基于碳纳米管-水泥基材料力敏元件的大体积混凝土内部应力实时监测技术

大体积混凝土内部应力监测，是结构安全健康诊断的重要方面。本项目基于碳纳米管-水泥基材料(CNTCC)的力阻效应，将CNTCC材料制备成力敏元件埋置于大体积混凝土中，通过监测CNTCC材料电阻率的实时变化，实现对大体积混凝土内部应力的实时监测。本项目从材料组成入手，选择合适长径比、直径和纯度的碳纳米管，通过对表面处理和分散方法等的比较，确定CNTCC材料的制备方法，并研究其电性能稳定性的影响因素；研究CNTCC材料导电机理，提出面向CNTCC材料电性能的材料设计方法；对不同材料组分CNTCC材料的力阻效应进行系统研究，制备灵敏、稳定的CNTCC力敏元件，建立其应力-电阻率变化规律，将之用于大体积混凝土内部应力监测，并与常用监测方法比较。CNTCC材料可回复性好，灵敏度高，而且与混凝土相容性好，展示出在重要混凝土结构中进行智能性诊断与监控的广阔应用前景，开辟了大体积混凝土内部应力监测的新途径。

本项目从材料组成入手，选择合适长径比、直径和纯度的碳纳米管，通过不同分散剂及用量、超声仪器及超声时间等影响因素的研究，最终确定了碳纳米管均匀分散工艺，并提出了碳纳米管分散均匀性的评价方法，制备得到分散均匀的碳纳米管水泥基复合材料（CNTCC）。基于碳纳米管良好分散的基础，研究CNTCC材料电性能的影响因素，研究了龄期因素、材料因素和环境因素等对其电学性能的影响，研究结果表明，测试参数的选择对电学性能测试结果有较明显的影响，确定合适的测试电压和测试时间非常必要；养护初期，龄期对复合材料的导电性有较大影响，养护28d后复合材料导电性则趋于稳定。在上述研究基础上，对不同材料组分CNTCC材料的力阻效应进行系统研究，研究结果表明，CNTCC材料具有良好的力阻效应，在循环荷载作用下，电阻率呈现对应的、可回复的、近似线性的循环变化规律。基于CNTCC材料的制备及力阻效应，将CNTCC材料制备成力敏元件埋置于混凝土中，通过监测CNTCC材料电阻率的实时变化，埋置在混凝土试件中的CNTCC力敏元件可以监测混凝土的应力变化情况，基于CNTCC力敏元件的大体积混凝土内部应力实时监测技术是可行的，开辟了大体积混凝土内部应力监测的新途径。