复相导电混凝土的力学及导电性能研究综述

复相导电混凝土的力学及导电性能研究综述
季雨航,晏凤元,姜志炜,李麟杰,牛龙龙
(南京工程学院建筑工程学院,江苏南京211167)
摘要:混凝土在多种领域中都应用广泛,随着受众对其性能需求的多样化,便出现了特种混凝土。

文章主要综述并分析了特种混凝土中一些常用的复相导电混凝土的力学及导电性能。

关键词:复相导电混凝土;导电性能;力学性能;影响因素
Abstract:Concrete occupies a place in many fields,and with the diversification of audience's demand for its performance,special concrete appears.This article mainly summarizes and analyses the mechanical property and electrical conductivity of some commonly-used conductive concrete in special concrete.
Key words:multiphase conductive concrete;conductivity;mechanical properties;influencing factors
0引言
复相导电混凝土是在一般混凝土的基础上,掺入两种或两种以上导电材料的智能混凝土,并经过一系列配合比调试,使其具有更加良好的力学和导电性能。

关于复相导电混凝土已有很多研究,其应用前景十分广阔。

文章对目前的相关研究进行综述,从而为其以后的发展提供帮助。

1导电材料
1.1碳纤维
为了增加碳纤维的导电性,可把碳纤维表面金属化,镀金属碳纤维的电阻率为1×10-4~1×10-3Ω·cm,与普通碳纤维相比,其导电性能更加优良,但易分散,成本较高。

1.2金属纤维
金属纤维为不锈钢纤维、镀铜钢纤维(1.33~ 2.44)×10-5Ω·cm,导电性好,但在水泥基体中存在钝化问题,长期作用会导致导电性能下降。

1.3石墨
石墨分为天然石墨和人造石墨,天然石墨的电阻率(8.0~13.0)×10-4Ω·cm,其电阻率大小与其形成时外界环境有一定的关联;人造石墨的电阻率(8~15)×10-8Ω·cm(取决于纯度),导电性随加工方法而异。

1.4炭黑
炭黑中乙炔炭黑的电阻率最高,为250~550Ω·cm,虽然加工难,掺量较大,但导电性好、纯度高、性价比较高。

2常见的复相导电混凝土
2.1复掺碳纤维和炭黑的导电混凝土
2.1.1力学性能
陈志裴[1]制备复掺碳纤维和炭黑导电混凝土,炭黑和碳纤维掺量分别为0.2%和0.8%、0.2%和1.2%、0.3%和0.4%、0.3%和0.8%时,导电混凝土养护28d后,抗压强度分别为40.2MPa、43.3MPa、40.3MPa和42.2MPa。

从中发现,当炭黑或者碳纤维的掺量维持不变时,增加另一成分的掺量可在一定程度上优化其力学性能。

2.1.2导电性能
吴献等[2]测得原先炭黑导电混凝土电阻率为1.17×106Ω·cm,在掺入0.5%碳纤维后,所得的导电混凝土电阻率达到1708.8Ω·cm,降低了三个数量级。

而当炭黑和碳纤维的掺量分别为1%和2%时,导电混凝土养护28d后,测得电阻率低至90~ 100Ω·cm。

2.1.3优势及存在问题
碳纤维导电纤维在和炭黑颗粒相结合后,能使混凝土内部形成导电网络,从而提升导电混凝土的导电性。

基金项目:南京工程学院2019年“挑战杯”竞赛支撑项目(TZ20190016)。

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但当炭黑和碳纤维混合时会导致碳纤维连接状况有所下降,从而造成混凝土导电率略有减小。

此外,复掺碳纤维和炭黑试块电阻率相对不稳定,受极化效应影响较大。

2.2复掺钢纤维和碳纤维的导电混凝土
2.2.1力学性能
张彭成等[3]在实验中得出结论:复掺钢纤维和碳纤维的导电混凝土相比单掺钢纤维混凝土,抗压强度得到提高,但其抗折强度下降。

2.2.2导电性能
陈兵等[4]在砂浆中同时掺加碳纤维和微细钢纤维两种导电材料制备水泥砂浆,加入的碳纤维和钢纤维的体积分数均为0.55%,发现该种水泥砂浆热电偶效果最佳。

2.2.3优势及存在问题
碳纤维直径小,长径大,配合钢纤维,能够在混凝土内部形成相互连通的导电网络,使导电性能得到进一步提升。

利用复相导电材料,可有效提升材料的导电效率即降低电阻率,但由于不同导电材料的不同特性和材料间相容性的差别,使导电材料较难组成导电网络。

此外,复相导电混凝土制备比较复杂,在工程应用上有一定的限制。

2.3复掺钢纤维和石墨的导电混凝土
2.3.1力学性能
面对石墨导电混凝土力学性能的缺点,研究人员通过在混凝土中掺入多种导电材料来降低影响。

沈刚等[5]研究钢纤维石墨复相导电混凝土,当钢纤维掺入体积分数在0.5%~1.0%时,混凝土28d抗压强度随着掺入钢纤维体积分数的增大而增大,在钢纤维石墨总质量分数为5%,钢纤维体积分数为0.5%时抗压强度最大可至16.5MPa,但此时电阻率已高达113.7Ω·m,导电性能受到严重影响;在掺入1.0%~1.5%时,由于钢纤维搅拌不均引起结团,提高了孔隙率,导致28d抗压强度下降。

当石墨质量分数小于15%时,复掺钢纤维和石墨导电混凝土的抗压强度在10MPa左右;当石墨质量分数达到20%,复掺钢纤维和石墨导电混凝土的抗压强度下降到1MPa以下。

2.3.2导电性能
由于石墨自身强度低、吸水性大,导致配置用的水灰比增大,从而使得混凝土强度严重下滑。

所以研究人员想在混凝土导电性能基本不变的情况下,增加其力学性能。

根据谭宏斌等[6]研究,当石墨含量在5%~15%时,随着钢纤维掺量由0%~3%逐渐增长导电混凝土电阻率急速下降;当石墨含量在15%~20%,同时钢纤维掺量由0%~3%逐渐增长,此时电阻率的改变并不明显,虽然在石墨含量为20%时达到最佳电阻率0.63Ω·m,但此时的力学性能受到严重影响。

2.3.3优势及存在问题
复掺钢纤维和石墨导电混凝土对比单掺石墨导电混凝土,大大改善了石墨导电混凝土力学性能上的不足,使导电混凝土的强度有所增加;对比单掺钢纤维混凝土,在很大程度上改进了其导电性不稳定的缺陷。

但由于复掺混凝土中石墨的占比仍然很高,导致试件的抗压强度并不算优异,甚至达不到路面施工所用混凝土的要求。

据刘涛[7]的研究,发现虽然钢纤维的出现提高了试件的力学性能,但导电性能却不尽如人意。

2.4复掺碳纤维和钢渣的导电混凝土
2.4.1力学性能
在当下碳纤维导电混凝土的广泛研究中,复掺碳纤维和钢渣的导电混凝土凭借其良好的导电、压敏性被广泛运用,但是由于力学性能缺陷和造价较大限制了它的发展,所以研究人员为解决这一问题又进行了进一步的研究。

据许孝春等[8]研究表明,当钢渣掺量的渣灰比小于0.8时,随着渣灰比的上升,砼的抗压强度大幅度上升;当渣灰比大于0.8时,尽管渣灰比继续上升,但抗压强度趋于稳定,甚至有些许下降。

所以他们选择将渣灰比固定在0.8、1.0时增加碳纤维的掺量,发现当碳纤维掺量小于0.4%时导电混凝土的强度有所上升。

而卢召红等[9]在掺入钢渣渣灰比>1时,同样抗压强度下降。

由此可见,两组人员研究的结果一致。

2.4.2导电性能
许孝春等在实验研究中,分别在渣灰比0.8、1.0时,向导电混凝土中少量掺入碳纤维,探究出碳纤维占比在1.0%左右时砼的电导率达到了很好的效果;而卢召红等[9]在碳纤维占比固定为0.6%、0.8%时,当掺入渣灰比在0.4~0.8时,电阻率下降得最明显;当渣灰比进一步增大时,电阻率下降趋缓;当增加的渣灰比达到1.5之后,电阻率下降逐
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渐停滞。

从综合力学性能与导电性能两方面来考虑,当渣灰比为0.8左右,碳纤维掺量在0.6%~0.8%时达到了最佳性能。

2.4.3优势及存在问题
复掺钢渣与碳纤维,既减轻了钢渣之间存在的壁垒效应,又避免了因强度、花费资金等问题减少碳纤维掺量而使导电网络无法形成的弊端,因此本导电混凝土的性能比较优越。

但据许孝春等[10]的研究,复掺碳纤维和钢渣的导电混凝土由于胶凝材料的需求量大以及塌落度要求单位需水量大等原因,使得混凝土的干缩值大于普通混凝土。

2.5复掺钢纤维、碳纤维和石墨的导电混凝土2.5.1力学性能
对于三相导电混凝土,很多研究人员都是先进行单相导电混凝土研究,再进行复相导电混凝土研究,从而得到一些综合性能较好的配合比,在此基础上再进行三相导电混凝土的实验。

刘建国的探究发现,石墨占比增大对强度下降影响最大,在占比为0.4%左右时使得砼的抗压强度下降了10%左右。

欧阳平[11]在研究中得到碳纤维掺量为0.4%是最佳掺量,又根据其他研究人员的一系列研究,他选择碳纤维掺量在0.3%~0.5%,钢纤维掺量为0.8%、1.0%、1.2%,石墨掺量为3%~5%时,对三相导电混凝土采用正交实验的方法得到第二组实验的最大抗压强度为39.15MPa、第三组实验的最大抗压强度38.05MPa,这两组的抗压强度相差并不大。

3.5.2导电性能
欧阳平[11]的正交实验中,当碳纤维占比为0.3 %时(即第一组实验),电阻率普遍偏高,导电性能不好;而当占比为0.5%时(第三组实验),电阻率普遍偏低,导电性能优越。

丁伟锐同样运用了正交实验方法,他运用极差法分析数据得出碳纤维掺量对导电性能影响最大、石墨次之、钢纤维最小的结论。

综合上述力学性能的研究结果,得到的最佳配合比是碳纤维、钢纤维与石墨的掺量分别为0.5%,0.8%, 5%和0.4%,0.8%,3%。

2.5.3优势及存在问题
复掺碳纤维、钢纤维和石墨导电混凝土相对于复掺钢纤维石墨导电混凝土具有较高的强度,基本能够达到路用混凝土的抗压要求。

丁伟锐的研究表明了复掺钢纤维、碳纤维和石墨导电混凝土在长时间通电后,导电性能会进一步增强。

3结语
复相导电混凝土在建材产品中应用广泛,但由于导电相的种类繁杂并且掺入量的多少难以把控,所以关于复相导电混凝土的研究尽管还不是非常透彻,但其在各类建材产品中仍有着举足轻重的位置。

文章综述了一些学者关于多种复相导电混凝土在不同配合比下其力学和导电性能的变化关系,及其较同种导电相单掺或复掺的优劣之处。

参考文献
[1]陈志裴.多相导电混凝土的冻融损伤及弯曲损伤自感应[D].大连:大连理工大学,2013.
[2]吴献,崔玉茜,回国臣,等.炭黑导电混凝土和碳纤维导电混凝土电热试验[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2015,31(3):449.
[3]张彭成,康青,沈志强,等.钢纤维与碳纤维混合增强活性粉末混凝土力学性能实验研究[C]//中国功能材料及其应用学术会议.2010.
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第一作者:季雨航(1998-),男,本科,主要从事导电混凝土方面的研究。

(编辑:鲁照宁)(收稿日期:2019-3-5)
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