集料摻量對(duì)融雪化冰用碳纖維導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電混凝土鋪層時(shí)，摻人石子應(yīng)遵循的3個(gè)基本原則：石子的摻量不能太多；不能和標(biāo)準(zhǔn)的混凝土一樣，采取合理的級(jí)配；摻入的碎石粒徑不能太大。分析了集料用量對(duì)融雪化冰用碳纖維導(dǎo)電混凝土導(dǎo)電性能、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響。
關(guān)鍵詞：融雪化冰；碳纖維；導(dǎo)電混凝土；電阻率
中圖法分類號(hào)：TU31
在標(biāo)準(zhǔn)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(jià)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(duì)混凝土拌和物的和易性、硬化后混凝土的強(qiáng)度、耐久性等都有不同程度的影響。
對(duì)于普通的碳纖維水泥基復(fù)合材料，在進(jìn)行研究的時(shí)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(duì)于石子的加人，相關(guān)的文獻(xiàn)關(guān)注得較少。文中根據(jù)融雪化冰用碳纖維導(dǎo)電混凝土的實(shí)際情況，分析了石子的摻人原則，討論了不同的集料用量對(duì)融雪化冰用碳纖維導(dǎo)電混凝土導(dǎo)電性能、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響[1-3 ]。
1 石子的摻入原則
對(duì)于融雪化冰用的碳纖維導(dǎo)電混凝土，除了要滿足一般混凝土的技術(shù)要求外，還要求具有良好的導(dǎo)電性。在具體應(yīng)用中，導(dǎo)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(duì)于厚度僅為40 mm 的導(dǎo)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(huì)在一定程度上提高其抗壓強(qiáng)度。但石子的導(dǎo)電性能很差，基本上可以看作是不導(dǎo)電的，即使加人再多的碳纖維，導(dǎo)電通路也會(huì)被粗骨料截?cái)?，其?dǎo)電性能不會(huì)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(dǎo)電通路，這樣導(dǎo)電性能才能更好。
根據(jù)圖2基于導(dǎo)電通路的滲流模型，本文認(rèn)為在制作工程實(shí)際中發(fā)熱用導(dǎo)電混凝土?xí)r，石子
的摻人應(yīng)遵循以下三個(gè)原則。(1)石子的摻量不能太多，因?yàn)槭犹?，將使碳纖維在基體中的含量更高，造成基體強(qiáng)度下降，從而影響整個(gè)導(dǎo)電混凝土的強(qiáng)度；(2)不能和標(biāo)準(zhǔn)的混凝土一樣，采用合理的級(jí)配，這樣很容易將導(dǎo)電通路截?cái)啵?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(shí)際中發(fā)熱用導(dǎo)電混凝土，將比一般的混凝土更復(fù)雜。
對(duì)于40 mm 厚的導(dǎo)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?cái)?。文中采用最大粒徑?5 mm，最小粒徑5 mm，
2 配合比對(duì)導(dǎo)電混凝土性能的影響
關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)混凝土的配合比設(shè)計(jì)，有標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算公式或相應(yīng)的手冊(cè)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(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，而且這些參數(shù)的變化將會(huì)影響所制作出的導(dǎo)電混凝土的性能。對(duì)于水灰比，F(xiàn)arhad Reza[5] 通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)的變化對(duì)碳纖維水泥基復(fù)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(fù)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(dá)到0。55～0。58才能保證混凝土的攪拌，所以文中對(duì)水灰比未加以詳細(xì)討論，主要討論了砂灰比和石灰比的變化對(duì)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(shí)的情
況進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)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(dǎo)電混凝土的碳纖維體積含量都是0。73 %，同時(shí)采用內(nèi)摻法加入了2O% 的硅灰。這是通過大量實(shí)驗(yàn)得到的融雪化冰用碳纖維導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)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(shí)驗(yàn)加推算的方法：當(dāng)加入的水泥重量為W1 時(shí)，m (水泥)：m(砂子)：m(石子)為1：1：1的素混凝土的體積 可由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。假設(shè)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(shí)的碳纖維體積含量。
2。2 重量比對(duì)碳纖維導(dǎo)電混凝土性能的影響
表1為不同的重量比對(duì)碳纖維導(dǎo)電混凝土導(dǎo)電性能、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響。電阻率、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)試是在28 d養(yǎng)護(hù)后完成的。上述4個(gè)不同重量比的試樣制作是在同1 d內(nèi)完成的，養(yǎng)護(hù)條件也是一致的，因此具有可比性。
電阻率的測(cè)試采用兩電極法用標(biāo)準(zhǔn)的萬用表測(cè)得，試樣尺寸為160 mm×130 mm×40 mm，每組3個(gè)試樣。測(cè)抗壓強(qiáng)度的試樣尺寸為40 mm的立方體，每組6個(gè)試樣，其測(cè)試是在一般的萬能材料試驗(yàn)機(jī)上完成的?？拐蹚?qiáng)度測(cè)試是采用3點(diǎn)彎曲試樣完成的，試樣尺寸為l60 mm×40 mm×40mm ，每組6個(gè)試樣。
從電阻率上來看，對(duì)于1；1：2的重量比，其電阻率要比其他3種低，即適當(dāng)增加石子的比例，可使導(dǎo)電性出現(xiàn)一定的增強(qiáng)。這是因?yàn)樵谔祭w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(dǎo)電性出現(xiàn)了較大幅度地增強(qiáng)。此時(shí)的導(dǎo)電混凝土的導(dǎo)電就可以看作是相當(dāng)于兩個(gè)電阻的并聯(lián)模型，當(dāng)一個(gè)電阻基本不變，另一個(gè)電阻變小時(shí)，最終的電阻會(huì)變小。所以最終加上石子后得到的綜合結(jié)果是導(dǎo)電性出現(xiàn)一定的增強(qiáng)。而對(duì)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?yàn)樯白颖壤脑龃?，影響了碳纖維之問的相互接觸，此時(shí)沿碳纖維網(wǎng)格傳導(dǎo)的電流將大幅度減少。關(guān)于這方面的具體原因，可以從碳纖維導(dǎo)電混凝土的導(dǎo)電機(jī)理進(jìn)行解釋 j。碳纖維混凝土中電流傳導(dǎo)主要通過以下幾條導(dǎo)電通道進(jìn)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(jìn)行傳導(dǎo)；(2)電子和帶電空穴沿彼此搭接的碳纖維網(wǎng)格進(jìn)行傳導(dǎo)；(3)電子和帶電空穴通過隧道效應(yīng)越過碳纖維之間的基體阻隔而傳導(dǎo)。當(dāng)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(dǎo)電網(wǎng)格，電流主要沿碳纖維網(wǎng)格進(jìn)行傳導(dǎo)，離子導(dǎo)電和隧道效應(yīng)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(gè)碳纖維導(dǎo)電混凝土的導(dǎo)電性能。
從抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度來看，隨著砂子、石子重量比的增加，強(qiáng)度值都出現(xiàn)了不同程度的下降(只有1：1：2的抗折強(qiáng)度增大了2。1% )。這是因?yàn)樵谔祭w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(shí)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(shí)際上越來越大，基體內(nèi)的孔洞越來越多，相應(yīng)地造成所制作出的混凝土的強(qiáng)度出現(xiàn)了一定程度的下降。特別是對(duì)于重量比為1：2：2的導(dǎo)電混凝土，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)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(duì)于重量比為1：1：2的導(dǎo)電混凝土，除了其電阻率最低之外，其抗折強(qiáng)度是最高的，而抗壓強(qiáng)度只出現(xiàn)了較小幅度的下降。因此1：1：2的導(dǎo)電混凝土的綜合性能是最好的。
3 結(jié) 論
在制作融雪化冰用碳纖維導(dǎo)電混凝土?xí)r，適當(dāng)摻人粗集料是可以的，但必須遵循文中提出的3個(gè)原則。根據(jù)本文的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)于 m(水泥)：m(砂子)：m (石子)為1：1：2的碳纖維導(dǎo)電混凝土，除了其電阻率最低之外，其抗折強(qiáng)度是最高的，而抗壓強(qiáng)度只出現(xiàn)了較小幅度的下降。因此1：1：2的導(dǎo)電混凝土的綜合性能是最好的。對(duì)于更細(xì)分的配合比問題還有待進(jìn)一步的研究。
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