集料掺量对融雪化冰用碳纤维导电混凝土性能的影响
2006-04-26 00:00
摘要：讨论了将用于路面融雪化冰的碳纤维导电混凝土在制作过程中石子的选择问题。提出了在
制作发热用导电混凝土铺层时，掺人石子应遵循的3个基本原则：石子的掺量不能太多；不能和标准的混凝土一样，采取合理的级配；掺入的碎石粒径不能太大。分析了集料用量对融雪化冰用碳纤维导电混凝土导电性能、抗压强度和抗折强度的影响。
关键词：融雪化冰；碳纤维；导电混凝土；电阻率
中图法分类号：TU31
在标准的混凝土中，骨料一般要占到混凝土总体积的3／4左右。由于其价格比水泥低廉，且来源丰富，作为混凝土的填充材料能明显降低普通混凝土的成本。另外，骨料的性能、用量及配合比对混凝土拌和物的和易性、硬化后混凝土的强度、耐久性等都有不同程度的影响。
对于普通的碳纤维水泥基复合材料，在进行研究的时候，一般都没有考虑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。所以对于石子的加人，相关的文献关注得较少。文中根据融雪化冰用碳纤维导电混凝土的实际情况，分析了石子的掺人原则，讨论了不同的集料用量对融雪化冰用碳纤维导电混凝土导电性能、抗压强度和抗折强度的影响[1-3 ]。
1 石子的掺入原则
对于融雪化冰用的碳纤维导电混凝土，除了要满足一般混凝土的技术要求外，还要求具有良好的导电性。在具体应用中，导电混凝土将以铺层的形式覆盖在旧的混凝土层上，其较佳的厚度在40～50 mm 之间，所以制作的混凝土板试样都是40 mm 厚。很显然，对于厚度仅为40 mm 的导电混凝土铺层，采用粒径太大的石子是不合适的。从一般混凝土的角度来看，石子之间相互接触(如图1)会在一定程度上提高其抗压强度。但石子的导电性能很差，基本上可以看作是不导电的，即使加人再多的碳纤维，导电通路也会被粗骨料截断，其导电性能不会很好。只有在混凝土中使粗骨料之间保持一定的距离，如图2所示，才能保证在基体中形成很多的导电通路，这样导电性能才能更好。
根据图2基于导电通路的渗流模型，本文认为在制作工程实际中发热用导电混凝土时，石子
的掺人应遵循以下三个原则。(1)石子的掺量不能太多，因为石子太多，将使碳纤维在基体中的含量更高，造成基体强度下降，从而影响整个导电混凝土的强度；(2)不能和标准的混凝土一样，采用合理的级配，这样很容易将导电通路截断；(3)不能采用粒径太大的碎石，一般不能采用卵石，否则很容易造成发热的不均匀性。总的来说，制作工程实际中发热用导电混凝土，将比一般的混凝土更复杂。
对于40 mm 厚的导电昆凝土铺层而言，最好使石子的平均粒径小于15 mm，这样可以保证在厚度方向上两颗石子叠加也不能将电流通路截断。文中采用最大粒径为15 mm，最小粒径5 mm，
2 配合比对导电混凝土性能的影响
关于标准混凝土的配合比设计，有标准的计算公式或相应的手册可以参考。但由于制造的碳纤维混凝土是一种新型的混凝土，其水灰比、砂率等都没有相应的标准，而且这些参数的变化将会影响所制作出的导电混凝土的性能。对于水灰比，Farhad Reza[5] 通过实验发现，在一定范围内的变化对碳纤维水泥基复合材料电阻率的影响不是很明显。而在碳纤维含量和水灰比都不变的情况下，随着砂灰比(砂子与水泥之重量比)从1变化到1。8的过程中，复合材料的电阻率增大了一倍多。在加入碳纤维较多的情况下，一般要达到0。55～0。58才能保证混凝土的搅拌，所以文中对水灰比未加以详细讨论，主要讨论了砂灰比和石灰比的变化对材料性能的影响。
m(水泥):m (砂子)：m (石子)分别为1：2：1，1：1：2，1：2：2，与为1：1：1时的情
况进行了对比。对比是在碳纤维体积含量相同的情况下完成的。所有重量比的导电混凝土的碳纤维体积含量都是0。73 %，同时采用内掺法加入了2O% 的硅灰。这是通过大量实验得到的融雪化冰用碳纤维导电混凝土的渗滤阈值。
2。1 碳纤维体积含量的确定
要精确确定碳纤维体积含量是非常困难的。原因之一是采用的水泥、砂子、石子的重量比与一般标准混凝土相比是不一样的，用该重量比制成的素混凝土的密度不能采用一般的参考资料或手册上的数据；之二是加入碳纤维的混凝土的孔隙量大大增加。所以采用的是实验加推算的方法：当加入的水泥重量为W1 时，m (水泥)：m(砂子)：m(石子)为1：1：1的素混凝土的体积 可由实验测得。假设现在要做的碳纤维混凝土(水泥、砂子、石子之重量比同样也是1：1：1)中加入的水泥重量为W2，而加入的碳纤维的重量为Wf，密度为Pf (该值一般由厂家给出)，则此种碳纤维混凝土的碳纤维体积含量 Vf可由公式(1)求得。
经过同样的步骤可以求出水泥、砂子、石子之重量比为其他比值时的碳纤维体积含量。
2。2 重量比对碳纤维导电混凝土性能的影响
表1为不同的重量比对碳纤维导电混凝土导电性能、抗压强度和抗折强度的影响。电阻率、抗压强度和抗折强度测试是在28 d养护后完成的。上述4个不同重量比的试样制作是在同1 d内完成的，养护条件也是一致的，因此具有可比性。
电阻率的测试采用两电极法用标准的万用表测得，试样尺寸为160 mm×130 mm×40 mm，每组3个试样。测抗压强度的试样尺寸为40 mm的立方体，每组6个试样，其测试是在一般的万能材料试验机上完成的。抗折强度测试是采用3点弯曲试样完成的，试样尺寸为l60 mm×40 mm×40mm ，每组6个试样。
从电阻率上来看，对于1；1：2的重量比，其电阻率要比其他3种低，即适当增加石子的比例，可使导电性出现一定的增强。这是因为在碳纤维体积含量相同的前提条件下，将有更多的碳纤维分布在水泥和砂子组成的基体里，使得基体的导电性出现了较大幅度地增强。此时的导电混凝土的导电就可以看作是相当于两个电阻的并联模型，当一个电阻基本不变，另一个电阻变小时，最终的电阻会变小。所以最终加上石子后得到的综合结果是导电性出现一定的增强。而对于砂子比例较大的两种情况，电阻率都出现了较大的增加。这是因为砂子比例的增大，影响了碳纤维之问的相互接触，此时沿碳纤维网格传导的电流将大幅度减少。关于这方面的具体原因，可以从碳纤维导电混凝土的导电机理进行解释 j。碳纤维混凝土中电流传导主要通过以下几条导电通道进行。(1)水泥石液相水中的离子和铁、铝、钙等化合物中的电子在水泥石内进行传导；(2)电子和带电空穴沿彼此搭接的碳纤维网格进行传导；(3)电子和带电空穴通过隧道效应越过碳纤维之间的基体阻隔而传导。当纤维含量在渗滤阈值附近且试样在干燥的情况下，纤维问彼此搭接形成良好的导电网格，电流主要沿碳纤维网格进行传导，离子导电和隧道效应的作用将很弱。只要稍微减少碳纤维网格的数量，将较大幅度地影响整个碳纤维导电混凝土的导电性能。
从抗折强度和抗压强度来看，随着砂子、石子重量比的增加，强度值都出现了不同程度的下降(只有1：1：2的抗折强度增大了2。1% )。这是因为在碳纤维体积含量相同的前提条件下，随着砂子、石子重量比的增加，在相同的体积内所含水泥量减少，同时越来越多的碳纤维将分布在水泥和砂子组成的基体内，使基体内的碳纤维含量实际上越来越大，基体内的孔洞越来越多，相应地造成所制作出的混凝土的强度出现了一定程度的下降。特别是对于重量比为1：2：2的导电混凝土，抗折强度和抗压强度都出现了较大幅度地下降。综合考虑以上的几种情况可以发现，对于重量比为1：1：2的导电混凝土，除了其电阻率最低之外，其抗折强度是最高的，而抗压强度只出现了较小幅度的下降。因此1：1：2的导电混凝土的综合性能是最好的。
3 结 论
在制作融雪化冰用碳纤维导电混凝土时，适当掺人粗集料是可以的，但必须遵循文中提出的3个原则。根据本文的实验研究，对于 m(水泥)：m(砂子)：m (石子)为1：1：2的碳纤维导电混凝土，除了其电阻率最低之外，其抗折强度是最高的，而抗压强度只出现了较小幅度的下降。因此1：1：2的导电混凝土的综合性能是最好的。对于更细分的配合比问题还有待进一步的研究。
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