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硅灰对碳纤维导电混凝土电阻率和强度的影响


2 0 0 3 年 第 2 期 ( 总第 160 期) Number 2 in 2003( Tot al No. 160)



凝 Concrete



全 国 建 筑 科 学 核 心 期 刊 China Building S cience Core Periodical

>硅灰对碳纤维导电混凝土电阻率和强度的影响
候作富1 , 李 卓球2 , 胡胜良 1 ( 1 江汉石油 学院机械系, 湖北 武汉 434023; 2 武汉理工大学理学院, 湖北 武汉
[ 摘 要]

430070)

[ 关键词]

利用硅灰来改变用于融雪化冰的碳纤维导电混凝土的性能。通过体视显微镜对纤维的分散性进行了 对比研究, 通过 对电阻 率、 抗压强度、 抗折强度的分析, 可以发现, 硅灰能有效降低碳纤维导电混凝土的电阻率, 适当提高导电 混凝土的抗压 强度和 抗折强度, 故可有效降低碳纤维导电混凝土的制造成本。 硅灰; 碳纤维; 导电混凝土; 电阻率 TU 528 41 [ 文献标识码] A [ 文章编号] 1002- 3550( 2003) 02- 0026- 03

[ 中图分类号]

普通混 凝土如 加入 15% ~ 20% 的钢 屑和 钢纤 维, 在养 护 28 天后 电阻系数 下降 到( 5~ 10) m 。良好 的导电 性使 导 电混凝土不 仅作为一种建 筑承载材 料使用, 而 且还将 在电工、 电子、 电磁干扰屏蔽、 防静电、 钢筋阴极保护、 建筑地面采暖、 路 面除冰融雪等方面发挥重 要作用。 因此关于 导电混 凝土的 研 究受到越来越广泛的关注。 本文以碳 纤维导电混 凝土用于融 雪化冰这 一国家自然 科 学基金项目研究课题为背景, 致力于研究导电 性能和力学性能 优良的碳纤维导电混凝土。 在制作 用于融雪 化冰的 碳纤维 导 电混凝土的 过程中, 如采 用的碳 纤维含 量较高, 虽然 导电性 能 很好, 但使得混凝土的抗压强度降低较多, 弯曲强度上升较少。 为了改变这种情况, 本文尝试利用硅灰来改变 碳纤维导电混凝 土的性能。关于硅灰在制作一般高强混凝土方面的应用, 已 有 表1
碳纤维 PAN 基 拉伸强度/ M Pa 2000~ 3000 弹性模量/ G Pa 173~ 215
[ 1]

一些学者进行 了研 究 [ 3~ 6] , 但 关于 硅灰 对碳 纤维 导电 混凝 土 性能的较详细研究还未见到。本文主要从导电性能、 抗压及抗 弯性能方面研究了硅灰对碳纤维导电混凝土性能的影响。

1 原料及制作
1 1 碳纤维 碳纤维主要可分为两大类: 一类是以聚丙烯腈为原料制成 的 PAN 基碳纤维, 另一类是 以沥青为 原料制 成的沥 青基碳 纤 维( P- CF) 。通过对比实验, 我们发 现采用上海 某公司生 产的 PAN 基碳纤维制成 的导电 混凝 土具有 较低 的电阻 系数, 因 此 在实验中采用的碳纤维都是该种碳纤维。该 PA N 基碳纤维的

基本性能见表 1, 表面未经处理。本文中采用的是长度为 6mm ~ 10mm 左右的短切碳纤维。 PAN 基碳纤维的基 本性能
密度/ ( g/ cm 3 ) 1 74~ 1 77 电阻率/ ( 30 m) 单丝直径/ m 7 碳元素含量/ % 93

1 2

硅灰

中的掺量, 文 献[ 7] 认 为应在 10% ~ 20% ( 即取 代同等 数量 的 水泥) 左右, 文献[ 8] 认为应不 超过 10% , 而国外 的文献中很 多 都采用 15% [ 9] , 也有采用 13% 的 [ 10] 。因此本文 中研究了 掺量 为 10% 和 20% 的情况。

硅灰为湖北省丹江口市 某公司 的副产 品, 其 化学成 分、 粒 度分布见表 2。由表中数据可以 发现, 所使用硅灰 的主要成 分 为 SiO2, 主要的粒度分布在 0 5 m 以 下。而 PA N 基碳纤维 的

单丝直径为 7 m, 比硅灰的 粒度要大得多。对于硅灰在混凝土 表 2 硅灰的化学成分、 粒度分布
化学成分 含量/ % 粒度分布/ m S iO 2 91~ 93 10 Al2 O 3 0 98~ 0 2 1~ 10 M gO 0 9~ 0 2 0 5~ 1 CaO 0 47 0 1~ 0 5 Fe 2 O3 0 15~ 1 6 <0 1 烧失量 2 0~ 5 0

注: 表中数据由南京水利科学研究所提供

1 3

其它原料 水泥采用湖北华新水泥厂生产的保垒牌 42 5 级( 新标号)

种, 普 遍认为湿拌 具有较好 的效果, 因此本文 中采用湿拌 的方 法来制作混凝土。水泥、 砂子、 石子之重量 比为 1 1 1, 加 硅灰 时的水 灰 比 ( 水 的 重 量 与 水 泥 和 硅 灰 的 总 重 量 之 比 ) 约 为 0 58, 未加硅灰时的 水灰 比约 为 0 54。减水 剂掺 量为 胶凝 材 料的 1 5% ( 重 量 之 比) , 除 泡 剂 掺 量 为 整 个 混 凝 土 体 积 的 0 13% 。一天后 脱模 并在 室温 ( 25 左 右, 湿度 70% ) 下浇 水 养护。用来测电阻率的试样尺 寸为 160mm 130mm 40mm, 每组三个试样。用来测抗 压强度 的试样 尺寸为 40mm 的立 方

水泥; 分散剂采用天津市 化学试 剂分公 司提供 的甲基 纤维素; 砂子为一 般 的 标 准 砂; 石 子 为 最 大 粒 径为 15mm, 最 小 粒 径 5mm, 平均粒径为 12mm 的碎石; 减水 剂和除 泡剂采 用武汉 某 公司的 FDN - 1 高效减水剂和一般除泡剂。 1 4 试样的制作及形状 碳纤维 导电混凝土的制 作过程 一般可分 为干拌 及湿拌 两 2003- 01- 09 国家自然科学基金项目资助( 50078042)

[ 收稿日期] [ 基金项目]

26

体, 每组六个试样 。用来测 抗折 强度 的试 样尺 寸为 160mm 40mm 40 mm, 每组六个试样。 电极的制 作在整个导 电混凝土的 制作过程 中占有非常 重 要的地位。采用石墨布在外表面粘贴可取得较好的效果, 但 是 本文旨在研制出能够进入实用的导电混凝土, 电极贴在外面很 容易发生脱落损坏。作为能够进入实用的导电混凝土, 电极 必 须埋入 混 凝土 中, 且 不能 生 锈, 所以 在 实验 中采 用 的是 厚 为 0 3mm 的 不 锈 钢 板 作 为 电 极。 具 体 的 形 状 和 位 置 见 文 献 [ 11] 。

为 10% 、 20% 时的 电阻率 与未 掺硅 灰时 的差 别明 显增 大。即 碳纤维含 量较低时, 采用硅 灰可以有效 提高碳纤 维的分散性, 而碳纤维含 量较高时, 只要 搅拌均匀, 使碳纤 维在整个体 积内 分布均匀, 很密的 导电网格 已经形成, 电阻率 就将趋向一 定的 值。此时加硅灰虽然也可以提高碳纤维的分散性, 但此时只不 过是使本来很密的导电网格更密一点, 所 以对整个混凝土的电 阻率影响将不是很大。最后从图 2 中可以发现, A 点和 B 点对 应的电阻率分别为 120 1 cm 和 122 0 cm, 此 时 A 点所 对 应的碳纤维体积含量和硅灰掺量分别为 0 73% 和 20% 。也就 是说, 碳纤维体积含 量为 0 73% 时掺入 20% 的 硅灰 可以制 造 出满足融雪化冰条件的 导电混 凝土。虽然 与未加 硅灰的 导电 混凝土相比碳纤维体积含量降低的幅度并不大, 但由于碳纤维 的价格昂贵, 所 以也 能较 大幅 度地 降低 导电 混凝 土的 制造 成 本。

2 试验结果及分析
2 1 硅灰对电阻率的影响 我们首先 完成了未加 硅灰时导电 混凝土的 电阻率与碳 纤

维体积含量的关系, 见 图 1。从图 1 中 可以看 出, 此种 导电 混 凝土的渗滤阀值在碳纤维体积含 量( 以下 都是指 体积含量 ) 为 1% 左右时, 此时电阻率为 122 cm。但如果 考虑试 样的尺 寸 效应, 该电阻率将下 降到 100 cm 左右 [ 11] , 即导 电混 凝土 能 有效地用于融雪化冰所必 须达到 的电阻 率。因此后 面分析 的 都是碳纤维含量在 1% 以下的情况。

图2

硅灰掺量对碳纤维导电混凝土电阻率的影响

2 2 掺与未掺硅灰时的体视显微镜对比 采用江南牌 XT L - 1 型体 视显微 镜, 放大倍 数约 为 30 倍 图 1 未掺硅灰时导电混凝 土的电阻率 与碳 纤维体积含量的关系 图 2 比 较了硅 灰掺 量为 0% 、 10% 、 20% 时电 阻率 与碳 纤 维体积含量的关系。从图 1 中可以看 出, 总的 来说, 掺入 10% 或 20% 的 硅灰能 有效降低 导电混 凝土的 电阻率, 掺 量较大 时 ( 20% ) , 降低的效果越明显。当碳纤维体积含量在渗滤阀值 处 ( 1% ) 时, 硅灰掺量为 10% 、 20% 时与 未掺硅灰 时的差 别较小, 而当碳纤维体积含量从 1% 下降到 0 53% 的过程中, 硅灰掺量 左右, 对切割出的断面进行了观 察。观察 了碳纤维体积含量为 0 73% , 硅灰掺量分别为 0% 和 20% 的两 种试样, 见 图 3 和 图 4。从观察的情况来看, 未掺硅灰时, 断面上不时出现有几 根纤 维粘结在一起的情况, 见图 3 中 A 、 处。而硅灰掺量为 20% , B 基本上未看到 上面的情 况, 基 本上都如图 4 所示, 这说明 硅灰 的加入有效地提高了碳 纤维的 分散性。这 是因为 硅灰加 入到 混凝土中将形成良好的填充效应, 不仅能 够填充在水泥颗粒之 间, 也能分散在碳纤维之间。

2 3

图 3 未加硅灰时的体视 显微镜图 硅灰对抗压强度和抗折强度的影响

图 4 加硅灰时的体视显微镜图 纤维体积含量为 0 73% , 测 试的 是 7 天 强度。从 表 3 可以 看 出, 未掺硅灰时, 7 天抗压强度只有 32 5M Pa, 原因是用于 融雪 化冰的导电混凝土的碳纤维含量较高, 在 制作的过程中不可避 免地出现很多气泡, 即使加 了除泡剂 , 效 果也不 是很明 显。掺

由于抗压 强度和抗折 强度是道路 路面混凝 土的两个最 基 本的性能指标, 所以本文分析了在不同的硅灰 掺量下导电混凝 土抗压强度和抗折强度的变化情况, 见表 3 和表 4。试样的 碳

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10%和 20% 的硅灰可使抗 压强度 提高 20% ~ 30% 左右, 达 到 40M P a 以上, 掺 20% 的硅 灰虽然可以使升高值稍高, 但升高 的 效果已不明显。从表 4 可以看出, 掺 10% 和 20% 的硅灰可使 7 天抗折强度 提高 15% 左 右。掺 20% 的硅灰 时, 抗折强 度比 掺 10% 硅灰时的弯曲强度还略有下降。总的来说, 抗折强度的 上 升要低于抗压强度的上升。对于碳纤维较高时, 硅灰对碳纤 维 导电混凝土 抗压强度和抗折 强度的 提高效果 要低于 硅灰对 一 般素混凝土抗压强度和抗折强度的提高效果。 表 3 7 天抗压强度对比
硅灰 掺量 0% 10% 20% 1 2 试样编号 平均值 3 4 5 6 32 5 / 30 2 33 3 31 8 32 6 34 0 33 0 36 6 40 6 40 0 41 9 42 8 39 1 41 9 42 2 42 8 46 6 42 5 40 6 升高值

导电混凝土的成本。
[ 参考文献] [ 1 ] Sherif Y ehia, Christopher Y . Tuan, Conduct ive Con cret e O verlay for Bridge Deck D eicing, ACI M at erials Journal[ J] . 1999, 96( 3) : 382 390. [ 2 ] 刘孔凡, 焦利利. 硅 粉及其 在混凝 土中 的应 用[ J] . 河南大 学学 报 ( 自然科学版) [ J] . 1994, 24( 2) : 91- 94. [ 3 ] 姜仁豪, 戚诚华, 于桓 飞. 硅粉混凝土 性能试验与应用 现状[ J] . 浙 江水利科技[ J] . 1994, ( 2) : 53- 58. [ 4 ] 周一耕, 邵鄂民. 硅粉混凝土的研究及其在公路路面的应用[ J ] . 长 江科学院院报[ J] . 1998, 15( 2) : 48- 50. [ 5 ] 孙家瑛, 陈建祥, 吴初航, 等. 硅灰对水泥基 PP 纤维 复合材料 路用 性能的影响[ J] . 建筑材料学报[ J] , 2000, 3( 1) : 80- 83. [ 6 ] 田文玉, 提 高 混 凝土 强 度 的两 种 途 径[ J ] . 重庆 交 通 学院 学 报, 1998, 17( 1) : 87- 91. [ 7 ] 王玉瑛. 混凝土掺硅灰试验研究[ J] . 硅酸盐建筑制品, 1995( 6 ) : 21 - 24. [ 8 ] 姜德民. 硅灰对高性能混凝土 强度的作 用机理研 究[ J ] . 建筑 技术 开发, 2001, 28( 4) : 44- 46. [ 9 ] Y usheng X u, D. D. L. Chung, Cement of H igh Specif ic Heat and High Thermal Conduct ivit y, O btained by using S ilane and Silica Fume as Admixt ures, Cement an d Concrete Research [ J] . 2000( 30) : 1175 1178. [ 10] Farhad R eza, G ordon B. Bast on, etc. , V olume Elect rical Resist ivit y of Carbon Fiber Cement Composit es, ACI M at erials Journal[ J] . 2001, 98 ( 1) : 25- 35. [ 11] 侯作富, 李卓球, 唐祖全. 融雪化 冰用碳纤 维混凝土 的导电性 能研 究[ J] . 武汉理工大学学报, 2002, 24( 8) : 32- 34. [ 作者简介] [ 单位地址] [ 联系电话] 侯作富( 1968- ) , 男, 博士生; 李卓球( 1950- ) , 男, 教授, 博士生导师。 武汉市武昌珞狮路 122 号( 430070) 027- 50106019; 13886575083

/ M Pa

40 2 7 70( 23 7% ) 42 8 10 3( 31 7% )

表 4 7 天抗折强度对比
硅灰 掺量 0% 10% 20% 1 2 试样编号 平均值 3 4 5 6 3 68 3 47 3 68 3 93 3 52 3 70 3 91 4 57 3 96 4 57 4 57 4 57 3 81 4 27 4 27 3 66 4 20 3 96 4 39

/ M Pa
升高值 /

4 34 0 66( 17 9% ) 4 13 0 45( 12 2% )

3 结论
在碳纤维混凝土中加入硅灰, 可以在一定 程度上降低导电 混凝土的电阻率, 提高碳纤维 的分散性。如 加入 20% 的硅灰, 对于制作融雪化冰用的导电混凝土而言, 可将 碳纤维的体积含 量从 1 03% 降低到 0 73% , 同 时也 使抗压 强度 和抗折 强度 得 到了一定程度上的提高。这 样可以 有效降低 制作融 雪化冰 用

Influence of Si lica Fume on Properties of Carbon Fiber Electrically Conductive Concrete
H O U Zhuo f u , Abstract: LI Zhuo q u, H U Liang sheng T he silica fume is introduced to reinforce properties of electr ically conductive concrete for deicing o r snow melting sys

tem. T he microscope is used to analyze dispersion o f carbon fibers and the electr ic resistivity、 compressive and flex ur al strength are tested to evaluate the electrically conductive co ncrete w ith silica fume. T he tests illustr ate that the addition of the silica fume can decr ease the elec tr ic resist ivity effectively and increase the compressive and flexural strength appropriately. T herefore, the addition of the silica fume can r e duce the cost of making o f electrically conductive concr ete. Key words: 上接第 19 页 施: 一是凡能暴露的混凝土表面均匀撒一层 525 号五羊牌硅 酸 盐水泥, 混凝土表面撤一层 生石灰 拌炉渣 ( 利 用生石 灰水解 热 激发水泥水化热和加快水化) , 沿过街天桥外围搭暖棚, 生 8 个 焦碳炉加热养护。 24h 后同条件养 护试块 平均强 度达 13 4N / mm 。保持 暂 不拆模情况 下 实 现 街道 上 部 通 车。18d 后混 凝 土 达 到 88% f cuk 。
[ 参考文献] [ 1] 王异. 混凝土冬期施工手册. 黑龙江省科技出版社, 1985 年第一版.
2

electrically conductive concr ete;

silica fume;

car bon fiber;

electric resistiv ity

[ 2] 王异. 掺外加 剂混 凝土冬 期施工. 黑龙江 省建筑 情报 中心站, 1983 年. [ 3] 规程编写组. JG J104- 97 建筑工程冬期施工技术规程, 1998 年. [ 4] 教材编写组硅酸盐学( 第一分册胶凝物质工艺学) . 中国建筑 工业出 版社, 1963 年. [ 作者简介] [ 单位地址] [ 联系电话] 李成涛( 1962- ) , 男, 工程师, 从事土建工程技术管理。 鞍钢白楼后楼 214 房间鞍钢工程质量监督站( 114021) 0412- 6722106

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