碳纤维梯度分布对水泥基材料热应力分布的影响

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1、摘要目前水泥基材料己成为应用量最大和使用最广泛的人造建筑材料。随着大量水泥基材料结构因使用环境、荷载等原因，其使用寿命大幅度降低，特别是道路混凝土，由于采用撒盐融雪化冰，加速了混凝土的破坏，耐久性较差。碳纤维水泥基材料是近年来在国内外发展较快的一种新型导电水泥基材料，利用其电热效应用于道路混凝土的融雪化冰。然而导电水泥基材料中发热层与非发热层之间会产生热应力，从而引起材料破坏，耐久性下降。本文引入组分梯度的概念，通过碳纤维梯度分布研究其对水泥基材料力学性能、导电性能及热应力分布的影响，得到如下结果：(1)碳纤维梯度分布，水泥基材料力学性能明显改善

2、：研究结果表明，碳纤维梯度分布水泥基材料的3d和28d抗折强度显著高于碳纤维均匀分布和层状分布材料，其中碳纤维掺量为O．3％时，碳纤维梯度分布试件28d抗折强度与碳纤维层状分布、均匀分布试件相比分布提高。碳纤维梯度分布对水泥基材料的抗压强度影响不大。碳纤维水泥基材料的弹性模量随碳纤维掺量的增加而下降，其泊松比随碳纤维掺量的增加而增加；(2)碳纤维梯度分布，水泥基材料导电性能显著提高：当碳纤维掺量为O．3％和O．4％时，碳纤维梯度水泥基材料与均匀分布相比，其导电性能显著提高。当纤维掺量大于O．8％时，碳纤维梯度分布与均匀相比无明显变化。对不同碳纤维

3、掺量水泥基材料的热工性能研究结果表明，其热膨胀系数随碳纤维掺量的增加而降低，导热系数随碳纤维掺量的增加而降低；(3)碳纤维梯度分布，水泥基材料热应力分布显著缓和：采用ansys9．0有限元软件对碳纤维层状分布和梯度分布试件在通电发热下应力场模拟分析表明，碳纤维层状分布和梯度分布试件应力差(△s)分别为3．51912MPa和1．4247MPa，碳纤维梯度分布试件的△s为碳纤维层状分布的40．49％。在相同温度条件下对相同厚度不同长度碳纤维层状分布和梯度分布试件水泥基材料的层间热应力研究表明，其最大△s随试件尺寸的增加而增加。当试件长度大于3000

4、

5、lIlm时，碳纤维层状分布试件的△s大于其极限抗拉强度会发生破坏，而碳纤维梯度分布试件即使在试件长度为5000恤m时，其△s远远低于其极限抗拉强度而不破坏，能够满足实际工程中的需求；通过对碳纤维梯度分布温度场和热应力的计算模拟表明，碳纤维梯度分布能够降低发热层和非发热层之间的热应力，能够满足实际工程中的需要。展示了碳纤维水泥基复合材料良好的研究价值和应用前景。关键词：水泥基材料碳纤维电热效应热应力有限元IIAbstractCemeⅡtbasematerialisthemaxjmumandmostwidelyusedman—madebuildjng

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