导电发热混凝土是近年来在国内外发展较快的一种新型功能混凝土，但由 于导电层的反复通电发热产生热应力，不可避免的使得混凝土过早破坏以致失 效。为了缓和导电混凝土与普通混凝土层之间由于温差引起的层间热应力问题， 本文将梯度的概念引入碳纤维导电发热水泥基复合材料中，使纤维按对发热功 能的要求呈阶梯梯度变化。首先试验研究了碳纤维含量按一定比例变化的梯度 分布对水泥基材料力学、电热性能的影响，发现梯度分布对材料有利。然后以 热应力最低为判据，运用有限元对纤维含量的梯度分布进行优化设计得出降低 层间热应力相对较佳的一组纤维梯度分布含量，对该优化设计结果进行试验研 究，并与有限元模拟计算结果进行对比。最后对优化设计的梯度试件与碳纤维 含量相同的层状试件进行力学性能和电热性能对比研究。为了为有限元热应力 分析提供参数依据以及与梯度试件各项性能对比，还进行了不同的碳纤维含量 对水泥基复合材料密度、弹性模量、泊松比、热膨胀系数、导热系数、导电率、 发热温升、抗折强度、抗压强度和压折比的试验研究，得出了以下结论： (一)纤维含量对碳纤维水泥基材料性能有显著的影响： 随着碳纤维含量的增加，水泥基复合材料的密度、弹性模量、热膨胀系数 和导热系数降低，泊松比升高、导电率增大、发热温升升高，抗折强度随着纤 维含量的增加而增加，但存在一最佳含量，抗压强度、压折比随纤维含量的增 加降低。 (二)碳纤维梯度分布可提高水泥基复合材料的性能： (1)碳纤维含量按一定比例变化的梯度分布显著地提高了水泥基复合材料 的力学性能和导电发热性能：相对于相同纤维含量的均匀试件，梯度试件抗折 强度提高了16.1％～40.3％，相对于相同纤维含量的层状试件，抗折强度提高了 2.7％～6.2％。碳纤维梯度分布对抗压强度的影响较小，但仍有所提高，并有效地 降低了压折比；梯度试件的导电率是均匀试件的3～29倍，层状试件的1.4～2倍， 发热温升是均匀试件的2～35倍，层状试件的1倍多，且通电发热过程中梯度试 件的各层间温差明显小于层状试件层间温差。 (2)碳纤维含量按优化设计的梯度分布显著地提高了水泥基复合材料的力 学性能和导电发热性能：与相同纤维含量的均匀试件和层状试件相比，梯度试 件的抗折强度分别提高了38.6％和11.7％，抗压强度也有所提高，压折比明显降 低，导电率比均匀试件增加了300多倍，比层状试件提高了25.7％，发热温升大 于均匀试件和层状试件。研究表明，梯度试件发热温升与纤维含量为其两倍的 均匀试件的发热温升接近，纤维按对发热功能要求呈梯度分布，不仅能够提高 纤维的有效使用率，还能降低其用量。 (三)通过试验研究表明，用有限元对纤维含量梯度分布进行优化设计是 可行的：分别经过初步设计和优化设计两个步骤设计了31次试验方案，用有限 元软件对各试验方案进行了热应力仿真分析，以热应力最低为判据，得出了相 对较佳的碳纤维梯度分布含量为：0、0.1wt％、0.2wt％、0.5wt％、0.7wt％。通过 对该梯度分布含量进行试验研究，发现其温度分布与有限元计算结果有很好的 一致性。 (四)按优化设计的结果，进行了梯度试件与层状试件的温度场、位移变 形、层间热应力的对比研究： (1)通过有限元对梯度试件和层状试件的温度场分析表明：沿试件厚度方 向梯度试件温度呈连续均匀变化，层状试件两层中温度下降幅度较大。层状试 件的供热效率低于梯度试件； (2)通过有限元对梯度试件和层状试件的位移分析表明：相对于层状试件， 除Y方向两者的位移相差不大外，梯度试件在X、Z两个方向的位移量分别降 低了6.8％、8.7％。梯度试件的变形明显小于层状试件，其整体最大位移量降低 了7.6％，有利于结构的稳定性。 (3)通过有限元对梯度试件和层状试件的热应力分析表明：相对于层状试 件，梯度试件层间热应力σx降低了49.30％、σy降低了53.66％、σz降低了 46.62％、τxy降低了52.73％、τxy降低了31.46％、τxz降低了9.03％，碳纤维梯度 分布使水泥基复合材料的层间热应力明显得到了缓和。 关键词：碳纤维，水泥基梯度复合材料，导电发热性能，热应力，有限元分析