基于碳纳米管水泥基复合材料的砼道路应力自检测机理研究

通过对水泥混凝土道路内部应力的监测，可以预防道路病害的发生，延长道路的使用寿命，具有重要的社会和经济价值。与常用的传感器相比，碳纳米管水泥基复合材料（CNT/CC）具有造价低、寿命长、与混凝土相容性好等特点，但是目前对CNT/CC在道路环境下的机敏性及机理的研究比较少。本项目拟通过试验建立碳纳米管掺量、水灰比等因素与碳纳米管水泥基复合材料的力学性能和耐久性之间的关系；采用数值分析及室内试验的方法研究复合材料在不同的环境条件（温度、湿度等）以及疲劳荷载和冻融作用下导电性和机敏性的变化规律及其机理；明确材料机敏性的灵敏度和可逆性的影响因素；同时，基于以上的研究结合复合材料导电模型，建立碳纳米管水泥基复合材料电阻率和应力之间的数学模型。为CNT/CC在水泥混凝土道路应力监测方面的应用打下坚实的理论基础。因此，本项目具有重要的理论和工程创新价值

碳纳米管水泥基复合材料作为一种功能型的导电复合材料具有良好的导电性和机敏性，可用于混凝土结构的健康监测。但是目前对于复合材料在环境及荷载作用下的机敏性变化规律及机理研究较少。本项目研究了碳纳米管掺量、分散率、水灰比、温度、含水率，冻融作用及疲劳荷载对复合材料的导电性和机敏性（包括灵敏度和可逆性）的影响规律；基于隧道效应及试验结果建立了复合材料压敏性数学模型。研究结果表明碳纳米管可有效降低复合材料的电阻率；温度与含水率对压敏性影响非常显著，电阻率变化值与温度成线性关系；电阻率变化随疲劳作用次数的增多先增后减，随冻融作用次数的增加而增大；基于隧道效应的修正模型可以很好的预测不同环境及受力条件下复合材料的电阻率变化。本项目初步研究了PET基机敏材料的压敏性，探讨了导电材料种类、掺量与复合材料导电性和压敏性之间的关系；分析了压应力级位、加载速率对PET基复合材料压敏性能的影响。实验表明镍粉对复合材料导电性能改善效果要比石墨好；石墨/PET基复合材料对较小级位的压应力较为敏感，镍粉/PET基复合材料对较大的压应力较为敏感；加载速率对石墨/PET基复合材料的压敏性有显著影响，而镍粉/PET基复合材料的压敏性受加载速率影响不大。本项目的研究为碳纳米管水泥基复合材料及PET基复合材料在结构健康监测中的应用打下了坚实的理论基础。