导电沥青混凝土（共4篇）
导电沥青混凝土 篇1
冬季路面积雪结冰会导致交通堵塞和行车安全性降低, 甚至造成高速公路、机场等封闭, 给交通运输带来不便。一直以来, 人们都在寻求行之有效的融雪化冰方法[1,2]。近年来, 各国学者均开展了利用导电水泥混凝土进行融雪除冰的研究, 并取得一定成果[3,4]。但目前大多数高速公路路面、桥面以及机场道面均为舒适、安全的沥青混凝土铺装层, 因此, 对于导电沥青混凝土研究具有积极的现实意义。沥青混凝土是良好的绝缘体且它的阻值可以达到1013Ω·cm。但是通过往普通沥青混凝土中添加一些导电物质如石墨粉、碳纤维、以及高炉炭黑, 可以制备出导电沥青混凝土, 它的导电性能发生了质的变化降至102Ω·cm甚至更低[5,6]。它良好的导电性能和路用性能可以将其应用于路面、桥面或者机场跑道结构中, 用于结构的融雪化冰, 从而有效地降低了冬季路面积雪结冰对行车方便和安全的影响。进而对导电混凝土的导电机理和融雪化冰的研究, 具有非常广阔的应用前景[7]。
以石墨为导电相材料制备导电沥青混合料, 通过改变导电相材料的种类和掺量研究导电沥青混合料电学性能变化规律及其导电机理。
1 实验
1.1 原材料
文中所用沥青为加德士产的70号沥青, 集料为玄武石碎石, 矿粉为石灰岩磨细石粉, 其各项性能指标均符合 (JTJ052-2000) 要求。碳纤维为辽宁鞍山东亚碳纤维有限公司产的纤维有限公司生产的短切沥青基碳纤维, 石墨粉为河北邢台矿业有限公司生产的鳞片状石墨, 碳黑由上海卡博特炭黑公司生产的乙炔炭黑。
1.2 导电沥青混凝土制备工艺
首先设计AC-13沥青混合料, 再利用导电相材料取代部分矿粉, 作为一种填料加入沥青混合料中, 为保持沥青混合料中粗集料的相互嵌挤效应, 文中采用体积掺量作为导电相材料掺杂标准, 以保证沥青混合料的矿料间隙率, 然后利用马歇尔试验法确定最佳油石比, 最后在加入石墨后, 混合料必须充分拌和均匀。
1.3 电阻测试方法
试件成型后, 用ESCORT3146A型台式万用表测量试件的电阻。
1.4 室内试验
图1所示测试装置, 导电沥青混凝土尺寸为:30 cm×30cm×5cm。室内电热性能测试在DR-2B型标准环境箱内进行, 温度调节范围为-40~100℃, 在导电试件下部设置绝热层, 以阻止热量向下传导, 提高加热效率[8]。利用可调电源输入交流稳定电压, 利用热电阻温度测试系统监测温度变化状况。
2 导电沥青混凝土的电学性能及机理探讨
导电沥青混凝土电学性能的改善主要依靠添加导电相材料, 因此导电相材料的掺量和种类将对其导电性能产生决定性的影响。
石墨、碳纤维和炭黑分别作为唯一的导电相材料, 其掺量的大小对导电沥青混凝土的电学性能影响很大。分别考察不同石墨、碳纤维和炭黑掺量下, 导电沥青混凝土的电学性能。吴少鹏, 磨炼同等人试验研究结果[9]列于表1、表2和表3。由于不同石墨、碳纤维和炭黑掺量下导电沥青混凝土电阻率的数据相差很大, 本文采用电阻率的对数log对石墨、碳纤维和炭黑的掺量作图进行对比分析, 如图1、图2和图3所示。
三种导电相材料体积掺量与电阻率的关系曲线有许多共同之处:随着石墨、碳纤维和炭黑掺量的不断增加, 导电沥青混凝土的电阻率不断下降, 并出现如图1、2和3所示的电学性能变化规律, 例如当石墨掺量小于10%时, 导电混凝土试块的电阻率降低并不明显, 而且仍然处于很高的状态, 此时导电沥青混合料处于绝缘状态。当石墨掺量达到10%~20%之间时, 导电沥青混凝土试块的电阻率呈现出一个急剧下降的过程, 电阻率由1.01×109Ω·m降低至43.35Ω·m, 导电沥青混合料开始由绝缘体向半导体转变。随着石墨掺量的继续增加, 电阻率变化率相对减小, 当石墨掺量达到30%时, 电阻率已下降到3.36Ω·m, 可以认为此时导电沥青混凝土试块已经具有较好的导电性能。从图中同样也可以得出碳纤维掺量改变对电阻率的变化具有类似的效果, 而且通过对比分析可知三种导电相材料单独对沥青混凝土导电性能:碳纤维单位体积对电阻率的改善效果最佳, 炭黑单位体积对电阻率的改善效果最差, 但是石墨的最终改善效果比碳纤维材料要好, 这是因为随着碳纤维在沥青混凝土中的掺量的增大, 碳纤维很容易在沥青混凝土中结成团状物, 难以完全分散, 这样会对导致对沥青混凝土的导电性能的改善效果不是很理想。从图中电阻率的曲线变化规律, 我们可以将沥青混凝土导电性能的改变分成三个阶段:绝缘阶段, 过渡阶段和导电阶段, 且单掺碳纤维在5%体积分数左右就出现了临界值 (渗流阀值P0) , 小于单掺石墨的阀值15%左右和单掺炭黑的阀值17%左右, 其原因是碳纤维具有很大长径比, 更易于相互搭接, 形成导电通路网络。导电沥青混凝土导电性能变化规律这一现象可以用导电复合材料的渗流理论来解释。当添加少量的导电相材料时, 导电相材料以孤立或小集体的形式存在, 粒子间的间距较大, 搭接较少, 不能形成导电链和导电网络, 因而导电相的掺量对混凝土的体积电阻率的影响不明显, 沥青混凝土保持高电阻率, 其大小和普通沥青混合料的电阻率差不多;随着导电相材料掺量的增大, 导电相材料粒子间间距逐渐缩小并可以通过相互搭接形成导电链, 随着导电相材料掺量进一步增大并达到渗滤阀值附近时, 形成导电链的数目迅速增长, 材料的电阻率急剧下降;当导电相材料掺量超过渗滤阀值时, 贯穿于导电沥青混凝土的导电链已经形成, 导电相材料粒子间有相当大程度的搭接, 此时试块的导电以沿导电相材料链的电子传导为主, 体积电阻率主要取决于导电相材料本身的导电能力。增加导电相材料的掺量仅可以使导电链的条数增加, 因而材料的电阻率还是随着导电相材料掺量增加而减小, 但减小的速度大大降低。
由此我们可以得出导电沥青混凝土的导电机制实际上可以看作是粒子接触效应和隧道效应综合作用的结果。在低石墨掺量 (P
3 结论
⑴在沥青混凝土中掺入石墨、碳纤维等导电相材料时可以制备出同时具备优良导电性能和力学性能的导电沥青混凝土。
⑵石墨掺量对石墨导电沥青混合料体积电阻率具有决定性作用, 石墨体积掺量的渗流阀值为11%左右, 在该临界掺量前后混合料电导率突变5个数量级;石墨掺量的继续增加使导电体系的电导率变化趋于平缓。单掺碳纤维的体积掺量渗流阀值为5%左右, 单掺炭黑的阀值17%左右。
⑶导电沥青混凝土的导电机制实际上可以看作是粒子接触效应和隧道效应综合作用的结果。
参考文献
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[9]磨炼同.导电沥青混凝土的制备与研究[D].硕士学位论文.湖北:武汉理工大学, 2004
导电沥青混凝土 篇2
本文以掺加碳纤维的沥青混凝土为例,研究导电沥青混凝土的电学性能变化规律,结合有限元分析软件,考虑了导电沥青混凝土在温度场、电场以及力场三场耦合作用下的电热性能及其内部应力分布。数值算例表明,导电沥青混凝土可以在满足车辆行驶的条件下有效地用于冬季路面的融冰化雪。
1 实验
1.1 原材料
沥青,加德士产70号沥青;集料,玄武石碎石;矿粉,石灰岩磨细石粉,各项性能指标均符合JTJ 052—2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的要求;碳纤维,辽宁鞍山东亚碳纤维有限公司产,粉状,颗粒尺寸5~15μm,含碳量99%。
1.2 导电沥青混凝土的制备
首先设计沥青混凝土,利用碳纤维取代部分矿粉,作为一种填料加入沥青混合料,为保持沥青混合料中粗集料的相互嵌挤效应,本研究采用体积掺量作为碳纤维掺加标准,以保持沥青混合料的矿料间隙率,利用马歇尔试验法确定最佳油石比[8,9,10],在加入碳纤维后,混合料必须充分搅拌均匀。表干法测试马歇尔指标结果见表1。
根据施工经验可知:导电沥青混凝土空隙率3%~6%、饱和度65%~75%、稳定度大于7.5 k N、流值2~4 mm。取马歇尔稳定度和密度最大值对应的油石比α1和α2、设计空隙率中值4.5%对应的油石比α3和饱和度中值70%对应的油石比α4计算最佳沥青用量的初始值OAC1。
由表1分析可以得出各项指标均符合技术标准的沥青用量范围OACmin~OACmax,并计算沥青最佳用量的中值OAC2。
由此确定最佳油石比:
1.3 电阻测试方法
试件成型后,用ESCORT3146A型台式万用表测量试件的电阻。
1.4 室外试验
本研究选择的电极为50 mm×300 mm不锈钢网,导电试块为300 mm×300 mm×50 mm的车辙导电沥青混凝土试块(见图1)。唐祖全等[11]的研究发现,在导电混凝土的电阻测试中电极放在两侧会产生极化效应,对测试结果有一定的影响。为消除极化效应,电极必须埋设在导电混凝土内部。电极垂直埋设在距离两侧边缘50 mm处。在导电沥青混凝土下部设置绝热层,以阻止热量向下传导,提高加热效率。利用可调电源输入直流稳定电压,利用热电阻温度测试系统监测稳定变化状况。
2 导电沥青混凝土的电学性能及机理探讨
碳纤维作为唯一的导电相材料,其掺量对导电沥青混凝土的电学性能影响很大,具体测试结果见表2。由于不同碳纤维掺量下导电沥青混凝土的电阻率相差很大,且数值很大,故本文采取电阻率的对数形式对碳纤维掺量作图进行分析,如图2所示。
随着碳纤维掺量的增加,沥青混凝土的电阻率不断下降,并出现如图2所示的电学性能变化规律。当碳纤维的掺量低于4%时,试件的电阻率降低很少,仍然处于相当高的状态,此时的导电沥青混凝土属于绝缘体。当碳纤维掺量在4%~7%时,试块的电阻率有急剧下降的过程,导电沥青混凝土的电阻率由1.01×1010Ω·m降低至158.5Ω·m,沥青混凝土开始由绝缘体向半导体转变。继续增加碳纤维的掺量,电阻率变化相对较小,当碳纤维掺量为15%时,电阻率已经下降到2.10Ω·m。此时可以认为沥青混凝土已经具备良好的导电性能。由此可见,随着碳纤维掺量的增加,导电沥青混凝土先后经历绝缘区、半导区以及通路区3个阶段[12,13]。
在碳纤维导电沥青混凝土中,当碳纤维的掺量较小时,碳纤维粒子以孤立或小集体形式存在,粒子间距较大,搭接较少,不能形成导电链和导电网络,因而碳纤维的掺量对复合材料体积电阻率的影响不明显;随碳纤维掺量的逐步增大,碳纤维粒子间距逐渐缩小并相互搭接形成导电链,当碳纤维掺量进一步增大到渗滤阀值时,导电链的数目迅速增长,材料的电阻率急剧下降;当碳纤维掺量超过渗滤阀值时,沥青混凝土的导电链已经形成,碳纤维间有相当大程度的搭接,此时试样的导电以沿碳纤维链的电子传导为主,体积电阻率主要取决于碳纤维粒子之间的导电能力。通过对表2的分析可以得出,单掺碳纤维的导电沥青混凝土的碳纤维掺量阀值在5%左右。
3 电热性能及力学性能的有限元分析
导电沥青混凝土与电源连通后,便会产生热量。同时它与周围环境之间存在着能量交换过程。因此,在一定的输入电压下,导电沥青混凝土的发热功率是一定的,要计算混凝土内部的温度分布,实际上可以看作是一个具有内热源的非稳态热传导问题,要计算混凝土有外部荷载下内部的应力分布,便可以看作是一个用热电耦合场来计算温度分布,然后再利用温度分布来计算结构在有外力作用下的热应力分布情况。
本文在计算导电沥青混凝土的电热温度场分析中,选择SOLID69电热单元,计算选取300 mm×300 mm×50 mm的碳纤维导电沥青混凝土试块进行建模,被分为1760个单元。模型底部采取绝热材料不导热。在模型两侧距离边缘50 mm处设置电极,规定沿厚度方向为Z轴,长度方向为X轴,宽度方向为Y轴。网格划分后的有限元模型如图3所示。当碳纤维的掺量为10%时,有限元计算涉及导电沥青混凝土的热电材料参数:导热系数2.363 W/(m·K)、质量热容821 k J/(kg·℃)、密度2650 kg/m3、电阻率6.31Ω·m。
为了方便有限元计算,对边界条件作了以下的假定:
(1)假设空气和试块的初始温度都是固定值-20℃,且导电沥青混凝土为各向同性材料。
(2)假设导电沥青混凝土底部为绝热层,绝热效果理想,与外界不存在热交换。表面以及4个侧面与空气间的对流换热系数为9.4 kg/(m2·h·℃)。
(3)在一个电极面上个点的电压为0,另一个电极面将电压耦合于一点,并施加36 V的电压,有限元计算的结果如图4所示。图5为实际测量的导电沥青混凝土试块的表面中心温度变化曲线和有限元计算的表面中心温度变化曲线的对比。
从图5的计算曲线和实测曲线可以看出:
(1)计算曲线与实测曲线变化趋势吻合较好。
(2)计算曲线温度相对于实测曲线要高,主要原因是实测过程中,下表面并不是绝对绝热,仍有一部分的热量从下表面流失到空气中,导致温度下降。
(3)随着温度的升高,计算曲线与实测曲线温度差别越大,主要原因是实际测试过程中,随着温度的升高,温差增大,导致对流换热系数增大,对流换热系数的增大会导致损失更多的热量,而在计算的过程中对流换热系数是固定值。
在计算沥青混凝土的应力分布场分析中,选择SOLID45结构单元进行电热结构耦合场分析,并采取上述计算所得到的温度分析结果,有限元计算涉及导电沥青混凝土的结构材料参数:热膨胀系数1.0×10-5/℃、弹性模量1.4×109 Pa、泊松比0.3。同时也对有限元计算的边界条件作了以下的假定:
(1)假设导电沥青混凝土的底部和地面是刚接约束,即模型底面的所有自由度都被约束。4个侧面分别约束各自面法线方向上的自由度。
(2)为了模拟公路上行驶的汽车荷载,假定施加在试块上的荷载是垂直于表面的均布荷载,且载荷大小为100 k Pa。
导电沥青混凝土和普通沥青混凝土的有限元计算结果分别见图6、图7。
从图6和图7的有限元计算结果对比可以看出:导电沥青混凝土的力学性能和普通沥青混凝土差异不大,可以在满足其电学性能融冰化雪条件下,同时满足道路行车安全需求的力学性能。
4 结语
以碳纤维为导电相材料可以制备出电学性能良好的导电沥青混凝土,随着碳纤维掺量的增加,导电沥青混凝土的导电性逐渐由绝缘区经半导区向通路区过渡。且单掺碳纤维的导电沥青混凝土的掺量阀值在5%左右。结合试验和理论计算可以看出,当导电试块与外界电源相连后,加以适宜的电压,可以在一定的温度条件下,将试件的温度加热到0℃以上,输入功率和外部环境是影响试块加热速率的主要因素。同时掺有碳纤维的混凝土在通电的条件下具有优良的力学性能,可以满足路面行车需求。因此,掺加导电材料的沥青混凝土是进行路面融冰化雪的一种行之有效的方法,具有广泛的工程使用前景。
摘要：以碳纤维作为导电材料,以沥青混合料为基体,可以制备出导电性能优良,用于路面融冰化雪的沥青路面材料。研究其导电机理、电热性能以及在车辆荷载作用下内部应力分布。数值算例表明,导电沥青混凝土具有优良的力学性能,能满足道路行车需求,且在一定的输入电压下产热,可以融化路面冰雪,有效地抵制冰雪灾害对交通运输的不利影响。
导电沥青混凝土 篇3
随着经济的发展和社会的进步,水泥混凝土逐渐由使用的单一化向智能化方向发展[1]。 作为智能混凝土重要分支之一的导电混凝土,因其良好的物理力学性能和特殊的导电性能, 在道路除冰雪、电磁干扰屏蔽、工业防静电、重大土木基础设施内部应力和健康状况自诊断和检测等领域得到了广泛的应用[2,3,4,5]。 导电混凝土是在普通混凝土中加入碳纤维、钢纤维和石墨等导电成分,使混凝土既具有结构材料的特性,又具有导电材料的特性[6,7,8]。 近年来, 我国学者对导电混凝土进行了大量研究,取得了一些重要成果。 王玉福[9]研究了碳纤维导电混凝土的导电特性,结果表明其具有良好的导电性能,但碳纤维在混凝土中不宜分散, 容易产生结团现象,造成材料的浪费,抬高工程造价。 彭海龙[10]研究了碳纤维石墨复相导电混凝土的电性能和磁性能,结果表明碳纤维和石墨的复掺,在降低碳纤维掺量的同时能提高混凝土的导电性能,但石墨的加入会严重影响混凝土的力学强度。 刘涛[11]研究了细钢纤维石墨复相导电混凝土的压敏性能,结果表明钢纤维的加入能明显改善混凝土的力学性能,但相比于碳纤维石墨复相导电混凝土, 混凝土的导电能力大幅降低。 因此,制备导电性优越、力学性能有保证,同时造价低廉的导电混凝土材料,具有非常重要的现实意义。 基于此,本文通过试验,研究碳纤维-钢纤维石墨三相复合导电混凝土的强度和导电性能,提出三种材料的最佳配比,使混凝土不仅具有良好的导电性能,而且兼具优良的力学强度,为导电混凝土的进一步开发和利用打下基础。
1试验
1.1原材料
水泥选用成都某公司生产的P·O 42.5级水泥, 其主要物理力学指标如表1所示;细骨料采用普通河砂; 粗骨料选用最大公称粒径为16mm的连续级配碎石;减水剂为聚羧酸系高效减水剂,减水率在30%以上 ; 碳纤维采用深圳某公司生产的TC36碳纤维, 单丝直径≤8μm, 含碳量≥93%, 拉伸强度3.5MPa,拉伸模量200GPa;钢纤维选用Cs04-08/21号钢纤维,单丝直径0.6mm,单丝长度35~40mm,抗拉强度600MPa; 石墨来自 北京某公 司 , 纯度≥ 99.88%,细度分别为200目、400目和600目。
1.2配合比
导电混凝土试样均采用统一的基准混凝土,基准混凝土配合比如表2所示,碳纤维和钢纤维掺量分别按占基准混凝土体积百分数计算,石墨掺量按石墨占混凝土质量百分比计。
1.3试验方法
按标准成型尺寸为150mm×150mm×150mm的混凝土试件,将分散剂倒入盛有热水的烧杯中充分溶解后,加入碳纤维并不断搅拌至碳纤维单丝分散后倒入搅拌锅,与粗细骨料一起搅拌1min,然后依次加入钢纤维、水泥、石墨和水,继续搅拌2min,再加入减水剂搅拌至所需的工作性,最后倒入模具中成型,在标准养护室中24h后脱模,并养护至一定龄期。
抗压强度按规范要求进行测试;导电性能采用四电极法进行测试,成型试件时将电极埋入混凝土试样中, 其中内测电极相距6cm, 外侧电极相距12cm。
2碳纤维单相导电混凝土
在混凝土中分别掺加不同掺量的碳纤维,测定混凝土28d的抗压强度和不同龄期的电阻率,研究碳纤维掺量对混凝土强度和导电性能的影响,结果如图1所示。
从图1可以看出, 当碳纤维掺量小于0.4%时, 随着碳纤维掺量的增多,混凝土的抗压强度逐渐增大,而当碳纤维掺量大于0.4%时,再增大掺量反而会使抗压强度降低,当碳纤维掺量为0.4%时,混凝土抗压强度达到39.95MPa。 这是因为,当碳纤维掺量小于0.4%时,少量碳纤维填充在混凝土内部的空隙中,使混凝土密实度增大,抗压强度提高;而当碳纤维掺量大于0.4%时, 随着碳纤维掺量的增大,混凝土中引入的非连续相逐渐增多,一方面混凝土拌合物稠度增大,流动性降低,引入混凝土内部的空隙逐渐增多;另一方面,碳纤维在混凝土中分布的均匀性变差,容易出现结团现象,应力集中点增多, 因而抗压强度逐渐降低。
kg/m3
当碳纤维掺量由0.2%增大至0.4%时, 混凝土电阻率急剧下降,导电性能明显变好;之后电阻率随着碳纤维掺量的增大逐渐降低,直至碳纤维掺量大于0.8%时,电阻率趋于稳定。 分析其原因为:当碳纤维掺量小于0.4%时,虽然碳纤维在混凝土中的分布较均匀,但碳纤维之间的联接很少,无法在混凝土内部形成导电通路,此时增大碳纤维掺量能明显改善混凝土的导电性能,降低电阻率;继续增大碳纤维掺量使混凝土内部碳纤维的接触点进一步增多,电阻率逐渐降低,直至碳纤维掺量达到0.8%后, 混凝土内部已形成完整的导电通路,多余的碳纤维对导电性能几乎没有贡献, 反而会造成材料的浪费。 综合考虑,碳纤维最优掺量应为0.4%。
随着养护龄期的延长, 混凝土电阻率逐渐增大,导电性能逐渐下降,尤其是在7d以前,随着龄期的延长,导电性能急剧下降,当龄期在21d以后时,导电性能趋于稳定。 这是因为,7d以前水泥水化不充分, 混凝土内部无法形成完整的胶凝结构,为离子的定向移动提供了良好的环境;随着水化反应的继续进行, 水分子与水泥水化后生成OH-和结晶水,混凝土内部水泥水化产物形成的胶凝结构逐渐完善,隔断了部分导电通道,因而导电性能逐渐变差,电阻率逐渐增大;当龄期大于21d时,水泥水化基本稳定,胶凝结构基本形成并处于稳定,因此再延长龄期对导电性能的影响不大。
为进一步确定混凝土导电性能与碳纤维掺量之间的关系,将不同龄期的电阻率(Re)和碳纤维掺量(C)之间进行对数回归,回归结果如表3所示。
从表3可以看出,各养护龄期的混凝土,电阻率与碳纤维掺量间都具有很好的对数相关性,相关性系数R2都大于0.97,因此,可以用对数回归描述不同碳纤维掺量时碳纤维单相混凝土的导电性能。
3钢纤维-石墨复相导电混凝土
3.1石墨细度对复相导电混凝土性能的影响
首先在混凝土中掺加体积分数为1%的钢纤维,再掺加6%不同目数(200mm、400mm和600mm) 的石墨,测定混凝土28d抗压强度和不同龄期的电阻率,研究石墨细度对混凝土强度和导电性能的影响,结果如图2所示。
从图2可以看出,石墨目数越大,混凝土抗压强度越低,当石墨目数大于400目时,混凝土抗压强度降低至20MPa以下。 这是因为目数越大,石墨颗粒数目越多,吸收的自由水越多,混凝土中参与水泥水化反应的水越少,抗压强度越低。 随着石墨目数的增大,混凝土电阻率急剧减小,导电性能明显改善,其中掺加400目和600目石墨时,混凝土的电阻率相差很小,导电性能基本接近,说明当目数大于400目时,石墨细度对导电性能的影响很微弱。 这是因为,相同条件下,目数越大石墨颗粒越多,石墨颗粒在混凝土内部的分布越广泛,电子跃迁的次数越多, 导电性能越好; 当目数大于400目时,电子跃迁发生的次数基本趋于稳定,导电性能趋于稳定。
3.2石墨掺量对复相导电混凝土性能的影响
控制钢纤维掺量为1%,选择200目的石墨,测定不同石墨掺量时混凝土28d抗压强度和不同龄期的电阻率,研究石墨掺量对混凝土强度和导电性能的影响,结果如图3所示。
从图3可以看出,随着石墨掺量的增大,混凝土抗压强度逐渐减小,当石墨掺量超过8%时,抗压强度急剧下降;石墨掺量越多,吸收的水分越多,水泥水化反应程度越低,混凝土内部空隙越多,抗压强度越低。 复相混凝土电阻率随着石墨掺量的增大逐渐减小,当石墨掺量大于8%时,电阻率变化幅度很小,混凝土导电性能趋于稳定状态,例如当石墨掺量由2%增大至8%和10%时,混凝土28d的电阻率分别从2814Ω·cm降低至1504Ω·cm和1476Ω· cm,分别降低了46.6 %和47.5%。 这是因为当石墨掺量较小时,石墨颗粒被水泥和细骨料包裹处于被隔离状态,彼此之间无法接触,导电性能较弱,随着石墨掺量的增多,隔离层厚度逐渐变薄,水泥放热引起振动使激活的电子容易穿过隔离层发生跃迁, 形成隧道电流,使混凝土的导电性能显著改善。 当石墨掺量大于8%时,电子跃迁逐渐稳定,因而混凝土导电性能也趋于稳定。
4碳纤维-钢纤维-石墨三相导电混凝土
4.1三种材料掺量对三相导电混凝土性能的影响
为更精确地确定三相导电混凝土中三种导电材料的掺加量,设计9组不同试验,测定混凝土不同龄期的电阻率和28d抗压强度, 试验结果如表4所示。
从表4可以看出,碳纤维掺量为0.3%的混凝土电阻率普遍较大,都在109Ω·cm之上,而碳纤维掺量为0.5%的混凝土电阻率普遍较低, 都在110Ω· cm之下。 同时各组试验电阻率都随着养护龄期的延长逐渐增大,当龄期超过21d时,电阻率变化趋势趋于平缓,混凝土导电性能趋于稳定。 第3组试验得到的各龄期电阻率值明显小于其他组,表明三相导电混凝土的导电性能最好;第2组试验得到的导电混凝土抗压强度最大,为39.15MPa,第3组试验得到的抗压强度为38.05MPa,与第2组抗压强度相差不大。 因此,当碳纤维、钢纤维和石墨掺量分别为0.5%、0.8%和5%时,三相导电混凝土的导电性能最佳,同时具有较高的强度。
4.2三相导电混凝土导电性能的灰关联分析
为分析三种导电材料对混凝土导电性能的影响程度,通过灰关联分析计算得到不同养护龄期时三种材料掺量与混凝土电阻率之间的灰关联度,计算结果如表5和图4所示。
灰关联分析是贫信息系统分析的有效手段,由邓聚龙教授于1982年提出, 是灰色系统方法体系中的一类重要方法,是对动态灰过程发展态势整体接近性分析方法[12]。 现有的灰关联方法都是采用计算逐点关联测度值平均值的办法确定关联度,具有局部点关联倾向和造成信息损失等缺点[13]。
(1) 灰关联系数
设X是灰关联 因子集 ,x0(x0(1),x0(2), … ,x0(n))为参考列,xi(xi(1),xi(2),…,xi(n))(i=1,2,… , m) 为比较列, 比较列和参考列之间的灰关联系数为:
式中,为两极最小差;为两极最大差;ρ 为分辨系数,一般取0.5。
(2) 灰熵
(3) 灰关联熵与灰关联度
设X为离散数列,x0∈x为参考列,xi∈x(i=1,2, …,m)为比较列,Ri={ξ[x0(k),xi(k)],k=1,2,…,n},则:
称为分布的密度值。
Xi的灰关联熵表示为:
序列xi的灰熵关联度为E(xi)Δ=H (Ri)/Hmax, 其中Hmax=lnn, 代表由n个元素构成的差异信息列的最大值。其中由灰熵关联度确定主要因素,灰熵关联度越大,影响越显著。
从图4可以看出, 三种导电材料对混凝土导电性能影响的显著程度是:碳纤维>石墨>钢纤维。 这主要与三种材料在混凝土中的导电机理有关, 导电混凝土之所以导电,是因为在电压作用下,混凝土内部的Ca2+、Na+、K+、OH-和SO42-等发生定向移动而形成电流。碳纤维和钢纤维主要是通过相互联接,在混凝土内部搭建导电网格, 为导电离子的定向移动提供通道, 而石墨主要是作为分散相分散在混凝土内部,容易受到水泥颗粒、细骨料和水化产物的阻隔而形成势垒,随着石墨颗粒之间间距的减小,在外界能量作用下电子发生跃迁, 势垒被打破, 从而实现导电。相比于电子跃迁,导电通道的形成为自由离子的定向移动提供了很好的渠道, 因而混凝土导电性能改善程度较大。然而,三种导电材料中钢纤维本身的导电能力最差,极大地削弱了混凝土的导电能力,因此相比于石墨,钢纤维对导电能力的影响程度较小。
5结论
(1)抗压强度随碳纤维掺量的增大表现出先增大后减小的变化趋势,当掺量为0.4%时,抗压强度最大;碳纤维掺量越大,混凝土电阻率越小,导电性能越好;当碳纤维掺量大于0.8%时,电阻率趋于稳定,综合确定碳纤维掺量为0.4%;混凝土电阻率与碳纤维掺量之间呈现很好的对数规律变化; 随着养护龄期的延长, 电阻率逐渐增大, 导电性能逐渐下降,当龄期超过21d后,导电性能趋于稳定。
(2)石墨目数越大 ,混凝土强度越低 ,电阻率越小,当目数为400目和600目时电阻率相差不大;随着石墨掺量的增大, 混凝土抗压强度和电阻率逐渐减小,当石墨掺量超过8%时,混凝土导电性能趋于稳定。
导电混凝土的研究与应用 篇4
关键词：导电混凝土,电阻率,石墨,碳纤维混凝土,钢纤维混凝土,导电介质,导电性能
混凝土因其优良的物理力学性能在土木工程领域得到了广泛的应用, 是目前用量最大的一种建筑材料。普通混凝土的电阻率高, 电阻率一般在106~109Ω·cm范围内。属电的不良导体。对于交流电来讲, 干燥的混凝土是良好的绝缘体, 其电阻率约为1013Ω·cm[1]。但随着混凝土中水分的增加, 混凝土的电阻率降低。由于混凝土中水泥水化后有很多离子性的物质 (电解质) 溶解于水中, 这些溶解盐也可以充当电介质, 并通过毛细管互相连接, 因此混凝土随着水分的增加, 其导电性能也增加。当完全饱和时, 混凝土的电阻率可降至102~103Ω·cm[2]。所以普通混凝土是一种介于绝缘体和导体之间的材料。
如果在普通混凝土中添加一定量的导电组分材料, 可使其导电性能大大改善, 从而形成具有较好导电性能的导电体。导电混凝土既有结构材料的特点, 又具有导电性。这不仅使混凝土作为一种结构材料使用, 以及在电工、电磁干扰屏蔽、工业防静电、电力设备接地工程、电加热器、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。
1 导电混凝土的导电机理
导电混凝土是指由胶凝材料、骨料、导电组分材料和水等按一定配合比组成的多复合材料, 是在普通混凝土中掺入适量导电组分材料而形成的一种水泥基功能复合材料。其中导电组分作为分散相, 导电性能好;混凝土或水泥作为基体相, 导电性能差。导电混凝土的导电一个方面是由分散在基体中的导电组分材料形成网络, 并通过隧道效应连同网络间的绝缘而传导, 另一方面是通过水泥石传导。对于前者, 如碳纤维、石墨粉及钢纤维为电子导电, 电流通过彼此搭接或接触形成的导电网络进行传导。同时, 导电颗粒或纤维分散在水泥集体中, 受绝缘的水泥基体阻隔, 形成壁垒。当间隔距离减小, 使水泥基体形成的势垒足够小, 或电子从外界或得充足的能量时, 就会越过势垒, 从一个导电体越到另一个导电体, 从而形成导电[3]。对于后者, 及水泥石的导电, whittington[4]等人认为可分为两部分:一部分是通过可自由蒸发的水离子进行导电。另一部分是通过胶凝、胶凝水以及未反应的水泥颗粒的电子导电, 主要是铁、铝、钙的化合物。
2 常用的导电组分材料
导电混凝土既可以作为结构混凝土使用, 也可以和常规混凝土混合使用。导电混凝土比常混凝土轻, 其质量是常规混凝土的70%, 而且导电混凝土的热稳定性一点也不比常规混凝土逊色;导电混凝土的制造过程只需要传统的混合和浇筑设备即可, 且其用法和常规混凝土基本类似。
导电混凝土主要是依靠导电材料的相互接触进行导电的。目前可以作为导电混凝土骨料的材料, 主要是碳质材料。碳质材料的骨料主要有石墨骨料、炭黑、碳质轻骨料、碳纤维等。
2.1 石墨材料
石墨是一种可行的导电材料, 也是应用最早的导电骨料, 它具有强度不较高、导电性能比较好等特点。但是, 石墨要制成一定粒度的骨料, 在目前技术上有一定难度, 配置的导电混凝土电阻不够, 再加上其价格较高, 在应用上受到很大限制。
2.2 炭黑材料
炭黑是以含碳原料 (主要为石油) 经不完全燃烧而产生的微细粉末。外观为纯黑色的细粒或粉状物。颜色的深浅, 粒子的细度, 密度的大小, 均随所用原料和制造方法的不同而有差异。炭黑不溶于水、酸、碱;能在空气中燃烧变成二氧化碳。炭黑的主要组成物是碳元素, 还含有少量的氢、氧、硫、灰分、焦油和水分[5]。
炭黑的种类和用途很多, 用于导电混凝土的炭黑主要有导电炭黑、超导电炭黑等。炭黑虽然在价格上比石墨低廉, 但在成粒上也有很大难度, 存在着与水泥浆体粘结性差等缺点, 也不利于在导电混凝土中应用。
2.3 碳质轻骨料
碳质轻骨料是英国Marconi通信系统公司研制成功的一种碳质骨料, 也是一种导电性能较好的骨料, 我国在此基础上已有所改进。这种导电骨料具有电阻率小、质量轻、价格低、杂质少等优点, 其压实堆积密度为960kg/m3, 松散堆积密度为800kg/m3, 其p H值一般为7.1左右[6]。
这种骨料不仅克服了石墨材料严重不足, 而且其价格较低。实验证明, 这种材料的吸水率虽然比较大, 在饱和面干状态 (含水率0.2%) 时的吸水率可达到15%, 但是瞬时性的, 且吸水膨胀性很小。在掌握这一特性后, 有利于在设计配合比和施工工程中更容易控制水灰比。但是, 与水泥浆体的粘结性较低, 虽然不如普通砂石, 但要比石墨和炭黑高。
2.4 碳纤维材料
碳纤维是一种导电性材料, 不仅可以代替普通混凝土中的细骨料, 而且又可以作为一种增强材料。在混凝土中加入碳纤维后, 不仅不会像其他碳质骨料一样, 对导电混凝土强度有不利的影响, 反而还可以提高导电混凝土的强度, 特别是对混凝土的抗弯强度提高更为显著[7], 更重要的是其体积电阻率随着外界应力的改变而改变。因此, 其混凝土结构直接可以作为一个良好的传感器而被广泛应用。
2.5 金属材料
金属的电阻率和各种电解质相比是极低的, 如铜的电解率仅为1.7×10-8Ω·cm、铁的电阻率为9.7×10-8Ω·cm等。由此看来, 在水泥混凝土拌和物中掺入研磨、切削或刮下来的少量屑粉、球粉或粒状金属, 比较适合配制成导电混凝土。
对于大多数的导电材料来说, 一般不能直接用于制作导电混凝土, 必须首先对这些材料进行必要的加工处理, 制作成一定的粒度、形状和级配, 才能作为导电骨料用于混凝土。在导电混凝土中, 除碳纤维导电混凝土外, 其他碳质材料对混凝土强度均有不力影响。目前, 大多数导电混凝土是用碳质轻骨料作粗骨料, 用碳纤维作为细骨料, 碳质轻骨料的最大粒径不应大于20mm。
3 导电混凝土的主要性能指标
(1) 强度。
导电混凝土的力学性能通常以抗压强度来表征。导电混凝土的抗压强度仍按普通混凝土抗压试验方法测得。影响导电混凝土强度的因素很多, 与普通混凝土不同的是, 导电相材料本身的机械强度、粒度、形状、级配和掺量对混凝土的强度影响较大。尤其是碳质导电相材料, 由于其自身的强度性能较差, 它在混凝土中所占的质量百分率对导电混凝土的强度起决定作用[8]。
(2) 导电性。
导电混凝土或是在电场下工作, 或是作为输导电流的导电材料, 因此导电性是衡量导电混凝土性能的主要物理参数。它应具有给定的数值, 并且在一定的时间、允许荷载和温度范围内保持其稳定性。衡量导电性的指标一般为电阻率。导电混凝土的电阻率视其用途而异, 一般可变化在10-3~102Ω·m。
(3) 电阻率的稳定性。
电阻率的稳定性是导电混凝土作为导电材料基本的要求。稳定性的要求主要为:随使用时间的延长、环境温度和温度的变化, 导电混凝土的电阻率应保持相对稳定;导电混凝土在通电过程中, 通电时间、通电次数以及一定范围内的电压高低等对电阻应没有明显的影响。只有保持稳定的电阻率, 其导电过程才具有可控性。
4 存在的问题
对颗粒状、粉末状的石墨粉、碳粉、焦炭及钢屑等导电材料, 由于其长径比小, 当掺量较小时, 导电材料难以相互接触, 不能形成良好的导电网络, 顾其导电性能差;当掺量较大时, 一反面由于炭黑、焦炭等本身强度较低, 另一方面由于导电材料的吸水性, 将加大混凝土拌和的需水量, 是混凝土的强度大幅降低, 难以满足土木工程对力学性能的要求[9]。对碳纤维, 虽然掺量较低时可以形成导电网络, 但由于纤维搭接面较小, 因此其导电性能较低。当掺量较大时, 将使纤维在搅拌是结团成束, 难以分散。在成型时易引入大量的气泡, 降低混凝土强度。而对于钢纤维, 其粒径较粗, 当纤维产量较低时, 难以形成相互搭接的导电网络, 导电性能差。但纤维掺量过高时, 混凝土工作性又差, 采用常规施工较为困难。因此, 目前研究的导电混凝土难以较好的兼顾导电性能和力学性能的要求。
5 结语
导电混凝土是一种新型的特种功能混凝土, 其电阻率取决于导电材料的种类、性能与掺量, 具备热和电的感知和转换能力, 是一种“智能”型材料。导电混凝土具有材料来源广泛、制备简单、经济等特性。随着科学技术的发展, 今后在结构工程、电工工程以及家庭取暖等领域将会被广泛应用。
参考文献
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[3]张跃, 职任涛, 朱逢吾等, 碳纤维 (LCF) -无宏观缺陷 (MDF) 水泥基复合材料电学性能的研究[J].材料科学进展, 1992, 6 (4) :357～362.
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