碳纳米管混凝土三点弯曲梁的机电性能与声发射特性关联研究

本文研究了不同碳纳米管（CNT）掺量下混凝土三点弯曲梁的力学-电学性能同步演化规律。通过集成电液伺服万能试验机、声发射（AE）监测系统和电阻测试系统，发现0.1% CNT为最优掺量，此时抗弯强度峰值达11.3 MPa，电阻变化率稳定在0.35%。研究揭示了荷载-AE累积振铃计数-电阻变化率的协同突变特征，为混凝土结构健康监测（SHM）提供了多参数关联诊断新策略。

　　

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Materials

碳纳米管混凝土三点弯曲梁的主要原材料包括：P.O 42.5R普通硅酸盐水泥；粒径5-20 mm、比重2.56且级配良好的粗骨料；天然中粗河砂作为细骨料，粒径范围0.15-4.75 mm，细度模数2.6；混合水采用焦作市自来水；分散剂为聚乙烯吡咯烷酮（PVP），一种由国药集团制备的非离子型表面活性剂白色粉末。

Load–displacement curve

图4（a）展示了CNT混凝土梁的荷载-位移曲线。如图所示，不同CNT掺量试件的荷载-位移曲线基本呈线性变化。当混凝土梁因塑性变形出现第一条微裂纹时，曲线斜率发生转折。CNT的掺入有效提升了混凝土梁的承载能力——随着CNT含量增加，试件承载力最高提升11%，抗弯强度达11.3 MPa（0.1%掺量组）。值得注意的是，当CNT掺量超过0.3%时，因纳米管团聚效应导致承载力出现下降趋势。

Conclusions

本研究通过CNT混凝土三点弯曲梁机电性能同步测试系统，对不同CNT掺量的混凝土梁进行了一系列三点弯曲试验。系统探究了CNT含量对试件力学性能、电学性能和声发射特性的影响，以及破坏过程中力学-电学等多源信息的关联效应。研究发现：

1. 1.

   CNT掺量与抗弯强度呈先升后降关系，最优掺量为0.1%；

2. 2.

   CNT的加入使声发射（AE）振幅首次突变时间提前；

3. 3.

   当CNT掺量为0%、0.1%和0.3%时，电阻变化率稳定在0.35%左右，而0.5%掺量组升至0.8%；

4. 4.

   试件破坏初期，荷载、AE累积振铃计数和电阻变化率均缓慢增长，随着荷载增大增速逐步加快，当荷载接近极限承载力时，后两者出现突增现象；

5. 5.

   力学-电学特性展现出良好的关联效应，为基于电阻变化率的混凝土结构损伤自诊断提供了实验依据。

CRediT authorship contribution statement

Shanxiu Huang：概念设计、数据分析、监督验证、文稿撰写与修订

Huikuan Li：概念设计、方法构建、验证调查、原始文稿撰写

Jiaqi Guo：调查监督、文稿审阅编辑

Jingjiang Wu：资源支持、调查实施

Hejun Yin：资源支持、调查实施