碳纤维混凝土导电性能的研究

(整期优先)网络出版时间:2021-06-04
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碳纤维混凝土导电性能的研究

班生富

新疆建筑材料检测有限公司 830000


摘要:碳纤维混凝土(CarbonFiberReinforcedConcrete,CFRC)是在普通混凝土中加入适量短切碳纤维而形成的一种新型复合材料。与普通混凝土相比,碳纤维混凝土强度和韧性都有明显的改善,而且能够降低混凝土的干缩,增加材料的耐磨性。除此之外,研究发现普通混凝土电阻率较大,导电能力微弱,而加入碳纤维丝之后的混凝土导电性能显著改善,且其体积电阻率能够随外界条件的改变而产生相应的变化,由此衍生出了诸如温敏性、压敏性、电热性、电磁屏蔽等良好的功能特性。基于此,本文主要对碳纤维混凝土导电性能的研究进行分析探讨。

关键词:碳纤维;混凝土;导电性能


前言

碳纤维混凝土(CarbonFiberReinforcedConcrete,CFRC)是在普通混凝土中加入适量短切碳纤维而形成的一种新型复合材料。与普通混凝土相比,碳纤维混凝土强度和韧性都有明显的改善,而且还能显著改善混凝土的导电性能,且其体积电阻率能够随外界条件的改变而产生相应的变化,由此衍生出了诸如温敏性、压敏性、电热性、电磁屏蔽等良好的功能特性。


1材料制备及测试方法

1.1原材料

试验用新疆阜康天山水泥厂生产的PO42.5普通硅酸盐水泥;普通中砂,粒径≤2.5mm,石子最大粒径≤15mm;PAN基碳纤维(性能见表1);分散剂为羧甲基纤维素钠(CMC);聚羧酸高性能减水剂,按胶凝材料总量1%~2%掺入;消泡剂为磷酸三丁酯;新疆华电生产的Ⅰ级粉煤灰.

表 1 PAN 基碳纤维基本性能

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1.2制备工艺

碳纤维导电混凝土制备及拌合物性能测试参照普通混凝土拌合物性能试验方法标准(GB/T50080—2002)和自密实混凝土应用技术规程1.3电阻率及抗压强度测试方法混凝土导电性能测试试件尺寸为40mm×40mm×160mm,成型时在试件两端预埋铜片电极,24~48h后脱模,标准养护28d后取出晾干,用精密数字万用表测试试件电阻,根据模型系数计算电阻率.混凝土抗压强度测试试件尺寸为100mm×100mm×100mm,标准养护28d后测试其强度.

1.4纤维的分散性测试方法

本文通过应用扫描电镜(SEM)对硬化混凝土试件断面形貌及纤维分布进行观测和统计,可以得到硬化后混凝土中碳纤维的真实分散状态,每组取10个断面,在200倍目扫描电镜下观察试样断面的形貌及碳纤维在混凝土中整体分散状况,如有无成团、集束等现象,在500倍目下统计纤维数量,由纤维数量的标准偏差和变异系数反应纤维分散的均匀程度.

1.5混凝土配合比

试验用混凝土基准配合比如表2所示.

表2基准混凝土配合比

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2试验结果与分析

2.1碳纤维在混凝土中的分散性评价

碳纤维在混凝土中的分散性直接影响混凝土的导电性能、力学性能和工作性能.对所制备的碳纤维导电混凝土,评价碳纤维在混凝土中的分散性是评估碳纤维导电混凝土的导电性能、提高其制备工艺技术的关键.应用扫描电镜(SEM)对硬化混凝土试件断面形貌及纤维分布进行观测和统计,根据一定区域内纤维数量的标准偏差和变异系数来评价纤维分散的均匀程度,统计结果如表3所示.

表 3 分散剂、水胶比对碳纤维分散性的影响

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从表中可以看出,纤维数量的标准偏差和变异系数越小,纤维分散越均匀,混凝土试件的电阻率就越小,其导电性愈好,这是因为,混凝土电阻率受导电通路控制,而碳纤维是混凝土中唯一导电基元材料,当碳纤维含量一定时,碳纤维分散越均匀,形成的导电通路分布越广泛,其导电性越好.因此,另一方面也可以通过混凝土的电阻率间接地反映混凝土试件中碳纤维的分散性,即通过测试试件电阻率间接评价碳纤维在混凝土中分散性.从所测试的电阻率结果(表3)可以看出,添加分散剂羧甲基纤维素钠(CMC),可增加碳纤维在混凝土中的分散均匀程度,降低了混凝土的电阻率.这是因为,CMC带有极性基团与碳纤维表面的极性基团及水分子间形成氢键,增强了碳纤维表面的亲水性和浸润性,提高了碳纤维分散性,从而在混凝土中形成良好的导电通路.一般情况下,当分散剂溶液浓度过低时,碳纤维不足以被极性基团包裹,而分散剂溶液浓度过大时,较高的黏度影响了混凝土流动性,阻碍了碳纤维的分散,因此,当分散剂溶液浓度适当时,极性基团才能充分包裹碳纤维而对混凝土流动性影响不大,本文的实验结果表明,当分散剂溶液的浓度为0.5%(W/(C+F)=0.5)时,碳纤维在混凝土中的分散均匀程度最为理想.

2.2碳纤维混凝土的导电性能及影响因素分析

2.2.1水胶比对混凝土电阻率的影响

当水胶比为0.55~0.7时,混凝土电阻率在0.1~0.2Ω·m之间,满足工程中接地降阻技术的要求.因此,混凝土电阻率随水胶比的增加而减小,这表明适当提高水胶比可改善混凝土的导电性,但当水胶比大于0.7时,混凝土的电阻率又有明显的增加.这是因为,水胶比较低时,混凝土流动性较差,碳纤维在基体中运动的摩擦阻力增大,碳纤维易成团、集束,降低了其在混凝土中的分散性,导致碳纤维不能有效地改善混凝土的导电性;而适当提高水胶比,碳纤维在基体材料中的分散阻力减小,碳纤维分散性得到改善;但当水胶比过大时,在掺加纤维体积率一定的情况下,纤维间距增大,纤维桥接效果降低,导致混凝土电阻率提高.

2.2.2碳纤维掺量对混凝土电阻率的影响

当碳纤维掺量在0.6%以下时,混凝土的电阻率随纤维掺量的增加而降低明显,而当纤维掺量大于0.6%以上时,混凝土的电阻率降低幅度较小,并趋于稳定.这是因为,当碳纤维的掺量较低时,纤维间距较大,不能引起载流子的跃迁,碳纤维在混凝土中的导电作用较小,此时混凝土主要通过孔溶液中的离子导电.因此,混凝土的电阻率较高;随着碳纤维掺量的增加,纤维彼此搭接增多,从而提高了碳纤维混凝土导电网络的连通性,改善了混凝土的导电性能;当碳纤维掺量增加到一定的程度后,即增加到特定的渗滤阀值后,碳纤维彼此间的搭接能够形成良好而稳定的导电网络,此时,混凝土的导电性主要取决于碳纤维所形成的导电网络.实验结果表明,本文所制备的导电混凝土中,碳纤维的渗滤阀值约为0.6%.

2.2.3养护龄期对混凝土电阻率影响

28d前,混凝土的电阻率基本上随养护龄期的增加而增大;28d后,混凝土的电阻率基本趋于稳定,且碳纤维掺量越高,混凝土电阻率稳定性越好,这说明当碳纤维掺量达到足以形成导电网络时,电子导电基本不受混凝土龄期及离子导电的影响,当纤维体积率在0.62%及以上时混凝土各龄期电阻率均低于0.2Ω·m,满足接地降阻技术条件.

3、结语

以碳纤维作为导电基元材料,制备了一种导电性能良好的碳纤维导电混凝土,并利用羧甲基纤维素钠(CMC)改善碳纤维在混凝土中的分散性,分析了纤维体积掺量、水胶比、养护龄期对碳纤维混凝土导电性能的影响.本文所制备的碳纤维导电混凝土具有纤维分散性好、电阻率低且稳定、施工方便等特点,为工程中应用碳纤维导电混凝土、提高工程结构的功能性提供了基础.


参考文献:

[1]吴献,周志强,杜志强,李龙清,王丽娜.碳纤维混凝土在动态称重中的应用[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2010,01:92-95.

[2]吴献,周志强,杜志强.碳纤维混凝土在动态称重中的应用[J].沈阳建筑大学学报,2010,26(1):92-95.