混凝土力學特性及界面機理-基於碳納米管-碳纖維多尺度協同增強效應 9787030808103 陸松 夏偉
物品所在地：中國大陸
原出版社：科學
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書名：混凝土力學特性及界面機理-基於碳納米管-碳纖維多尺度協同增強效應
ISBN：9787030808103
出版社：科學
著編譯者：陸松 夏偉
頁數：177
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書號：1741317
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內容簡介
隨著高技術武器的不斷發展，防護工程面臨的碰撞、衝擊、侵徹、爆炸等威脅日益嚴峻。混凝土作為建造防護工程的主要材料，其力學性質直接關係到工程結構的戰時保障效能。《混凝土力學特性及界面機理：基於碳納米管-碳纖維多尺度協同增強效應》聚焦於通過研發新型混凝土材料，以強化防護工程的抗力水平，具有重要的科研價值與工程意義。《混凝土力學特性及界面機理：基於碳納米管-碳纖維多尺度協同增強效應》基於碳納米管-碳纖維多尺度協同增強效應，系統研究了混凝土材料的力學性能提升與界面優化機理。《混凝土力學特性及界面機理：基於碳納米管-碳纖維多尺度協同增強效應》共9章，詳細闡述了碳納米管-碳纖維多尺度增強混凝土的製備技術、動力特性和界面增強機制，旨在為提升傳統混凝土材料的力學特性提供新的解決方案。其中，第1章 為綜述，第2章 至第5章 為多尺度纖維增強混凝土力學特性研究，第6章 至第8章 為多尺度纖維增強混凝土界面特性分析，第9章 為結論與展望。
目錄
目錄
前言
第1章 綜述 1
1 1 相關背景及意義 1
1 2 國內外研究現狀 3
1 2 1 碳纖維和碳納米管分散性研究現狀 3
1 2 2 纖維增強混凝土研究現狀 7
1 2 3 碳纖維表面改性研究現狀 11
1 2 4 碳納米管–碳纖維複合多尺度纖維研究現狀 16
1 2 5 混凝土本構模型研究現狀 19
1 2 6 混凝土界面過渡區研究現狀 20
1 2 7 分子模擬研究現狀 22
1 3 現有研究存在的問題與不足 24
1 4 本書研究內容 24
第2章 碳納米管–碳纖維複合多尺度纖維的製備及性能表徵 26
2 1 引言 26
2 2 試驗原料與儀器設備 26
2 2 1 原材料及試劑 26
2 2 2 試驗儀器及設備 26
2 3 電泳沉積製備CNT-CF 28
2 3 1 電泳沉積技術 28
2 3 2 碳纖維表面沉積碳納米管 29
2 3 3 超聲輔助電泳沉積機理分析 32
2 4 CNT-CF的性能測試與表徵 33
2 4 1 CNT-CF表面形貌特徵 34
2 4 2 CNT-CF表面化學狀態 35
2 4 3 CNT-CF微觀界面剪切 37
2 4 4 CNT-CF的界面增效機制 38
2 5 小結 41
第3章 多尺度纖維增強混凝土力學試驗設計 42
3 1 引言 42
3 2 混凝土試件的製備 42
3 2 1 原材料及其性能 42
3 2 2 配合比設計 46
3 2 3 試件製備 47
3 3 試驗設計與方法 51
3 3 1 試驗方案 51
3 3 2 試驗設備及方法 52
3 3 3 動力試驗應變率的選擇 55
3 4 SHPB試驗原理與相關技術 57
3 4 1 SHPB試驗基本原理 57
3 4 2 波形整形技術 58
3 4 3 平均應變率的確定 59
3 5 小結 60
第4章 多尺度纖維增強混凝土靜態力學特性研究 62
4 1 引言 62
4 2 靜力強度特性分析 62
4 2 1 抗壓強度 62
4 2 2 抗折強度 64
4 2 3 折壓比 66
4 3 破壞失效模式分析 67
4 3 1 立方體壓縮破壞 67
4 3 2 棱柱體斷裂破壞 70
4 4 與CFRC的對比分析 71
4 5 機理分析 72
4 6 小結 74
第5章 多尺度纖維增強混凝土動態壓縮力學特性研究 76
5 1 引言 76
5 2 CMFRC的動態壓縮力學特性 76
5 2 1 應力–應變*線 78
5 2 2 強度特性 80
5 2 3 變形特性 82
5 2 4 衝擊韌性 83
5 2 5 破壞形態 85
5 3 分析與討論 87
5 4 CMFRC 的動態壓縮本構關係 88
5 5 小結 93
第6章 多尺度纖維增強混凝土界面過渡區研究 95
6 1 引言 95
6 2 試驗方法 95
6 3 試驗結果與分析 99
6 3 1 試驗結果 99
6 3 2 物相體積分數分析 101
6 3 3 界面過渡區物相分析 107
6 4 混凝土界面過渡區均勻化模型 108
6 4 1 均勻化理論簡介 108
6 4 2 均勻化模型 109
6 5 小結 113
第7章 多尺度纖維增強混凝土界面拉拔模擬研究 115
7 1 引言 115
7 2 分子力場 115
7 2 1 分子力場的能量項 115
7 2 2 常見的分子力場 118
7 3 分子系綜 120
7 4 溫度控制方法 121
7 5 動力學模型的建立 122
7 5 1 碳納米管模型 122
7 5 2 碳纖維初始模型 123
7 5 3 混凝土模型 123
7 5 4 環氧樹脂模型 125
7 5 5 多尺度纖維/混凝土界面模型 126
7 5 6 普通碳纖維/混凝土界面模型 127
7 5 7 多尺度纖維/環氧樹脂界面模型 129
7 5 8 普通碳纖維/環氧樹脂界面模型 130
7 6 相互作用能與界面作用力的計算 132
7 6 1 相互作用能 133
7 6 2 *大拉拔力 133
7 7 小結 134
第8章 多尺度纖維增強混凝土的微觀結構及機理分析 136
8 1 引言 136
8 2 微觀結構測試與分析 136
8 2 1 試樣準備及測試儀器 136
8 2 2 基於SEM試驗技術的微觀形貌特徵分析 138
8 2 3 基於MIP試驗技術的孔隙結構特徵分析 140
8 2 4 基於XRD試驗技術的水化物相特徵分析 153
8 3 CMFRC的微觀改性機理分析 156
8 3 1 纖維結構的多尺度設計 156
8 3 2 CMFRC的微觀結構物理模型 157
8 3 3 CNT-CF對混凝土的改性機制 158
8 4 小結 160
第9章 結論與展望 161
9 1 結論 161
9 2 展望 163
參考文獻 165
精彩書摘
第1章 綜述
1 1相關背景及意義
當今世界，局部衝突、恐怖襲擊和自然災害頻發，軍事及民用領域建築結構的服役環境日趨複雜多變。建築材料是維持工程結構在使用過程中安全穩固的物質基礎。因此，著重針對建築材料實現其力學性能的優化與升級，進而提高建築結構在極端荷載作用下的生存能力，已經成為學術界鑽研探索的熱點課題。
防護工程作為國防建設的關鍵組成部分，歷來被認為是國家安全的重要屏障，其對於抵抗敵方武器的殺傷破壞作用，保障己方人員生命財產及能源物資安全具有一定的戰略意義。20世紀90年代以來，全球科技創新進入前所未有的活躍時期，各種新概念武器蓬勃發展，其攻擊範圍、命中精度和殺傷能力實現了質的飛躍，這使得防護工程所面臨的威脅與考驗形勢日趨嚴峻。2017年4月7日，美軍向敘利亞霍姆斯市附近的沙伊拉特空軍基地發射了59枚”戰斧”式巡航導彈，致使敘軍多處單機掩蔽庫及作戰防禦工事被嚴重摧毀（圖1 1），從而在美軍發動的空襲中陷入被動挨打的尷尬境地。近年來的局部戰爭，特別是由土耳其主導的”春天之盾”軍事行動以及阿亞戰爭（納卡衝突）更是將空襲作戰推進無人機時代P1。如圖1 2所示，隨著人工智能和雲技術的高速發展，武裝無人機力量可充分利用高維度優勢對低維度戰場軍事設施和防護工程體系實施精確打擊。實踐表明，信息化高科技戰爭條件下，矛盾較量、攻防對抗的戰爭基本樣式並沒有發生本質改變，而攻擊性武器的毀傷效果卻對防護工程的防禦能力提出了更加嚴苛的新要求。建築材料是決定防護工程抗力水平的核心因素，因此，針對高強、高性能的建築材料進行更加深入的探究具有非常重要的意義。與此同時，隨著社會經濟實力的飛速增長，我國在交通運輸、土木工程等領域不斷取得驕人的成就，民航機場、跨海橋樑、高速鐵路、超高層建築等越來越多的大型基礎設施陸續建成並投入運營。這些民用建築工程的建造及其維護同樣離不開高性能建築材料的研發與應用。
當前，混凝土憑藉其易於施工、經久耐用、可設計性強等優點儼然已成為國防工程和基礎設施建設中使用*為普遍的建築材料值得關注的是，普通混凝土屬_xFFFF_典型的非均質准脆性材料，其韌性差、抗拉強度和極限變形都相對較小，並且具有顯著的應變率敏感性，在動荷載作用下會表現出與靜態時不同的力學特徵和破壞行為。而棍凝土結構在整個服役過程中往往不可避免地承受急劇變化的動態荷載，比如地震、爆炸、高速撞擊等，尤其是軍事防護工程，有很大概率會遭受武器襲擊、導彈侵徹等強烈衝擊荷載的作用。因此，為了滿足混凝土結構抗震防爆性能的要求、持續提高防護工程的抗力水平和保障能力，亟須實現混凝土材料力學性能的新躍升。
添加纖維材料是對混凝土改性的一種重要方法。其中，碳纖維(carbon fiber，CF）摻入混凝土後可以起到增強、阻裂的作用，並且能賦予混凝土導電、壓敏、電磁屏蔽等智能化功能特性。然而，碳纖維表面光潔圓滑，呈現化學惰性，難以與基體材料實現有效的界面結合，同時受自身尺度所限，碳纖維無法抑制混凝土內部納米級微裂紋的萌生與擴展。碳納米管(carbon nanotube，CNT）是一種管狀的納米材料，其不僅可以單*分散到複合材料的基體內作為增強填料，還可以應用到纖維複合材料之中，對纖維複合材料進行輔助增強，被認為是纖維增強複合材料的理想添加相。為實現對碳纖維的表面改性，研究人員通過相應的技術手段在碳纖維原絲上引入碳納米管，成功地製備出碳納米管-碳纖維多尺度增強體本書稱之為碳納米管-碳纖維複合多尺度纖維(carbon nanotube/carbon fiber composite multiscale fiber，CNT-CF），簡稱多尺度纖維）。CNT-CF是一種由納米量級的碳納米管與微米量級的碳纖維相互連接構築而成，擁有特殊微納分級結構的全碳體系多尺度纖維材料，其既能夠增加碳纖維的表面活性與粗糖程度，又可以解決碳納米管易聚集成團的問題，進而使複合材料形成良好的界面結合[氣因此，CNT-CF可較好地應用于混凝土增強技術研究中，利用CNT-CF對混凝土進行改性，可以克服碳纖維表面性能差、與混凝土基體黏結力弱等缺點，對於充分發揮碳纖維和碳納米管的跨尺度協同增強效應，改善增強體與基體之間的機械嚙合力以及界面應力傳遞能力，*終有效提升混凝土的力學性能具有極大潛力。
鑒於此，本書依託國家自然科學基金項目”中高應變率下碳納米管/碳纖維多尺度增強混凝土的動力特性及界面增強機制研究”(51908548）和陝西省科學技術協會青年人才托舉計劃項目”碳納米管/碳纖維改性混凝土靜動力學特性及微觀破碎機制研究”（20200415），針對現有研究存在的不足和工程實踐中亟待解決的基礎性關鍵科學問題，聚焦於進一步鞏固強化軍事防護工程及民用建築結構的抗力水平，將CNT-CF摻入混凝土中，製備碳納米管-碳纖維多尺度增強混凝土(carbon nanotube/carbon fiber multi-scale reinforced concrete，CMFRC，簡稱多尺度纖維增強混凝土），結合CMFRC的基本靜力性能及其在衝擊荷載作用下的動態壓縮力學特性，探究CMFRC靜動態力學行為的響應規律。*後，基於損傷力學和Weibull統計理論對CMFRC動態全應力-應變*線進行本構方程擬合，並從微觀層面闡釋CNT-CF對混凝土宏觀力學性能的影響機制。相關研究成果不僅能夠為混凝土類結構性複合材料的性能改良設計提供探索方向和必要的科學依據，還可以為CMFRC在國防第1及民用設施建設中的實際應用奠定理論和技術基礎，具有重要的科學內涵與工程意義。
1 2國內外研究現狀
隨著經濟社會的快速發展，對混凝土性能的要求越來越高，碳纖維和碳納米管憑藉其優異的力學、電學、熱學特性而被認為在混凝土等水泥基複合材料的改性研究中具有廣闊的應用前景。本節 結合國內外文獻，對相關領域所涉及的重點研究方向及重要研究進展進行總結與提煉分析。
1 2 1碳纖維和碳納米管分散性研究現狀
對於混凝土等水泥基複合材料而言，增強組分在基體中的良好分散性是充分發揮其自身優異性能的關鍵前提。目前國內外關於碳纖維和碳納米管在水泥基複合材料中分散性的試驗研究已經有較多代表性的報道。
1 碳纖維在水泥基複合材料中的分散性
碳纖維的抗拉強度和彈性模量很高，而且比重低、耐高溫、抗腐蝕，利用碳纖維對水泥基材料進行改性研究的歷史可以追溯至20世紀中葉。只有當碳纖維的分散均勻性滿足要求時，其對水泥基複合材料的改良作用才能得到充分發揮。
在國外，Chung等*早通過一系列試驗測試發現，採用甲基纖維素作為分散劑，能夠避免已分散開的碳纖維再次聚集成團，有效促進
