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水泥基复合材料导电性能及电热性能试验研究

水泥基复合材料导电性能及电热性能试验研究

作者：石丽娜太原理工大学

学位级别：硕士

随着科学技术的进步,人们对材料复合技术的认识也在不断提高,因而对水泥基复合材料提出了更多功能性要求。水泥基复合材料的导电性能及其因导电性能而衍生出了压敏性能、温敏性能和电热性能等,其电热性能应用于道路桥梁的融雪除冰,具有... 详细信息

随着科学技术的进步,人们对材料复合技术的认识也在不断提高,因而对水泥基复合材料提出了更多功能性要求。水泥基复合材料的导电性能及其因导电性能而衍生出了压敏性能、温敏性能和电热性能等,其电热性能应用于道路桥梁的融雪除冰,具有高效、快速、对环境无污染等优点。本文选择适宜导电组分,对单掺、复掺导电材料水泥基复合材料的力学性能、导电性能、电热性能及微观结构进行试验研究和机理探讨。本文主要研究内容如下:（1）导电水泥基复合材料力学性能试验研究。选择适宜纤维状、颗粒状导电材料,其中碳纤维掺量0.05Vol.%～0.50Vol.%、碳纳米管掺量0.025Vol.%～0.300Vol.%、钢纤维掺量0.2Vol.%～1.0Vol.%、石墨掺量2Vol.%～10Vol.%,并优选掺量进行复掺;制备单掺、复掺导电材料水泥基复合材料,测试其抗折强度和抗压强度,探究导电材料的不同掺量及组合方式对水泥基复合材料力学性能的影响。结果表明:1)碳纤维可提高水泥基复合材料的抗折强度,掺量为0.20Vol.%～0.35Vol.%时对水泥基复合材料的抗折强度提高明显,继续增加碳纤维掺量,抗折强度的增长幅度减小;碳纤维可提高水泥基复合材料的抗压强度,掺量为0.45Vol.%～0.50Vol.%时对其抗压强度略有降低。2)碳纳米管在较低掺量时可略微提高水泥基复合材料的强度,适宜掺量的碳纳米管可显著提高其强度,当碳纳米管掺量较高时,对水泥基复合材料的抗折强度稍有提高,而抗压强度呈降低趋势。3)钢纤维可以较大幅度地提高水泥基复合材料的抗折强度和抗压强度。4)石墨掺量为2Vol.%～4Vol.%时可略微提高水泥基复合材料的抗折强度,继续增大掺量会降低其抗折强度;水泥基复合材料的抗压强度随石墨掺量的增加而降低。5)与单掺导电材料相比,复掺导电材料可进一步提高水泥基复合材料的抗折强度,对其抗压强度则略有降低。各优选掺量导电材料对水泥基复合材料力学性能的作用效果为:钢纤维＞碳纤维＞碳纳米管＞石墨。（2）导电水泥基复合材料导电性能试验研究。选择适宜纤维状、颗粒状导电组分,导电材料掺量同（1）,制备单掺、复掺导电材料水泥基复合材料;利用电化学阻抗测试仪,测试导电水泥基复合材料的交流阻抗,分析频率-阻抗关系及其等效电路,探究导电材料的不同掺量及组合方式对水泥基复合材料导电性能及导电机制的影响。结果表明:1)导电材料的加入对电极与试件界面储备电荷的能力影响较小,但可明显降低界面电阻值,随着导电材料掺量的增大及复掺优化,界面电容值变化幅度较小、电阻值有不同程度的降低;2)导电材料的加入对水泥基体导电路径的影响较大,随着导电材料掺量的增大及复掺优化,水泥基体总体的电容值增大、电阻值降低,表明水泥基体的导电路径得到明显改善;3)随着导电材料掺量的增大,导电材料所形成导电路径的电容值增大或略有波动、电阻值有不同程度的降低,导电材料形成的导电网络逐渐趋于完善。以上导电路径的共同作用,使得水泥基复合材料的导电性能得到大幅度的提升。综合分析导电材料的价格以及各电路元件数值突变所对应的导电材料掺量及组合类别,得出碳纤维最佳掺量为0.35Vol.%、碳纳米管最佳掺量为0.175Vol.%、钢纤维最佳掺量为0.6Vol.%、石墨最佳掺量为4Vol.%;复掺导电材料水泥基复合材料中B00175D04、A0035D04、C006D04、A0035C006D04、B00175C006D04导电性能较优异。（3）导电水泥基复合材料微观结构试验研究。在单掺和复掺导电材料水泥基复合材料的基础上选择优选配比,制备扫描电镜试样,通过微结构形貌分析,研究导电材料在水泥基复合材料内部的形态、分布及搭接情况。结果表明:1)碳纤维在水泥基复合材料内部呈现单丝状态且分散均匀,出现相互搭接或距离较近有利于形成隧道效应的状态,有利于改善其导电路径;碳纤维还可提高水泥基复合材料的抗折强度。2)碳纳米管在水泥基复合材料中呈现乱向分布、分散良好,有利于改善其导电性能,与碳纤维一样可提高其抗折强度。3)掺加石墨与素水泥基复合材料相比,其断裂面更加光滑、内部结构更为密实。4)导电材料复掺与单掺时相比,可使导电水泥基复合材料导电网络得到进一步优化。（4）导电水泥基复合材料电热性能试验研究。在复掺导电材料水泥基复合材料的基础上,制备导电水泥基复合材料小板,通过测试导电水泥基复合材料室内升温和降温试验,模拟电热性能在工程中的应用。结果表明:导电水泥基复合材料施加电压后试件表面及内部温度均有较大幅度上升。水泥基复合材料通电初期的升温速率明显高于后期,升温效果明显优于素水泥基复合材料。关闭电源后导电水泥基复合材料的温度下降明显,降温初期的降温速率明显高于后期,关闭电源500min后表面及内部各点温度值趋于一致并接近于室温。综合分析导电水泥基复合材料的力学性能、导电性能及微观结构,选择复掺碳纳米管、钢纤维、石墨水泥基复合材料作为最优配比,各导电材料的掺

关键词：水泥基复合材料导电性能交流阻抗等效电路电热性能微观结构

水泥基复合材料界面过渡区体积分数的定量计算

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哈尔滨工业大学学报 2011年第11期43卷 110-113页

作者：孙国文孙伟张云升刘志勇东南大学材料科学与工程学院南京211189 石家庄铁道大学材料科学与工程学院河北石家庄050043

为了计算水泥基复合材料的界面过渡区体积分数,采用最邻近表面分布函数和骨料比表面积2种方法,结合实际骨料的筛分曲线,给出了界面过渡区体积分数定量关系式.结果表明:单位体积水泥基复合材料中,当骨料的体积分数<0.5,界面厚度<50μm时,... 详细信息

为了计算水泥基复合材料的界面过渡区体积分数,采用最邻近表面分布函数和骨料比表面积2种方法,结合实际骨料的筛分曲线,给出了界面过渡区体积分数定量关系式.结果表明:单位体积水泥基复合材料中,当骨料的体积分数<0.5,界面厚度<50μm时,2种方法计算的误差约为10%;界面区厚度越小,2种方法计算的误差也越小.

关键词：水泥基复合材料体积分数界面过渡区粒径分布

水泥基复合材料Seebeck热电性能研究现状与展望

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化工新型材料 2021年第9期49卷 217-221,225页

作者：滕飞罗健林张纪刚冯超高嵩青岛理工大学土木工程学院青岛266033 山东省蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心青岛266033

介绍了材料Seebeck效应的定义及其原理,并对比分析了水泥基材料单掺和复掺不同热电相材料(碳材料、金属氧化物、金属和部分工业废弃物)的热电性能,发现在温差作用下产生多重热电载流子的迁移和扩散作用。复掺热电相的水泥基复合材料不... 详细信息

介绍了材料Seebeck效应的定义及其原理,并对比分析了水泥基材料单掺和复掺不同热电相材料(碳材料、金属氧化物、金属和部分工业废弃物)的热电性能,发现在温差作用下产生多重热电载流子的迁移和扩散作用。复掺热电相的水泥基复合材料不仅具有更高的Seebeck系数,而且其热电性能更加稳定,这对基于水泥基复合材料温差发电效应的交通结构融雪化冰、海洋混凝土结构腐蚀阴极防护等具有重要工程意义。

关键词：水泥基复合材料 Seebeck效应热电功能相复掺温差发电

水泥基复合材料氯离子扩散系数与孔隙率之间的关系

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重庆大学学报（自然科学版） 2012年第11期35卷 53-61页

作者：高礼雄孙国文张云升孙伟石家庄铁道大学材料科学与工程学院河北石家庄050043 东南大学江苏省土木工程重点实验室南京211189

为了研究水泥基复合材料中孔隙率对氯离子扩散系数的影响,成型了不同水灰比,含骨料体积分数、粒径与级配不同的砂浆试样;采用稳态电加速法测试氯离子扩散系数、压汞技术测试孔结构参数、微焦点计算机断层扫描技术(X-CT)可视化孔结构分布... 详细信息

为了研究水泥基复合材料中孔隙率对氯离子扩散系数的影响,成型了不同水灰比,含骨料体积分数、粒径与级配不同的砂浆试样;采用稳态电加速法测试氯离子扩散系数、压汞技术测试孔结构参数、微焦点计算机断层扫描技术(X-CT)可视化孔结构分布,系统地研究了水泥基复合材料氯离子扩散系数与其骨料体积分数、总孔隙率、毛细孔隙率、连通孔径之间的关系。结果表明:骨料与基体之间的界面过渡区(界面区)显著地改变了水泥石中孔结构分布,水灰比越小,多孔的界面区对材料孔隙率的影响越显著;水泥基复合材料的氯离子扩散系数与其总孔隙、毛细孔隙率之间有很好的相关性,与其连通孔径几乎成线性关系,连通孔径越大,氯离子的扩散系数越大。

关键词：水泥基复合材料氯离子扩散系数毛细孔隙率连通孔径微焦点计算机断层扫描

钢网片-聚乙烯纤维增强水泥基复合材料中低速动态拉伸性能试验研究

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材料导报 2022年第5期36卷 49-54页

作者：李亮栾贻恒吴俊杜修力吴文杰北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124 上海工程技术大学城市轨道交通学院上海201620

本工作开展了钢网片-聚乙烯(PE)纤维增强水泥基复合材料的中低速动态拉伸性能试验研究,研究了其破坏状态、强度特性和能量吸收特性,并研究了纤维体积含量、钢网片层数和拉伸速率对其动态拉伸性能的影响。试验结果表明:PE纤维和钢网片的... 详细信息

本工作开展了钢网片-聚乙烯(PE)纤维增强水泥基复合材料的中低速动态拉伸性能试验研究,研究了其破坏状态、强度特性和能量吸收特性,并研究了纤维体积含量、钢网片层数和拉伸速率对其动态拉伸性能的影响。试验结果表明:PE纤维和钢网片的添加提高了水泥基复合材料的抗拉强度、变形能力与耗能能力。相对于基体材料,钢网片-PE纤维水泥基复合材料具有较为显著的增强和增韧效应。钢网片的主要作用是提高材料的抗拉强度,PE纤维的主要作用是提高材料的变形能力和耗能能力。纤维体积含量、钢网片层数和拉伸速率均对钢网片-PE纤维水泥基复合材料的动态拉伸性能有一定程度的影响。随着PE纤维体积含量的增加,材料的抗拉强度和耗能能力逐渐提高,当拉伸速率为1 mm/min时,纤维体积含量为0.5%的试件峰值应力比基体试件提高了约17%。随着钢网片层数的增加,材料的抗拉强度有较大幅度的提高,添加一层和两层钢网片的试件峰值应力比基体试件分别提高了约65%和192%;但此时材料的变形能力降低。随着拉伸速率的增大,材料的抗拉强度逐渐提高。在中等拉伸速率条件下,材料仍表现出明显的应变硬化性质,具有良好的韧性和耗能能力。

关键词：水泥基复合材料钢网片聚乙烯纤维动态拉伸性能耗能能力

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纳米碳/水泥基复合材料研究进展

材料导报 2023年第21期37卷 116-131页

作者：王晓楠冯德成哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨150090

纳米碳材料以其独特的结构及微观形貌,优异的力学、电学特性等,在信息、材料、能源、生物制药等领域引发了革命性创新。近年来,纳米碳材料以极低的掺量,表现出对水泥基复合材料微观结构、宏观力学性能的改善,同时赋予传统水泥基材料导... 详细信息

纳米碳材料以其独特的结构及微观形貌,优异的力学、电学特性等,在信息、材料、能源、生物制药等领域引发了革命性创新。近年来,纳米碳材料以极低的掺量,表现出对水泥基复合材料微观结构、宏观力学性能的改善,同时赋予传统水泥基材料导电性、压阻性等功能特性。本文结合纳米碳材料自身形貌及表面化学特性等,综述了近年来纳米碳材料对水泥水化及微观结构的影响,纳米碳/水泥基复合材料的力学性能及压阻性等,并指出当前存在的问题及未来可能的研究方向。

关键词：纳米碳材料水泥基复合材料水化力学性能压阻性

混杂纤维增韧水泥基复合材料的静动态弯拉性能

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硅酸盐学报 2024年第2期52卷 592-602页

作者：龙广成李承洋张占森杨恺赵洪朱德举谢友均曾晓辉中南大学土木工程学院长沙410075 高速铁路工程技术研发中心山东铁路投资控股集团有限公司济南250102 湖南大学土木工程学院长沙410082

为了掌握钢纤维-聚乙烯纤维(PE纤维)混杂对水泥基材料静动态弯拉性能的影响规律,通过三点弯拉试验和落锤冲击试验方法,研究了钢-PE纤维混杂(掺量保持体积分数2.0%不变)增韧水泥基复合材料(HFTCC)的静动态弯拉性能,分析了钢纤维与PE纤维... 详细信息

为了掌握钢纤维-聚乙烯纤维(PE纤维)混杂对水泥基材料静动态弯拉性能的影响规律,通过三点弯拉试验和落锤冲击试验方法,研究了钢-PE纤维混杂(掺量保持体积分数2.0%不变)增韧水泥基复合材料(HFTCC)的静动态弯拉性能,分析了钢纤维与PE纤维的混杂效应以及相应的增韧机理。结果表明:HFTCC静态弯拉性能与钢-PE纤维中PE纤维掺量正相关,而动态弯拉性能与钢纤维掺量表现出较强的正相关。1.5%(体积分数)PE纤维与0.5%钢纤维混杂表现出最佳的静态弯拉峰值应力;1.5%钢纤维0.5%PE纤维表现出最佳的动态弯拉能量吸收。在静态弯拉下,钢-PE混杂纤维相较于2.0%钢纤维对HFTCC峰值强度及能量吸收提升幅度分别为26.5%~31.7%与14.8%~56.8%;HFTCC的动态强度增长因子(DIF)与能量吸收表现出明显的应变率效应。钢纤维和PE纤维适当混杂可对HFTCC发挥较好的协同增强增韧效应,从而有效提升HFTCC的静动态弯拉性能。

关键词：水泥基复合材料混杂纤维增韧静动态弯拉性能弯曲韧性

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氧化石墨烯对水泥基复合材料徐变的调控机制

复合材料学报 2022年第10期39卷 4839-4846页

作者：徐亦冬王瑶浙大宁波理工学院土木建筑工程学院宁波315100 江苏科技大学土木工程与建筑学院镇江212100

为了探明氧化石墨烯(GO)对水泥基复合材料徐变的调控机制,采用徐变加载架对不同GO掺量水泥胶砂的徐变进行了测试,并从水泥基复合材料的水化和微观结构入手,采用SEM、XRD、FTIR等研究了GO对水泥胶砂徐变的影响,并对调控机制进行了解释。... 详细信息

为了探明氧化石墨烯(GO)对水泥基复合材料徐变的调控机制,采用徐变加载架对不同GO掺量水泥胶砂的徐变进行了测试,并从水泥基复合材料的水化和微观结构入手,采用SEM、XRD、FTIR等研究了GO对水泥胶砂徐变的影响,并对调控机制进行了解释。结果表明:GO可以调节水泥基复合材料水化产物的形状与聚集态,降低宏观徐变。当GO掺量(与水泥质量比)大于0.02%时,水泥胶砂的徐变大幅度降低。GO的掺入促进了水化硅酸钙(CSH)对水分子的吸附与扩散,增加了内部CSH含量,使水化产物的结构更加致密。GO与CSH形成的氢键可提升二者之间的黏结力,并增强水分子在CSH-GO片层间的吸附,从而实现了对水泥胶砂徐变的调控。研究成果对于实现按终端用途进行水泥基复合材料设计具有重要的理论价值,并有望在预应力混凝土结构中得到应用。

关键词：水泥基复合材料氧化石墨烯水化产物微观结构徐变调控机制

静电自组装碳纳米管/二氧化钛水泥基复合材料的自感知性能

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复合材料学报 2023年第9期40卷 5225-5240页

作者：张立卿占小静韩宝国许开成王云洋华东交通大学轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室南昌330013 华东交通大学土木建筑学院南昌330013 大连理工大学土木工程学院大连116024 湖南文理学院土木建筑工程学院常德415000

基于体积排阻效应,采用导电性能优异的碳纳米管(CNT)和微尺度二氧化钛(TiO_(2))通过静电自组装技术制得CNT/TiO_(2)复合填料并将其与水泥基材料复合,有望发展具有优异自感知性能的水泥基复合材料。为此,对静电自组装CNT/TiO_(2)水泥基... 详细信息

基于体积排阻效应,采用导电性能优异的碳纳米管(CNT)和微尺度二氧化钛(TiO_(2))通过静电自组装技术制得CNT/TiO_(2)复合填料并将其与水泥基材料复合,有望发展具有优异自感知性能的水泥基复合材料。为此,对静电自组装CNT/TiO_(2)水泥基复合材料的电学性能及加载幅值、加载速率和含水率等不同环境条件下的自感知性能进行了研究,并分析了静电自组装CNT/TiO_(2)复合填料对水泥基复合材料电学性能和自感知性能的改善机制,最后对比了不同环境因素对自感知性能的影响规律。研究结果表明,当CNT的体积掺量为2.40vol%时,静电自组装CNT/TiO_(2)水泥基复合材料的电阻率降低了99.8%。在循环压缩荷载作用下,静电自组装CNT/TiO_(2)水泥基复合材料的最大电阻率变化率达到49.23%,应力灵敏度和应变灵敏度分别达到8.21%/MPa和812。当加载幅值、加载速率及含水率不同时,静电自组装CNT/TiO_(2)水泥基复合材料均表现出优异的感知性能,其中灵敏度随着加载幅值和加载速率的增加分别降低和提高,但最大电阻率变化率、应力灵敏度和应变灵敏度均随着含水率降低而提高。50℃全烘干状态时,静电自组装CNT/TiO_(2)水泥基复合材料的最大电阻率变化率、应力和应变灵敏度分别达到74.36%、12.39%/MPa和1350。不同环境因素对静电自组装CNT/TiO_(2)水泥基复合材料自感知性能的影响大小顺序为:含水率、加载幅值和加载速率。

关键词：体积排阻效应静电自组装碳纳米管水泥基复合材料电学性能自感知性能