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废弃碳纤维混凝土增强机理与功能性研究

批准号:
52078414
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
王艳
依托单位:
学科分类:
工程材料
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
王艳

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
碳纤维复合材料在现代工业中大量使用,而使用寿命仅20~25年,今后十几年里将产生巨量碳纤维废弃物,严重污染环境。碳纤维可赋予混凝土自感知等功能,废弃碳纤维混凝土是否也具有优异的功能并不明晰。项目以提升废弃碳纤维混凝土力学性能和导电性能为核心,采用理论分析、数值模拟与实验室试验相结合的方法,围绕废弃碳纤维混凝土增强机理与功能性开展系统研究。考虑废弃碳纤维表面树脂涂层对其与水泥基黏结性能、以及电子在纤维间跃迁行为的影响,探索废弃碳纤维表面改性方法;研究改性废弃碳纤维对混凝土内部微观结构的影响,揭示废弃碳纤维混凝土的增强机理;开展废弃碳纤维混凝土电阻率试验,结合纤维分布状态重构,阐明导电机理;通过废弃碳纤维混凝土的压敏性与电热性试验,明晰废弃碳纤维对混凝土感知性和电热性的影响规律,建立废弃碳纤维混凝土压敏性串并联模型与传热模型。为废弃碳纤维混凝土的工程应用,尤其在结构健康监测中应用提供理论支撑。
英文摘要
Carbon fiber composites are widely used in modern industry and their designed service life is only 20-25 years. A large amount of carbon fiber waste will be produced in the next decade, which will cause serious environmental pollution. Carbon fiber can endow concrete with self-sensing and other functions, but it is not clear whether waste carbon fiber concrete also has excellent functions. This project aims to improve the mechanical properties and electrical conductivity of waste carbon fiber concrete. By combining theoretical analysis, finite element simulation and laboratory tests, the strengthening mechanism and function of waste carbon fiber concrete will be studied systematically. Considering the influence of resin coating of waste carbon fiber on the bond performance between fiber and concrete, and the transition behavior of electron between fibers, the surface modification method of waste carbon fiber will be explored. In addition, the effect of modified waste carbon fiber on the internal microstructure of concrete will be studied, and the strengthening mechanism of waste carbon fiber concrete will be revealed. Furthermore, based on the reconstruction of fiber distribution state and the electrical resistance test, the electrical conduction mechanism of waste carbon fiber concrete will be clarified. Moreover, combined with the compression sensitivity and electrothermal tests of waste fiber reinforced concrete, the effects of modified waste carbon fiber on the perceptibility and electrothermal properties of concrete will be expounded. Finally, the series-parallel model of compression sensitivity and heat transfer model will be established. The research results of the project will provide theoretical support for the engineering application of waste carbon fiber concrete, especially in structural health monitoring.
碳纤维复合材料使用寿命通常仅为20~25年,导致未来十几年内将产生巨量的碳纤维废弃物。本项目从废弃碳纤维表面改性出发,采用理论分析、数值模拟与实验室试验相结合的方法,围绕废弃碳纤维混凝土增强机理与功能性开展系统研究,主要研究成果如下:(1)提出了回收废弃碳纤维表面改性方法,发现酸、碱溶液改性后,回收废弃碳纤维表面粗糙度、湿润性、石墨化度、密度增大,引入了大量含氧官能团。相比浓硝酸和电化学改性,解胶剂能更好保留碳纤维预浸料废弃物的整体性能,且对环境污染较小。(2)探明了不同回收废弃碳纤维掺量、种类、尺寸、改性方式等因素对混凝土力学性能的影响规律,发现回收废弃碳纤维在混凝土中的增强效果取决于其形态、分散性及与水泥基体的粘结性。改性后的碳纤维可有效提高混凝土的弯曲韧性,但较大的纤维尺寸易引起缺陷的形成。(3)明晰了回收废弃碳纤维掺量、通电方式、改性方式等因素对混凝土电阻率的影响规律,并从微观角度揭示了导电机理,发现四电极法的准确性与稳定性均优于两电极法,回收废弃碳纤维通过连接孔洞和桥接裂缝等方式,形成导电网络。当纤维达到一定掺量时,电阻率呈数量级降低,达到导电阈值,且养护龄期和含水率等因素对导电性能的影响可忽略不计。(4)明确了弯曲荷载和压缩荷载下回收废弃碳纤维混凝土力学性能和导电性能的演变规律,发现弹性形变阶段的应力与电阻变化均表现为线性关系,可通过电阻变化反映实际受力情况,且当纤维掺量接近导电阈值时,混凝土拥有更强的变化敏感性。(5)揭示了回收废弃碳纤维混凝土电热转化机制及热传递过程,建立了回收废弃碳纤维混凝土传热模型,发现纤维掺量、通电电压、环境温度是影响混凝土电热性能和除冰性能的关键,并提出了回收废弃碳纤维混凝土电热效果提升方法。本项目研究成果为废弃碳纤维的再利用开辟了新路径,证明了废弃碳纤维在改善建筑材料性能、推动可持续发展等方面具有的巨大潜力和社会意义。
大展弦比机翼共形承载天线电性能自适应补偿方法研究
  • 批准号:
    52105272
  • 项目类别:
    青年科学基金项目(C类)
  • 资助金额:
    30.0万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    王艳
  • 依托单位:
信息安全中伪随机序列的生成和性质及应用研究
  • 批准号:
    61902304
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    22.0万元
  • 批准年份:
    2019
  • 负责人:
    王艳
  • 依托单位:
高地热环境隧道混凝土衬砌结构损伤演化机制与耐久性退化
  • 批准号:
    51878549
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    王艳
  • 依托单位:
考虑疲劳损伤影响的混杂纤维混凝土冻融破坏机理与模型研究
  • 批准号:
    51308445
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万元
  • 批准年份:
    2013
  • 负责人:
    王艳
  • 依托单位:
国内基金
海外基金