高性能纤维在智能混凝土中的应用研究

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1、高性能纤维在智能混凝土中的应用研宄本文介绍了碳纤维、光导纤维、空心玻璃纤维等高性能纤维的特性，概述了高性能纤维在智能混凝土中的应用，包括损伤自诊断、温度调控、交通导航、内部裂缝检测、混凝土自我修复等。这些新型高性能纤维材料的引入，为建筑材料的发展注入了新的内容和活力。Thecharacterofsomehigh-performancefibersincludingcarbonfiber,opticalfiber,hollowglassfiberwereintroducedinthisarticle,aswellastheir

2、applicationinsmartconcrete,suchasself-detectingofdamage,temperatureregulation,transportationnavigation,internalfissureexamination,self-repairingetc.Withtheapplicationofthesenewhighperformancematerials,thedevelopmentofbuildingmaterialsbecomemoreactive.自20世纪80年代中期智能材

3、料的概念提出后，科研人员就将其引入建筑材料的加工中，于是就有了智能混凝土的诞生，其主要是指通过在水泥基中加入不同类型的纤维以使混凝土具有智能化功能。1碳纤维智能混凝土碳纤维具有高强、高弹性模量、质轻、耐高温、耐腐蚀和导电、导热性能好等特点，在水泥基材中掺入适量碳纤维不仅可以显著提高强度和韧性，而且可以显著改善其物理性能，尤其是电学性能。1.1导电性分析由于碳纤维导电，因而由碳纤维之间未水化的水泥颗粒、水化产物、裂纹等形成势垒，构成了一定的导电网络。掺入的碳纤维在混凝土基质中出现相互关联的带电粒子通道，通过电极施加电场时，电子

4、沿通道运动而具有导电性。因此，可将碳纤维混凝土作为传感器并以电信号输出的形式反映自身受力状况和内部的损伤程度。当在水泥净浆中掺加0.5%体积的碳纤维时，其作为应变传感器的灵敏度可达700mV/V,远高于一般的电阻应变片。基于这一特性，可开发碳纤维混凝土的智能化功能。1.2碳纤维混凝土的智能化1.2.1损伤自诊断在疲劳试验中发现，在拉伸或压缩状态下，碳纤维混凝土材料的体积电导率会随疲劳次数发生不可逆的降低，可应用这一现象对混凝土材料的疲劳损伤进行监测。在碳纤维混凝土中，碳纤维在混凝土中的分散并不完全相互独立。按渗流理论，分散相

5、在分散体系中的浓度达到临界点时，相互接触的分散相构成了无限渗流集团。即在碳纤维混凝土中，随碳纤维掺量增大，逐渐形成了纤维聚集团簇。团簇内纤维彼此连接，当碳纤维掺量大于临界值时全部团簇形成渗流网络，使导电率急剧上升。根据这一理论，当碳纤维束受力导致纤维丝断裂时其导电性降低，而且其导电性降低的程度与断裂的碳纤维的数量成正比，即与受力大小成正比，因而可以用埋入碳纤维的电阻变化，来监测混凝土及相关结构部件的受力情况和形变情况。在具体应用时，可以将碳纤维增强树脂做成棒材，在加载作用下形变量增加导致材料电阻值增加，当电阻值急剧增加时，说

6、明材料所受的应力已接近其临界状态，进一步加载会导致灾难性破坏，因此这种材料能够预测混凝土结构材料的寿命。利用碳纤维复合材料做智能结构诊断，可用于：①防盗保护。将树脂、碳纤维与玻璃纤维粘接成棒状，并交叉成网状，外面覆盖混凝土，做成银行的防盗保护墙体。强盗从任何一个地方钻孔打洞，都会引起墙体的电学信号值的急剧变化，从而发出警报。②安全监测。将这种敏感碳纤维复合材料连接到高层建筑物的钢筋混凝土结构上，可以监测高层建筑物的倾斜度、各个部位的形变量以及受力过大的部位。日本建造的66层综合写字楼中己使用这种碳纤维敏感材料，可以随时掌握高

7、层大楼内各个部位的受力情况，以提高大楼的使用安全性。1.2.2温度监控与调节碳纤维混凝土具有温敏性，即温度变化会引起电阻变化及碳纤维混凝土内部的温度差会产生电位差的热电效应。研究表明，其在最高温度为70°C、最大温差为15°C的范围内，温差电动势E与温差At之间具有良好稳定的线性关系；当水泥浆中每克水泥掺入10mg碳纤维时，其温差电动势极大值为18µV/°C,灵敏性较高。利用这一特性，可实现对建筑物内部和周围环境温度变化的实时测量，也可实现对大体积混凝土的温度自监控以及用于热敏元件和火警报警器等，可望用于有温控和

8、火灾预警要求的智能混凝土结构中。碳纤维在通电时能够发热，在含有碳纤维复合棒材或者短切碳纤维的混凝土中通电后，可使墙体表面的温度提高5〜20°C。因此，可用埋入的碳纤维复合棒材加热墙体以提高室温，将其用于地下防空洞墙体或者图书资料馆的墙体，若所使用电压低于10V，对人体不会造成安全危害；还可