集料摻量對融雪化冰用碳纖維導電混凝土性能的影響
2006-04-26 00:00
摘要：討論了將用于路面融雪化冰的碳纖維導電混凝土在制作過程中石子的選擇問題。提出了在
制作發(fā)熱用導電混凝土鋪層時，摻人石子應遵循的3個基本原則：石子的摻量不能太多；不能和標準的混凝土一樣，采取合理的級配；摻入的碎石粒徑不能太大。分析了集料用量對融雪化冰用碳纖維導電混凝土導電性能、抗壓強度和抗折強度的影響。
關鍵詞：融雪化冰；碳纖維；導電混凝土；電阻率
中圖法分類號：TU31
在標準的混凝土中，骨料一般要占到混凝土總體積的3／4左右。由于其價格比水泥低廉，且來源豐富，作為混凝土的填充材料能明顯降低普通混凝土的成本。另外，骨料的性能、用量及配合比對混凝土拌和物的和易性、硬化后混凝土的強度、耐久性等都有不同程度的影響。
對于普通的碳纖維水泥基復合材料，在進行研究的時候，一般都沒有考慮在混凝土中添加石子，而沙子也一般是按m(沙)：m (水泥)=1：1的比例加人的。所以對于石子的加人，相關的文獻關注得較少。文中根據(jù)融雪化冰用碳纖維導電混凝土的實際情況，分析了石子的摻人原則，討論了不同的集料用量對融雪化冰用碳纖維導電混凝土導電性能、抗壓強度和抗折強度的影響[1-3 ]。
1 石子的摻入原則
對于融雪化冰用的碳纖維導電混凝土，除了要滿足一般混凝土的技術要求外，還要求具有良好的導電性。在具體應用中，導電混凝土將以鋪層的形式覆蓋在舊的混凝土層上，其較佳的厚度在40～50 mm 之間，所以制作的混凝土板試樣都是40 mm 厚。很顯然，對于厚度僅為40 mm 的導電混凝土鋪層，采用粒徑太大的石子是不合適的。從一般混凝土的角度來看，石子之間相互接觸(如圖1)會在一定程度上提高其抗壓強度。但石子的導電性能很差，基本上可以看作是不導電的，即使加人再多的碳纖維，導電通路也會被粗骨料截斷，其導電性能不會很好。只有在混凝土中使粗骨料之間保持一定的距離，如圖2所示，才能保證在基體中形成很多的導電通路，這樣導電性能才能更好。
根據(jù)圖2基于導電通路的滲流模型，本文認為在制作工程實際中發(fā)熱用導電混凝土時，石子
的摻人應遵循以下三個原則。(1)石子的摻量不能太多，因為石子太多，將使碳纖維在基體中的含量更高，造成基體強度下降，從而影響整個導電混凝土的強度；(2)不能和標準的混凝土一樣，采用合理的級配，這樣很容易將導電通路截斷；(3)不能采用粒徑太大的碎石，一般不能采用卵石，否則很容易造成發(fā)熱的不均勻性?？偟膩碚f，制作工程實際中發(fā)熱用導電混凝土，將比一般的混凝土更復雜。
對于40 mm 厚的導電昆凝土鋪層而言，最好使石子的平均粒徑小于15 mm，這樣可以保證在厚度方向上兩顆石子疊加也不能將電流通路截斷。文中采用最大粒徑為15 mm，最小粒徑5 mm，
2 配合比對導電混凝土性能的影響
關于標準混凝土的配合比設計，有標準的計算公式或相應的手冊可以參考。但由于制造的碳纖維混凝土是一種新型的混凝土，其水灰比、砂率等都沒有相應的標準，而且這些參數(shù)的變化將會影響所制作出的導電混凝土的性能。對于水灰比，F(xiàn)arhad Reza[5] 通過實驗發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)的變化對碳纖維水泥基復合材料電阻率的影響不是很明顯。而在碳纖維含量和水灰比都不變的情況下，隨著砂灰比(砂子與水泥之重量比)從1變化到1。8的過程中，復合材料的電阻率增大了一倍多。在加入碳纖維較多的情況下，一般要達到0。55～0。58才能保證混凝土的攪拌，所以文中對水灰比未加以詳細討論，主要討論了砂灰比和石灰比的變化對材料性能的影響。
m(水泥):m (砂子)：m (石子)分別為1：2：1，1：1：2，1：2：2，與為1：1：1時的情
況進行了對比。對比是在碳纖維體積含量相同的情況下完成的。所有重量比的導電混凝土的碳纖維體積含量都是0。73 %，同時采用內(nèi)摻法加入了2O% 的硅灰。這是通過大量實驗得到的融雪化冰用碳纖維導電混凝土的滲濾閾值。
2。1 碳纖維體積含量的確定
要精確確定碳纖維體積含量是非常困難的。原因之一是采用的水泥、砂子、石子的重量比與一般標準混凝土相比是不一樣的，用該重量比制成的素混凝土的密度不能采用一般的參考資料或手冊上的數(shù)據(jù)；之二是加入碳纖維的混凝土的孔隙量大大增加。所以采用的是實驗加推算的方法：當加入的水泥重量為W1 時，m (水泥)：m(砂子)：m(石子)為1：1：1的素混凝土的體積 可由實驗測得。假設現(xiàn)在要做的碳纖維混凝土(水泥、砂子、石子之重量比同樣也是1：1：1)中加入的水泥重量為W2，而加入的碳纖維的重量為Wf，密度為Pf (該值一般由廠家給出)，則此種碳纖維混凝土的碳纖維體積含量 Vf可由公式(1)求得。
經(jīng)過同樣的步驟可以求出水泥、砂子、石子之重量比為其他比值時的碳纖維體積含量。
2。2 重量比對碳纖維導電混凝土性能的影響
表1為不同的重量比對碳纖維導電混凝土導電性能、抗壓強度和抗折強度的影響。電阻率、抗壓強度和抗折強度測試是在28 d養(yǎng)護后完成的。上述4個不同重量比的試樣制作是在同1 d內(nèi)完成的，養(yǎng)護條件也是一致的，因此具有可比性。
電阻率的測試采用兩電極法用標準的萬用表測得，試樣尺寸為160 mm×130 mm×40 mm，每組3個試樣。測抗壓強度的試樣尺寸為40 mm的立方體，每組6個試樣，其測試是在一般的萬能材料試驗機上完成的。抗折強度測試是采用3點彎曲試樣完成的，試樣尺寸為l60 mm×40 mm×40mm ，每組6個試樣。
從電阻率上來看，對于1；1：2的重量比，其電阻率要比其他3種低，即適當增加石子的比例，可使導電性出現(xiàn)一定的增強。這是因為在碳纖維體積含量相同的前提條件下，將有更多的碳纖維分布在水泥和砂子組成的基體里，使得基體的導電性出現(xiàn)了較大幅度地增強。此時的導電混凝土的導電就可以看作是相當于兩個電阻的并聯(lián)模型，當一個電阻基本不變，另一個電阻變小時，最終的電阻會變小。所以最終加上石子后得到的綜合結果是導電性出現(xiàn)一定的增強。而對于砂子比例較大的兩種情況，電阻率都出現(xiàn)了較大的增加。這是因為砂子比例的增大，影響了碳纖維之問的相互接觸，此時沿碳纖維網(wǎng)格傳導的電流將大幅度減少。關于這方面的具體原因，可以從碳纖維導電混凝土的導電機理進行解釋 j。碳纖維混凝土中電流傳導主要通過以下幾條導電通道進行。(1)水泥石液相水中的離子和鐵、鋁、鈣等化合物中的電子在水泥石內(nèi)進行傳導；(2)電子和帶電空穴沿彼此搭接的碳纖維網(wǎng)格進行傳導；(3)電子和帶電空穴通過隧道效應越過碳纖維之間的基體阻隔而傳導。當纖維含量在滲濾閾值附近且試樣在干燥的情況下，纖維問彼此搭接形成良好的導電網(wǎng)格，電流主要沿碳纖維網(wǎng)格進行傳導，離子導電和隧道效應的作用將很弱。只要稍微減少碳纖維網(wǎng)格的數(shù)量，將較大幅度地影響整個碳纖維導電混凝土的導電性能。
從抗折強度和抗壓強度來看，隨著砂子、石子重量比的增加，強度值都出現(xiàn)了不同程度的下降(只有1：1：2的抗折強度增大了2。1% )。這是因為在碳纖維體積含量相同的前提條件下，隨著砂子、石子重量比的增加，在相同的體積內(nèi)所含水泥量減少，同時越來越多的碳纖維將分布在水泥和砂子組成的基體內(nèi)，使基體內(nèi)的碳纖維含量實際上越來越大，基體內(nèi)的孔洞越來越多，相應地造成所制作出的混凝土的強度出現(xiàn)了一定程度的下降。特別是對于重量比為1：2：2的導電混凝土，抗折強度和抗壓強度都出現(xiàn)了較大幅度地下降。綜合考慮以上的幾種情況可以發(fā)現(xiàn)，對于重量比為1：1：2的導電混凝土，除了其電阻率最低之外，其抗折強度是最高的，而抗壓強度只出現(xiàn)了較小幅度的下降。因此1：1：2的導電混凝土的綜合性能是最好的。
3 結 論
在制作融雪化冰用碳纖維導電混凝土時，適當摻人粗集料是可以的，但必須遵循文中提出的3個原則。根據(jù)本文的實驗研究，對于 m(水泥)：m(砂子)：m (石子)為1：1：2的碳纖維導電混凝土，除了其電阻率最低之外，其抗折強度是最高的，而抗壓強度只出現(xiàn)了較小幅度的下降。因此1：1：2的導電混凝土的綜合性能是最好的。對于更細分的配合比問題還有待進一步的研究。
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