，并提出防护钢筋锈蚀的方法。

本文的研究是国家自然科学基金重点项目“机敏混凝土与结构”（项目编号50238040）、国家自然科学基金“碳纤维智能层的多场祸合机理及其智能诊断”（项目编号10672128）和国家自然科学基金“高结构副产炭黑填充轻集料混凝土导电路面材料研究”（项目编号50878170）的部分研究内容，是在国家自然科学基金重点项目的资助下，开展水泥基机敏材料的制备、性能检测、机理探讨、钢筋腐蚀研究等工作。