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    利用自行制備的導(dǎo)電功能集料進(jìn)行碳纖維導(dǎo)電混凝土的制備,并對制備得到的混凝土進(jìn)行了中長期齡期的電性能測試,研究表明，在碳纖維摻量為0. 3%, 0. 6%, 0.9%的碳纖維混凝土中摻加導(dǎo)電集料可以有效的改善導(dǎo)電性能，提高混凝土的電穩(wěn)定性,并可以在形成導(dǎo)電通路時(shí)減少纖維的用量。證明了以導(dǎo)電集料取代或部分取代普通集料制備導(dǎo)電混凝土的可行性。

    導(dǎo)電混凝土是混凝土功能化的重要方向。當(dāng)前對導(dǎo)電混凝士導(dǎo)電功能的實(shí)現(xiàn)主要是依靠在混凝土水泥石中加入一定量的導(dǎo)電相材料,通過電子流或隧道躍遷形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。其中，以碳纖維作為導(dǎo)電相材料的碳纖維導(dǎo)電混凝土是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱.點(diǎn)。Chung DD L等人F3]系統(tǒng)的研究了碳纖維混凝土的導(dǎo)電性能及其在結(jié)構(gòu)智能化當(dāng)中的應(yīng)用。侯作富,李卓求等人4研究了碳纖維作為導(dǎo)電相時(shí)導(dǎo)電混凝土的性能,影響因素以及其在融雪除冰中的作用。大連理工大學(xué)的張滇軍,徐世等”研究了碳纖維混凝土在感受應(yīng)力時(shí)的遲滯效應(yīng)。然而，國內(nèi)外的研究大多僅局限于將導(dǎo)電相材料分散于水泥石中，而水泥石相在混凝土中的單位體積含量一般低于1/3,其余2/3左右的體積空間被粗細(xì)集料和氣孔填充。因此，僅在水泥石相當(dāng)中形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)對于混凝土整體而言是非均勻分布和不完善的。針對這一問題,TarunR,侯作富等6刀嘗試采用石墨塊、鐵礦石或粗細(xì)鋼渣等作為導(dǎo)電集料,部分或全部取代普通集料摻加到導(dǎo)電混凝土中，試圖與其他導(dǎo)電相材料之間一起形成均勻分布、更為完善的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),但是天然的石墨塊,鐵礦石和礦渣具有的導(dǎo)電性能波動性和不可控性仍然存在難以克服的缺陷。

    筆者在導(dǎo)電陶瓷的啟發(fā)下在陶粒制備過程中摻入一定量的導(dǎo)電相材料,初步制備出一批導(dǎo)電性能優(yōu)異的導(dǎo)電功能集料。本文利用制備的導(dǎo)電功能集料進(jìn)行了混凝土制備,并對制備得到的混凝土進(jìn)行了電性能測試,證明了以導(dǎo)電集料取代或部分取代普通集料制備導(dǎo)電混凝土的可行性。

 

1試驗(yàn)

1.1 原材料

    51mm.nPAN基碳纖維(上海新卡碳素科技有限公司),其指標(biāo)見表1;羥丙基甲基纖維素(天津沃爾德三維化工公司);42.5 P 0水泥(華新水泥廠);普通集料和自行制備的導(dǎo)電功能集料,粒徑4~ 10cm,電阻率約為200 l●cm;磷酸三丁酯(天津市恒昊科工貿(mào)有限公司)和聚羧酸減水劑(武漢浩源化學(xué).建材有限公司)。

1.2試件的制備

        將試驗(yàn)所需水在烘箱中加熱到90 C,取出熱水后迅速將稱量好的HPMC加入計(jì)量后的水中攪拌至完全溶解,放置到40C左右加入設(shè)計(jì)質(zhì)量的消泡劑、碳纖維,用玻璃棒輕輕攪拌約2 min后冷卻待.用。將水泥和摻合料分別按試驗(yàn)方案進(jìn)行計(jì)量后放入膠砂攪拌鍋,攪拌30s后關(guān)上攪拌機(jī),重新打開攪拌機(jī)后將冷卻后的碳纖維混合液慢慢加入到混合料中,攪拌90s即可得到碳纖維分散較為均勻的碳纖維水泥漿。最后在碳纖維水泥漿中加入制備好的導(dǎo)電功能集料,攪拌30s后倒入4x4x 16的三聯(lián)模成型，并預(yù)埋電極。試驗(yàn)中采用的配合比集料摻量為模具體積的1/3, 碳纖維摻量為水泥漿體的0.3%, 0.6%,0.9%,水灰比為0.3。

1.3試件的養(yǎng)護(hù)和測試制備的試件拆模后置入養(yǎng)護(hù)水箱中,恒溫25C.濕養(yǎng)護(hù)。測試時(shí)將試件從水中取出，放置至表干狀態(tài),用直流電源通過四電極法測試。

2結(jié)果和分析

    在以往的研究中，由于集料是近似絕緣的,集料的摻加往往阻隔了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成,過量的集料還會嚴(yán)重影響原本已經(jīng)形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。因此,在摻加集料的時(shí)候,碳纖維的滲濾閾值往往在1%以上8.9。本實(shí)驗(yàn)在摻加1/3體積摻量后的導(dǎo)電集料后,發(fā)現(xiàn)碳纖維摻量為0.6%時(shí)，也可以取得不錯(cuò)的導(dǎo)電性能。碳纖維摻量0.6%時(shí)摻加導(dǎo)電集料和不摻加導(dǎo)電集料的齡期電阻率如圖1( a) , 圖1( b) 所示。

    圖1不同集料下碳纖維混凝土的齡期電阻率由圖1(a),普通碳纖維混凝土在碳纖維摻量為0.6%時(shí)，電阻率隨齡期的發(fā)展總體上呈現(xiàn)不斷變大的趨勢。從第3d到第21 d,電阻率從680.3 ?. cm上升到2200?●cm,電阻率的增加是一-種近似于線性的關(guān)系，齡期21d以后電阻率增長開始趨向于平緩。這一現(xiàn)象可以從水泥水化和導(dǎo)電通路機(jī)理中得到解釋:混凝土材料在終凝后水化并不完全,混凝土內(nèi)部存在許多凝膠孔,膠凝孔形成的貫通通路給K+、Na+和0HT離子為主的溶液一個(gè)良好的導(dǎo)電環(huán)境,從而使得一開始制備的混凝土具有較好的導(dǎo)電性能。隨著水化過程的發(fā)展,凝膠孔中的水分子.逐漸被水化反應(yīng)所吸收,離子導(dǎo)電能力不斷下降,同時(shí)形成的空隙也進(jìn)一步的阻斷了導(dǎo)電通路,使得材料的導(dǎo)電性能逐漸降低。當(dāng)水化過程更加充分后，.材料內(nèi)部膠凝材料結(jié)構(gòu)已經(jīng)接近完全成形,并且游離離子的濃度較穩(wěn)定使得材料的導(dǎo)電性能穩(wěn)定下來。

    由圖1(b)還可以發(fā)現(xiàn),隨著齡期的增長，導(dǎo)電混凝土的電阻率一直在80~ 90 0●cm之，間徘徊,考慮到試驗(yàn)操作的誤差,環(huán)境溫度濕度對混凝土電阻率的影響，摻加導(dǎo)電集料后的導(dǎo)電混凝土的電阻率具有非常好的穩(wěn)定性。這主要是由于導(dǎo)電集料和碳纖維之間的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)形成,水溶液離子導(dǎo)電對導(dǎo)電混凝土的影響變小。將碳纖維摻量為0.3%,0.6%,0.9%時(shí),摻加導(dǎo)電集料或普通集料的混凝土的21 d電阻率取對數(shù),其對數(shù)值與碳纖維摻量的關(guān)系如圖2所示。

圖2   2種混凝土在不同纖維摻量下的電阻率

    圖2,在不同的碳纖維摻量下，摻加導(dǎo)電集料的碳纖維混凝士的電阻率相比摻加普通集料時(shí)都有較大的降低。碳纖維摻量為0.3%時(shí)電阻率降低了一個(gè)數(shù)量級,在摻量為0. 9%相差了2個(gè)數(shù)量級。
結(jié)合圖1(b)和圖1(a)中的21 d齡期電阻率,可以發(fā)現(xiàn),摻加導(dǎo)電集料以后，導(dǎo)電混凝土的電阻率有了很大幅度的提高,21d齡期電阻率由不摻時(shí)的2200l.cm降低到了摻加時(shí)的86.1 O*cm,下降了2個(gè)數(shù)量級。這一現(xiàn)象充分說明 了在導(dǎo)電集料的摻入后,混凝土中原來并不完備的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)通過導(dǎo)電集料的搭接形成了更為完整的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。也就是說，摻入一定量的導(dǎo)電集料來替代普通集料,可以有效的降低昂貴的,且胚易分散的碳纖維的使用量,這不僅可以節(jié)約導(dǎo)電混凝土的制備成本,也有助于導(dǎo)電混凝土的施工工藝改善。

3 結(jié)語
  
    傳統(tǒng)的碳纖維導(dǎo)電混凝土中摻加1/3體積摻量的導(dǎo)電集料,在0.3%, 0. 6%, 0. 9%的碳纖維摻量下，對混凝土的導(dǎo)電能力均有一-定的提高。同時(shí)，摻加導(dǎo)電集料可以在更少的碳纖維摻量下形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),提高導(dǎo)電混凝土的電阻穩(wěn)定性。因此，進(jìn)行導(dǎo)電集料的研究來制備導(dǎo)電集料混凝土?xí)r可行的。