碳纤维混凝土掺入硅灰的电阻率及强度探析论文
碳纤维混凝土掺入硅灰的电阻率及强度探析论文
摘要：通过在碳纤维混凝土中加入硅灰， 研究了硅灰对碳纤维混凝土抗压强度、抗折强度和劈裂强度的影响规律， 同时研究了硅灰对碳纤维混凝土电阻率的影响作用。结果表明：碳纤维混凝土相对素混凝土， 抗压强度降低了5.9%, 抗折强度提高了25.8%, 劈裂强度增加了了21.1%;加入硅灰后， 碳纤维混凝土抗压强度、抗折强度和劈裂强度都有所增加；10%硅灰掺量时， 抗压强度增加了39%, 抗折强度提高了40.6%, 劈裂强度提高了34.3%.加入硅灰后碳纤维混凝土电阻率也明显降低， 3 d时两者电阻率降低了8.6Ω， 随着时间的推移， 差值越来越小。说明硅灰对碳纤维混凝土的电阻率也有明显作用， 进一步证明了加入硅灰可以有效提高碳纤维在混凝土中的分散性。
关键词：硅灰； 碳纤维混凝土； 强度； 电阻率；
水泥混凝土是目前应用最为广泛的建筑材料， 但是由于各组成材料都是非导电介质， 所以水泥混凝土其本身是一种电绝缘材料[1,2].碳纤维混凝土就是在普通混凝土中加入短切碳纤维而形成的新型复合材料。由于碳纤维是由碳元素组成的一种新型材料， 具有比重小、强度高等特性[3-8], 可以用于桥梁加固、混凝土材料增加韧性的地方。同时， 可以利用碳纤维材料的导电性， 将短切碳纤维加入混凝土中制成碳纤维混凝土， 使碳纤维混凝土具有导电发热性能， 利用其导电发热性能可应用于道路、机场的融雪化冰， 具有广泛的应用前景。
目前最常见的碳纤维有沥青基和PAN基两种， PAN基由于生产工艺简单， 价格低， 切制短切碳纤维工艺简单， 分散性好、导电性能佳等优点， 从而被广泛应用。加入了短切碳纤维组成的碳纤维混凝土可以提高混凝土的抗折强度和抗裂性能， 但是抗压性能反而出现一定程度的降低[9].
碳纤维混凝土的导电性由混凝土的性能、纤维的性能、纤维的掺量、纤维的分散性等因素共同决定， 碳纤维混凝土发热量的性能可以直接由导电性反应， 而导电性则可以通过电阻率来表示， 所以电阻率反应了碳纤维混凝土导电的性能。碳纤维混凝土的强度由混凝土的性能、碳纤维的性能等共同决定， 碳纤维在其中可以起到增加抗拉强度的作用， 但是碳纤维混凝土中加入硅灰后， 硅灰对碳纤维混凝土的增强作用主要有二次水化和填充作用。
本文通过在碳纤维混凝土中加入硅灰， 研究了硅灰对碳纤维混凝土电阻率及强度的影响作用。应用湿拌法制作碳纤维导电混凝土， 采用两电极法测试碳纤维混凝土的电阻率[10-14].首先测试硅灰对碳纤维混凝土抗压强度和抗折强度的影响， 随后测试了硅灰对碳纤维混凝土电阻率和发热性能的影响规律。
1 实验部分
1.1 原材料和主要测量仪器
水泥：海螺牌PO32.5普通硅酸盐水泥， 陕西礼泉海螺水泥有限责任公司；
砂：砂为河砂， 中砂， 细度模数为2.7, 陕西五华县浮湖河砂有限公司；
碎石：碎石为5~20 mm碎石， 陕西省骊山石料厂；
PAN基pu涂层短切碳纤维：图灵科技碳纤维有限责任公司， 主要技术指标见表1.
表1 短切碳纤维主要技术指标Table 1 Chopped carbon fiber main technical indicators
甲基纤维素：天津市福晨化学试剂厂；
磷酸三丁酯：天津市亚泰联合化工有限公司；
德力西TDGC2-3单相接触调压器， 浙江省德力西电气有限公司；
希玛AT380型红外线测温仪， 广东省东莞市万创电子制品有限公司；
优利德UT890C型万用表， 广东省东莞市优利德科技有限公司；
聚羧酸高效减水剂：山东省莱阳市宏祥建筑外加剂厂；
WDW-100E型万能实验机：济南试金集团有限公司；
TSY-2000B型压力机：浙江路达机械仪器有限公司。
1.2 试件制作工艺
碳纤维混凝土的配合比为水泥∶砂∶石∶水=420∶556∶1 270∶180, 聚羧酸高效减水剂掺量2.0%, 碳纤维掺量为水泥质量1.5% （根据硅灰掺量的不同单位用水量响应变化） .为保证碳纤维混凝土的工作性、强度及碳纤维分散的均匀性， 首先将分散剂、消泡剂、碳纤维分散在水中 （60℃热水） , 然后加入水泥、硅灰搅拌均匀， 用混凝土搅拌器反复搅拌越7 min, 最后加入砂、碎石充分搅拌均匀， 注入水泥混凝土抗压、抗折试模中 （安置好电极） , 成型后脱模， 碳纤维混凝土抗压和劈裂试块体积为150 mm×150 mm×150 mm, 抗折试块体积为150mm×150 mm×550 mm, 测定电阻率和发热量的试块采用抗折试块， 电极采用内埋50 mm×50 mm铜网。放入标准养护箱养护， 随后测定强度和电阻率， 根据相关规范要求和实验需要， 以抗压强度、劈裂强度、抗折强度作为强度测定指标， 每组试件为3个， 取三个试件的平均值作为代表值， 抗折强度测定如图1所示。
图1 抗折强度测定Fig.1 Bending strength determination
2 实验结果与分析
2.1 硅灰掺量对强度的影响
抗压强度和抗折强度是水泥混凝土最重要的检测指标， 由于硅灰的微骨料效应、火山灰效应， 硅灰对水泥混凝土的工作性、强度等影响非常大。按照1.2的试件制作工艺， 分别制作素混凝土、碳纤维混凝土、10%硅灰掺量和20%硅灰掺量的碳纤维混凝土。
2.1.1 抗压强度影响规律
按照上述实验方案测定抗压强度， 具体实验数据见表2.
表2 28 d抗压强度对比Table 2 Compressive strength comparison after 28 d
由表2可以看出， 对于素混凝土， 参加了碳纤维的混凝土28 d抗压强度不仅没有增加， 反而从30.4 MPa降低到28.6 MPa, 降低了5.9%, 主要原因是由于碳纤维的掺入， 引入了较多的气泡， 虽然加入了分散剂和消泡剂， 碳纤维仍然难于完全分散， 必然有碳纤维凝聚成堆， 在这双重作用下， 碳纤维混凝土抗压强度就必然低于素混凝土的抗压强度。在掺入10%硅灰后， 碳纤维混凝土的抗压强度有了大幅度的提高， 比素混凝土强度提高了9.4 MPa, 提高了约31%, 比碳纤维混凝土强度提高了约39%.说明硅灰的作用非常明显。分析认为硅灰对碳纤维混凝土提高的原因主要有两点：
（1） 微骨料效应和火山灰效应， 硅灰颗粒极细， 可以填充混凝土中的空隙， 同时硅灰可以和水泥水化产物继续反应， 生产水化硅酸钙；
（2） 同时， 硅灰在碳纤维混凝土中还可以起到提高碳纤维分散性的作用， 由于硅灰都是圆形颗粒， 形态效应可以提高碳纤维的分散性。
在这两个原因的综合影响下， 掺加硅灰的碳纤维混凝土强度得到极大的提高。当硅灰掺量为20%时， 强度相对于10%硅灰掺量有所降低， 原因是由于硅灰掺量过多， 硅灰的比表面积太大， 虽然添加了高效减水剂， 但是过多的硅灰对碳纤维混凝土的工作性产生了较大的影响， 这从实验过程中拌合的碳纤维混凝土也可以观察出来。
2.1.2 抗折强度影响规律
按照上述实验方案测定抗折强度， 具体实验数据见表3.
表3 28 d抗折强度对比Table 3 Flexural strength comparison after 28 d
由表3可以观察出， 和素混凝土相比较， 碳纤维混凝土的抗折强度有了较大提高， 从4.14 MPa增加到5.21 MPa, 抗折强度提高了25.8%;在参加10%硅灰后， 碳纤维混凝土的抗折强度有提高了0.61MPa, 相比较素混凝土抗折强度提高了1.68 MPa, 提高了40.6%, 也可以说明硅灰可以提高碳纤维在混凝土中的分散性， 在掺加20%硅灰后抗折强度还有所提高， 但是提高的幅度已经大大减小， 只提高了0.14 MPa, 原因和抗压强度一样， 是由于加了过量的硅灰， 碳纤维混凝土的工作性变差引起的。
2.1.3 劈裂强度影响规律
按照上述实验方案测定劈裂强度， 具体实验数据见表4.
表4 28 d劈裂强度对比/Mpa Table 4 Splitting strength comparison after 28 d
由表4可以观察出， 和素混凝土相比较， 碳纤维混凝土的劈裂强度有了较大提高， 从2.42 MPa增加到2.93 MPa, 劈裂强度提高了21.1%;在参加10%硅灰后， 碳纤维混凝土的劈裂强度又提高了0.32MPa, 相比较素混凝土抗折强度提高了0.83 MPa, 提高了34.3%, 也证明了硅灰可以提高碳纤维在混凝土中的分散性， 在掺加20%硅灰后劈裂强度有所降低， 相比掺10%硅灰的碳纤维混凝土， 劈裂强度降低了0.28 MPa, 原因和是由于加了过量的硅灰， 碳纤维混凝土的工作性变差， 混凝土试件不能完全密实， 从而造成劈裂强度降低。
由以上三个强度实验可以看出， 水泥混凝土中加入碳纤维可以改善混凝土的力学性能， 在加入硅灰后， 混凝土的各项强度指标又有所提高， 特别是劈裂强度和抗折强度提高明显。这是由于加入硅灰后可以提高碳纤维在混凝土中的分散性， 增加了碳纤维的阻裂效应， 当混凝土出现裂缝时， 碳纤维可以有效缓解裂缝的应力作用， 同时还可以将应力传递给未开裂混凝土， 使混凝土的整体性大大增加， 因此随着碳纤维和硅灰的增加， 混凝土的"力学性能就随着增加。但是当硅灰含量增加太大时， 强度又会降低， 这是由于硅灰比表面积太大， 加入过量的硅灰， 需水量太大， 导致混凝土干涩， 流动性变差， 混凝土已经无法有效成型， 从而测定的各种强度反而变小。
2.2 硅灰掺量对电阻率的影响
由强度实验结果可知， 硅灰掺量为10%时， 对碳纤维混凝土的作用较好， 无论是相对于普通混凝土还是普通碳纤维混凝土， 抗压强度、抗折强度和劈裂强度都有不同程度的增加。当硅灰掺量达到20%时， 由于硅灰掺量过多， 虽然增加了部分用水量， 但是还是对碳纤维混凝土的工作性造成了不良影响， 从而使碳纤维混凝土无法密实成型， 碳纤维无法分散均匀， 从而使各种强度反而降低。根据强度实验规律， 分别制作10%硅灰掺量和20%硅灰掺量的碳纤维混凝土试件， 测定其电阻率， 以分析碳碳纤维混凝土的导电性能。
2.2.1 10%硅灰掺量碳纤维混凝土电阻率测定
按照1.2试件制作工艺， 制作10%硅灰掺量碳纤维混凝土试件， 测定电阻率， 具体实验结果如图2所示。
图2 10%硅灰对电阻率的影响Fig.2 Effect of 10%silica fume on resistivity
由图2可以观察出， 无论是碳纤维混凝土还是加入了硅灰的碳纤维混凝土， 随着时间的推移， 电阻率都会逐渐降低；普通碳纤维混凝土电阻率第3天到第6 d电阻率从31.7Ω降低到26.8Ω， 降低了4.9Ω， 而从第6 d到第9 d降低了2.6Ω， 说明随着龄期的增加， 不仅电阻率逐渐降低， 同时降低速率也在逐渐缩小。普通碳纤维和添加了硅灰的碳纤维混凝土相比较， 掺加了硅灰的碳纤维混凝土电阻率明显低于普通碳纤维混凝土， 特别是在3 d时， 两者相差8.6Ω， 随着时间的推移， 差值越来越小。分析认为， 碳纤维导电混凝土的导电形式主要有混凝土内部的离子导电和碳纤维组成的纤维网络导电， 当碳纤维混凝土龄期较短时， 碳纤维混凝土的导电主要由以上两种导电形式共同作用， 随着龄期的增加， 碳纤维混凝土中水分的不断损失与蒸发， 碳纤维混凝土的导电形式则主要由碳纤维混凝土网络导电。在碳纤维混凝土中加入硅灰可以使碳纤维在混凝土中的分散性增加， 促进了碳纤维网络的形成， 从而可以有效降低碳纤维混凝土的电阻率。
2.2.2 20%硅灰掺量碳纤维混凝土电阻率测定
按照1.2试件制作工艺， 制作20%硅灰掺量碳纤维混凝土试件， 测定电阻率， 具体实验结果如图3所示。
图3 20%硅灰对电阻率的影响Fig.3 Effect of 20%silica fume on resistivity
由图3可以看出， 掺20%硅灰后， 碳纤维导电混凝土的电阻率只有早期有所下降， 其他龄期几乎成一条直线， 电阻率没有明显的变化， 这和普通碳纤维混凝土、10%硅灰掺量的碳纤维混凝土有明显的区别， 没有随着龄期的增加电阻率降低， 而电阻率几乎成一恒定值。分析认为， 20%硅灰掺量已经严重影响到碳纤维混凝土的和易性， 由于硅灰的比表面积太大， 虽然增加了相应的水量和高效减水剂， 但是相对的用水量还是太少， 碳纤维在混凝土中的分散性已经降低， 从而电阻率不会随着龄期的增加而变化。
3 结论
通过在碳纤维混凝土中加入硅灰， 研究了硅灰对碳纤维混凝土抗压强度和抗折强度的影响， 发现硅灰对碳纤维混凝土抗压强度、抗折强度和劈裂强度都有明显的作用， 进一步研究了硅灰对碳纤维混凝土电阻率的影响， 所得的主要结论如下：
（1） 加入10%硅灰后， 碳纤维混凝抗压强度提高了39%, 加入20%硅灰后， 碳纤维混凝土抗压强度反而下降， 说明20%硅灰掺量过多， 已经影响了碳纤维混凝抗压强度。
（2） 碳纤维混凝土抗折强度比素混凝土抗折强度提高了25.8%, 加入10%硅灰后， 碳纤维混凝土抗折有提高了11.7%, 进一步说明硅灰对碳纤维混凝土强度的增强作用。
（3） 加入10%硅灰后， 碳纤维混凝土电阻率比普通碳纤维混凝土电阻率降低， 且随着时间的增加， 电阻率不断降低， 大约在24 d后， 电阻率基本稳定。说明硅灰对碳纤维的分散性有明显的作用。加入20%硅灰后， 碳纤维不能有效分散， 使得碳纤维混凝土电阻率值比普通碳纤维混凝土的电阻率大， 且随着时间的推移， 电阻率几乎不变。
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