炭黑碳纤维复相导电混凝土的导电性能研究.pdf

2 0 1 4年 第 1 1期 ( 总 第 3 0 1期 ) Nu mb e r 1 1 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 3 0 1 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AI ， AND AD M I NI CL E d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 1 1 0 2 1 炭黑碳纤维复相导电混凝土的导电性能研究 卢珍 ，吴献 ，杨昆 ， ( 1 中建三局第一建设工程有限责任公司 ，湖北 武汉 4 3 0 0 0 0 ；2 沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 1 1 0 1 6 8 ) 摘要： 研究了炭黑碳纤维复相导电混凝土的导电性能， 分析 了导电混凝土的电阻率变化 ， 为实际应用于道路融雪化冰提供理论 依据与试验依据。 利用纳米导 电炭黑和碳纤维作为导电相来改善混凝土 的导电性能， 进行炭黑碳纤维 复相导电混凝土的导电性 能试验 ， 分析环境温度 、 干湿度和外加电压对炭黑碳纤维导电混凝土电阻率的影响。 导电混凝土的电阻率受温度、 湿度和外加 电压 的影响， 当环境条件发生变化时 ， 导 电混凝土的导电性能也会发生变化。 炭黑碳纤维复相导电混凝土的电阻率随着温度的升高出现 一 定程度的减小； 干燥状态下的电阻率高于潮湿状态下的电阻率 ； 电阻率随着外加电压的增大有一定程度的减小， 当电压达到一定 数值时， 电阻率趋于稳定。 关键词 ： 炭黑；碳纤维；导 电混凝土；电阻率 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 1 1 - 0 0 8 l 一 0 3 S t u d y o n t h e e l e c t r i c c on d u c t i o n f un c t i o n o f c a r b on b l a c k a n d c a r b o n f i b e r d i p h a s i c e l e ctr i c a l l y c o n d ucti v e c o n c r e t e LUZhe n ， WUXi a n 2 YANOKu n ( 1 T h e F i r s t C o n s t r u c t i o n E n g i n e e ri n g L i mi t e dC o mp a n y o f C h i n a Co n s t r u c t i o n Th i r d En g i n e e ri n g Bu r e a uCo ， L t d ， Wu h a n 4 3 0 0 0 0 ， C h i n a ； 2 S h e n y a n g J i a n z h u Un i v e r s i t y， S h e n y a n g 1 1 0 1 6 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I t a i me d a t t h e r e s e a r c h o n the e l e c t r i c c o n d u c t i o n fi mc t i o n c a r b o n b l a c k a n d c arb o n fi b e r d i p h a s i c e l e c t ri c a l l y c o n d u c t i v e c o n c r e t e， and ana l y s e t h e c h a n g e o f r e s i s t i v i ty T h e me tho d o l o g y a d o p t e d a s t h e o r e t i c a l b a s i s and e x p e r i me n t a l b a s i s c a l l b e u s e d i n d e i c i n g o r s no w me l t i n g i n f u t u r e Carb o n b l a c k a nd c arb o n fib e r a s t h e e l e c t r i c c o nd uc t i o n i s u s e d t o i mp r o v e the e l e c t r i c c o n d uc t i o n fi mc t i o n o f c o n c r e t eCo n d uc t t h e e x pe r i me nt o f the e l e c t r i c c o n d u c t i o n f u n c t i o n of c arb o n bl a c k an d c arbo n f i be r diph a s i c e l e c t r i c a l l y c o nd u c t i v e c o n - c r e t e Th e e f f e c t o f t e mp e r a t u r e h u mi d i ty and p l u s v o l t a g e o n r e s i s t i v i ty o f c arb o n b l a c k and c a r b o n fi b e r d i p h a s i c e l e c t r i c a l l c o n d u c t i v e c o n c r e t e wa s a n a l y s e d Wh e n e n v i r o n me n t c h an g the e l e c t r i c c o n d u c t i o n fi mc t i o n o f c o n c r e t e wi l l c h a n g too As the r i s e o f t e mp e r a t u r e t h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o we d t h a t t h e r e s i s t i v i ty o f c arb o n b l a c k and c a r b o n fi b e r d i p h a s i c e l e c t ri c a l l y c o n d u c t i v e c o n c r e t e wi l l r e d u c t i n a c e r t a i n d e ge e T h e r e s i s t i v i t y i n d r y s t a t e wa s h i g h e r t h a n t h e s t a t e o f we t As t h e ri s e o f p l u s v o l t a g e the r e s i s t i v i ty o f c a r b o n b l a c k and C ar b o n fi b er d i p h a s i c e l e c t r i c a l l y c o n d u c t i v e c o n c r e t e w i l l r e d u c t in a c e r t a i n d e g r e e Wh e n t h e v o l t a i c i s to a c e r t a i n n u mb e r ， th e r e s i s t i v i ty t r e n d t o b e s t a bi l e Ke y w o r d s ： c a r b o n b l a c k； c a r b o n fi b e r ； e l e c t r i c a l l y c o n d u c t i v e c o n c r e t e ； r e s i s t i v i t y 0 引言 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 应用 ， 是 目前使 用量最大 的一种建筑材料 。 普通 混凝 土在干燥条件下既不属于绝缘体 ， 也不属 于良导体 ， 其 电阻率一般在 1 0 1 0 Q m 范 围内1 。 在混 凝土 中加 入 一 定量的导电介质， 可以使混凝土的导电性大为改善， 从而 使其成为具有 良好导 电性的导电材料 。 导电混凝土既有结 构 材料 的特点 ， 又具有导 电性 和机敏特 性2 - 5 ， 不仅作 为一 种结构材 料使用 ， 而且在 电工 、 电磁 干扰屏蔽 、 工业 防静 电、 电加热器、 电力设备接地工程 ， 以及重大土木基础设施 的内部应力和健康状况 自诊断和监测删等方面具有重要 作用。 目前关于导 电混凝土 的导 电相多采用碳纤维 ， 碳纤 维价格昂贵， 使得导电混凝土的成本较高。 此外， 碳纤维虽 能显著改变混凝土 的导 电性 ， 但在混凝土中的分散性不是 很理想 。 纳米导电炭黑 的尺寸很小 ， 平均粒径 3 0 - 4 0 n i p _ ， 比 表面积大 ， 粉体 电阻率 0 1 2 Q m， 具有 良好的导电性 ， 且炭 黑在混凝土 中较易分散 。 关于炭黑碳纤维复相导 电混凝土 的试 验研究至今少见报道 ， 本研究在混凝土中同时添加碳 纤维和炭黑用作导 电相 以提高混凝土的导 电性。 1 导电混凝土的导 电机理 导电混凝土是指 由胶凝材料 、 导电相 、 介电骨料和水 等组分 ， 按照一定配合比混合凝结而成的多相复合材料 ， 收稿 日期 ：2 0 1 4 - 0 5 - 2 5 基金 项 目：“ 十一五 ” 国家科技支撑计划重大项 目( 2 0 0 8 B AJ 0 8 B1 1 ) ； 辽 宁省教育厅科研项 目( L 2 0 1 0 4 5 8 ) 81 是 由导电相部 分或全 部取代 混凝 土中的普 通骨料 配制 而 成 ， 具有规定的电性能和一定的力学性能的特种混凝土。 导电混凝 土的导 电一方 面是 由分散在基体中的导电 组分材料形成网络， 并通过隧道效应连通网络间的绝缘而 传导 ， 另一方 面通过水 泥石传导嘲 。 对于前者 ， 导 电组分为 电子( 或空穴 ) 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基体中 ， 受绝缘的水泥基体阻隔， 形成势 垒。 当间隔距离减小 ， 使水 泥基体形成 的势垒足够小 ， 或电子和空穴从外界获得足够 的能量时， 就会跃过势垒， 从一个导电体到达另一个导电 体上 ， 从 而实 现导 电_ 1 o ” 。 对 于后者 ， 即水 泥石 的导 电 ， Wh i t t i n g t o n E 等人认 为可以分为两部分 ： 一部分是 通过 自 由的可蒸发水的离子导电 ， 即通过水泥石液相水中的 C a 2 + 、 O H 一 、 s 0 、 N a + 等离子在外加电场作用下产生定 向移动 而导 电。 另一部分是通过凝胶 、 凝胶水及未反应的水泥颗 粒的电子导电 ， 主要是铁 、 铝、 钙的化合物。 2试 验 2 1 试验原材料及设备 2 1 1 试验原材料 3 2 5 级矿渣硅酸盐水泥 ， 辽宁 山水工源水泥有限公司 生产； 普通中砂 ， 市购 ； 碎石( d 1 0 m m) ， 市购 。 碳纤维采用辽宁安科活性碳纤维应用技术开发公 司生 产的聚丙烯腈短切碳纤维 ， 纤维长度 6 m m， 含碳量 9 0 ， 堆积密度 3 o 0 g m， 水量 1 6 0 0 ， 堆 积 密度 2 0 0 2 5 0 k g m ； 2 1 2 试验设备 H B 一 1 7 型直流稳压 电源 ， 鸿宝股份有限公 司； D W 4 0型低温箱 ， 无锡市华南试验仪器有限公司； 1 0 1 3 A型 电热鼓 风恒温干燥箱 ， 浙 江土工仪器 制造 有 限公司 ； VC 9 9 型多功能数字万用表 ， 泰坦科技实业有限公司； S B Y 一 4 0 A型标 准恒温恒 湿养护箱 ， 天津市庆达 试验 仪器制造有限公司。 2 2 试件 的制备 试件 的尺 寸均 为 1 0 0 mm l O 0 mmx l O 0 mm 的立 方 R 2 体 。 砂 ： 石： 水泥为 1 ： 1 ： 1 ( 质量 比) ， 水灰 比为 0 5 ， 碳纤维掺量 分别为水泥质量的 0 、 0 3 、 0 5 、 O 8 、 1 1 ； 炭黑的掺量 分别为水泥质量 的 0 、 1 、 2 、 3 、 4 ； 每组掺量 的试件三 个 ， 共 2 5 组 ， 7 5 个试件 ； 硅灰采用内掺法 I 3 掺量 为水泥质 量 的 1 5 。 采用湿拌法制作试件 ， 搅拌均匀后 成型 ， 埋人 不锈钢板作 为电极 ， 4 8 h 后脱模 放入标准养护室养护。 2 3试 验 方 法 考虑工程材料 的常规应用环 境 ， 选择 测试一 3 5 、 一 2 5 、 一 1 5 、 0 、 2 5 、 5 0六个温度下炭黑碳纤维复相导电混凝土 的 电阻率变化情况 ； 考虑环境 干湿 度 ， 分 别测试 在干燥状态 和潮湿状态下导电混凝土 的电阻率 变化 ； 考虑外加电压对 电阻率 的影响 ， 分别测试 外加 电压 由 5 V增大 到 3 0 V 时 导电混凝 土电阻率的变化。 外加电源测试 电阻及 电阻率 的 计算见式 ( 1 ) 、 ( 2 ) ： 尺 ：一U ( 1 ) l 口 ( 2 ) p L ( 2 ) 式中 ： 外加电压 ， V； ， 电流 ， A； R 试件电阻， Q； S 试件截面面积 ， m2 ； 试件长度 。 3 试验 结果与分析 3 1 环境温度对 电阻率的影 响 关于导电混凝土的温度稳定性存在两种现象 ： 一种 是 电阻的正温度系数效应 ， 另一种是电阻 的负温度系数效应 ， 英 文简称为 P T C( P o s i t i v e T e mp e r a t u r e Co e ffic i e n t ) 和 NT C ( N e g a t i v e T e m p e r a t u r e C o e ffic i e n t ) 。 P T C效应 是 指材 料 的 电阻率随着温度的升高而逐渐增加 ； N T C效应是指材料的 电阻率随着温度的升高而逐渐减少 15 。 从图 1 、 2中， 图中 C F 0 3 + C B 3 是指碳纤维( c a r b o n fi b e r ) 掺量为 0 3 ， 炭黑( c a r b o nb l a c k ) 掺量为 3 。 不同掺 量炭黑碳纤维导 电混凝土 电阻率 随温度 的变化 情况可 以 看出 ， 随着试件所处环境温度 的升高 ， 电阻率 出现一定程 度的减小 。 即炭黑碳纤维 复相导 电混凝土呈现明显的 N T C 效应。 这主要是因为温度升高 ， 导电混凝土 内部分电子吸收 能源被激发 ， 成为载流子 ， 在炭 黑及碳纤维之间跳跃 ， 进行 导电传输 ， 从而使试件 的电阻率减小 。 另一方面 ， 热扰动会 k 、 一CF 0 _ 3 + CB 3 广 _ CF 0 - 8 + CB 3 -4- -CF 0 5 + CB 3 x CF 1 1 + CB 3 士 ： 4 0 2 0 0 2 0 4 0 6 0 温度 图 1 温 度对 电阻率 的影 响 4 2 0 8 6 4 2 O 百 一 斟 盟 温 厦 图 2 温度对电阻率的影响 加强电子跃迁的几率， 使试件的电阻率减小。 3 2 干湿度对电阻率的影响 从 图 3 、 4中可 以看 出， 在其他条件相同的情况下 ， 试件 在干燥状态下的电阻率高于潮湿状态下的电阻率。 出现这 样 的现象 ， 主要是因为湿度 的变化会引起导电混凝土 中的 水含量和水状态 的变化 ， 水 的存在会增强离子导电； 此外 ， 水分能与导电混凝土材料中的部分分子或基团产生作用 而使之 电离 ， 增加试件的电导率 ， 使 电阻率减小。 碳 纤维含 量 ， 炭 黑 售 量 图4 C F 0 13 时干湿度对电阻率的影响 3 3 外加 电压 对电阻率的影响 从 图 5 、 6中可以看 出， 随着外加 电压的增大 ， 导 电混 凝土试件的电阻率出现了一定程度的减小。 当电压达到一 定数值 时， 电阻率有趋于稳定。 从 图 5 中可 以看 出， 碳纤维 掺量越低， 电阻率减小的趋势越明显。 之所以出现这样的 情况 ， 主要是 与导 电混凝土 的导 电机理有关 1 6 1 。 随着 电压 言 槲 匿 外加 电压 ， v 图 5 外加电压对电阻率的影响 1 2 冒 1 O a 8 岛 删 ， U ) l U l5 2U 2， 外 加 电压 ， v 图 6 外加电压对电阻率的影响 的升 高 ， 导 电混凝 土 中没有搭 接在一起 的碳纤维 上 的部 分 电子具备 了足 够的能量越 过碳 纤维之 间的势垒 ， 从一 根碳纤维上过渡到另一根碳纤维上 。 同时 ， 导 电混凝土基 体 中炭黑上 的电子具备足够 的能量跃迁到其他炭黑粒子 上或者是碳纤维上 ， 从而导致试件 的导 电性增强 ， 电阻率 减小 。 4结论 ( 1 ) 炭黑碳纤维复相导电混凝 土的电阻率 随着温度的 升高出现一定程度的减小， 即炭黑碳纤维复相导电混凝土 呈现 N T C效应 。 ( 2 ) 其他条件相 同的情况 下 ， 炭黑碳纤维 复相导 电混 凝土在干燥状态下的电阻率高于潮湿状态下 的电阻率 。 ( 3 ) 随着外加电压 的增 大 ， 炭黑碳 纤维复相导电混凝 土的电阻率有一定程度 的减小 。 当电压达到一定数值时 ， 电阻率又趋于稳定。 参考文献 ： 1 陈龙风 复相导电混凝土应用于损伤诊断的试验研究【 D 】 大连： 大连理工大学， 2 0 0 9 【 2 】B ON T E A D M， C HUNG D D L Da ma i n c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ， mo n i t o r e d b y e l e c t r i c a l r e s i s t a n c e me a s u r e me n t 【 J C e me a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0 ， 3 0 ( 4 ) ： 6 5 1 6 5 9 【 3 】WE N S， C HU NG D D L E l e c t r i c a l - r e s i s t a n c e - b a s e d d a ma g e s e l e s e n s i n g i n c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d c e me n t C arb o n ， 2 0 0 7， 4 5 ： 7 1 0 71 6 4 】吴献， 王丽娜 ， 杨 昆， 等 弹性 范围 内碳 纤维混凝土在循环荷载 作用下的压敏性研究【 j 沈阳建筑大学学报： 自然科学版 ， 2 0 1 1 ， 2 7 ( 1 ) ： 3 4 3 8 【 5 】S U N M， L I Q， e t a 1 A s t u d y o n t h e r m al s e l f d i a g n o s t i c a n d s d f a d a p t i v e s m a r t c o n c r e t e s t r u c t u r e s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0， 3 0： 1 2 5 1 1 2 5 3 6 吴献， 秦桂娟， 刘之洋 石墨混凝土电导率一 应变与割线模量一 应 变关系 J 1 沈阳建筑大学学报： 自然科学版， 2 0 0 6 ， 2 2 ( 2 ) ： 2 4 8 2 5 1 7 Z E N G Q S ， C H U N G D D L C ar b o n fi b e r - r e i nfo r c e d c o n c r e t e f o r t r a f fi c mo n i t o r i n g a n d we i g h t i n g i n mo n t i o n jC e me n t a n d C o n c r e t e Re s e arc h， 1 99 9， 2 9： 4 3 5 -4 3 9 f 8 18姚武， 吴科如 智能混凝土的研究现状及其发展趋势f J J 新型建 筑材料 ， 2 o o o ( 1 o ) ： 6 9 【 9 】唐祖全， 钱觉时， 杨再富导 电混凝土技术综述 J 重庆建筑大学 学报， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 6 ) ： 1 3 5 - 1 3 9 下转 第 8 6页 8 3 表 4 P C S 8保坍能力的改善 合物， 在水泥初期控制液相中的c a 2 + 浓度来发挥缓凝作用， 从而使得混凝土浆体形成 骨架结构的速度变慢 ， 有助于坍 落度保持性的提高， 但不能从根本上解决减水剂保坍能力 弱 的缺点 。 且缓凝剂掺量过多 ， 则会导致混凝土凝结时间 延长甚至不凝结 ， 影 响施工进度及建设 工程质量。 而 P C S 6 解产生新的减水剂重新吸附到水泥颗粒表面， 使水泥浆体 在一定时间内仍具有不错 的分散性 。 2 4混 凝 土 强度 发 展 选择海螺 P 04 2 5 级水泥 ， 采用预拌混凝土中配制 C 3 0 泵送混凝土的配合比， 初始坍落度控制在( 2 1 0 +_ l O ) m m， 水灰 的保坍机理是通过侧链官能 团在水泥碱性环境条件下水 比固定 ， 测试 P C S 6以及 P C S 8 、 P C S 5的抗压强度 。 表 5 P C S 6以及 P C S 8 、 P C S 5 在 C 3 0 泵送混凝土中的强度发展情况 由表 5 看出 ， 在用水量相 同的情况下 ， P C S 8 、 P C S 5与 P C S 6 复配之后早期强度相对有所提升 ， 且对后期强度无 不利影响 ， 反而后期强度有所增加。 3结 语 采用常温无热源合成 的聚羧酸减水剂性能在具有一 定减水率基础上具有高保坍性 ， 与聚酯类减水剂或者聚醚 类减水剂进行 内掺复配可 以提高聚酯类减水剂和聚醚类 减水剂 的保坍能力 ， 并且对早期和后期强度都有所提高 。 由于该方法 中间控制环节较少 ， 产 品质量更加稳定 ， 这种 方法大大减少 了设备投 资 ， 且操作简单 ， 适用 于原材料 的 筛选试验 ， 大大加快了试验进度。 在远途运输费用较高 ， 工 程 设备简 陋的地方 ， 采用 该方法就 可以生产 出合格 的产 品 ， 具有较广 的市场推广价值 。 上接第 8 3页 【 1 0 】 张跃 ， 职任涛 碳纤维( L C F ) 一 无宏观缺陷( M D F ) 水泥基复合材 料电学； IN N 的研究l J l_ 材料科学进展 ， 1 9 9 2 ， 6 ( 4 ) ： 3 5 7 3 6 2 1 I S U N M i n g q i n g ， L I Z h u o q i u ， MA O Q i z h a o ， e t a 1 S t u d y o n t h e h o l e c o n d u c t i o n p h e n o me n a i n c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 8 ， 2 8 ( 4 ) ： 5 4 9 5 5 3 1 2 WHI T T I NGT ON H W， MC C ART E R J ， F O RD E M C T h e c o n d u c t i o n o f e l e c t r i c i t y t h r o u g h c o n c r e t e J Ma g a z i n e o f e o n e r e t R e s e a r c h， 1 9 8 1 ， 3 3 ( 1 1 4 ) ： 4 8 6 0 【 1 3 YU NS HE NG Xu， C HU NG D D L C e me n t o f h i g h s p e c i fi c h e a t a n d t h e r ma l c o n d u c t i v i t y， o bt a i n e d b y u s i n g s i l a n e a n d s i l i c a f u me a s a d m i x t u r e s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e ar c h ， 2 0 0 0 ， 3 0 ( 7 ) ： 1 1 7 5 11 7 8 86 参考文献 ： 【 1 】S AC HS E NHA US E R P B E x p e r i me n t a l d e t e r mi n a t i o n o f t h e e ff e c ti v e a n i o n i c c h a r g e d e n s i t y o f p o l y e a r b o x y l a t e s u p e r p l a s t i c i z e r s i n c e me n t p o r e s o l u t i o n J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e ar c h 2 0 0 9 ： 1 - 5 2 冯新德 高分子通报I N 1 9 9 9 ( 3 ) ： 1 - 9 【 3 】王子明 “ 水泥一 水一 高效减水剂” 系统的界面化学现象与流变性 能f D C 京： 北京工业大学， 2 0 0 6 4 】王振军， 何廷树 缓凝作用机理对水泥混凝土的影fi R J 公路， 2 0 0 6 ( 7 ) ： 1 4 9 1 5 4 作者简介 联系地址 联系电话 虞亚丽( 1 9 8 5 一 ) ， 女 ， 主要从事建筑 化学 品的研 发与 应用。 苏州市金门路 1 5 8 号协和大厦( 2 1 5 0 0 8 ) O51 2 6 5 58 2 6 5 7 1 4 】 王闯， 李克智， 李贺军 短碳纤维在不同分散剂中的分散性 精 细化工 ， 2 0 0 7 ， 2 4 ( 1 ) ： 1 - 4 【 1 5 1 踊 兵， 吴科如， 姚武碳纤维机敏混凝土复合材料温阻特性 J 】 建 筑材料学报， 2 0 0 3 ， 6 ( 3 ) ： 3 1 2 1 6 王秀峰， 王永兰， 金志浩碳纤维增强基复合材料 的电导性能及 其应用 J 1 复合材料学报， 1 9 9 8 ， 1 5 ( 3 ) ： 1 2 2 1 2 7 作者简介： 联系地址 联系电话 卢珍( 1 9 8 6 一 ) ， 女 ， 硕 士 ， 助理 工程 师 ， 国家二级注册 结构师。 上海市浦东新区金桥路 1 3 9 9 号 福建天安大厦 1 5 1 1 技术信息部( 2 0 0 1 2 9 ) 1 8 0 0 71 7 20 5 9