張晏清,周志福,張 雄

(同濟大學(xué)先進土木工程材料教育部重點實驗室,上海200092)

混凝土是最主要的工程材料,廣泛應(yīng)用于機場、道路、橋梁等場合.冰雪覆蓋于混凝土結(jié)構(gòu)物表面將嚴重影響其正常使用功能.清除冰雪方法有機械清除、撒融冰鹽清除等方法.利用導(dǎo)電混凝土的電熱效應(yīng)清除路面冰雪是融雪化冰的新方法.近年來,國外開展了有關(guān)導(dǎo)電混凝土及在橋梁路面融冰應(yīng)用方面的研究.Whitington等[1]研究了混凝土導(dǎo)電性能; Yehia等在總結(jié)了化學(xué)法、地?zé)峁芊ā⒓t外線燈照加熱法、電熱絲法、熱液法等有關(guān)路面融雪化冰方法后提出利用鋼纖維混凝土進行導(dǎo)電加熱以開展橋梁路面融冰的實驗研究[2];葉青、崔素萍等研究了摻石墨水泥基導(dǎo)電材料的物理性能[3-4];沈剛等研究了鋼纖維石墨導(dǎo)電混凝土[5];Farhad等開展了碳纖維導(dǎo)電混凝土融雪化冰的智能控制研究[6];黃鳳萍等開展了碳纖維-石墨水泥基復(fù)合材料的研究[7].在目前的研究工作中,導(dǎo)電混凝土、砂漿均采用石墨作為導(dǎo)電相材料,輔之以碳纖維.但是由于石墨的需水量大,將大幅度降低砂漿強度,而碳纖維在摻量增大時易于結(jié)團,以上因素限制了導(dǎo)電砂漿的發(fā)展.

筆者通過在骨料包覆石墨形成表面覆導(dǎo)電膜骨料CFCA(conductive film coated aggregate)作為導(dǎo)電相材料制備水泥基導(dǎo)電砂漿.

1 試驗

1.1 試驗原材料與儀器

PO42.5水泥:浙江三獅水泥有限公司;石墨粉:上海膠體化工廠;聚丙烯酸樹脂:廣州托力特化工有限公司;ISO標準砂;石英砂:2.5～5.0 mm; RHEOBUILD1100型高效減水劑:巴斯夫(上海)化學(xué)建材有限公司,其質(zhì)量濃度為2%;水泥膠砂強度試驗標準設(shè)備;QJ23型攜帶式直流單電橋; PhilipsXL-30 ESEM掃描電子顯微鏡(SEM).

1.2 試驗方法與配合比

1.2.1 覆導(dǎo)電膜骨料的制備

稱取2.5～5.0 mm的石英砂100 g,聚丙烯酸樹脂粘接劑1 g.聚丙烯酸樹脂分散于石英砂中,在膠砂攪拌機中攪拌至均勻,加入3 g石墨,攪拌至石墨均勻附在砂粒上,靜置5 h再次攪拌經(jīng)放置3 d后得到覆導(dǎo)電膜骨料.

1.2.2 試驗方法與配合比

石墨導(dǎo)電砂漿配合比為:mC=450,mS/mC=3,其中mC,mS分別表示水泥和砂的質(zhì)量;石墨摻加質(zhì)量以水泥質(zhì)量的百分比計,并扣除相應(yīng)標準砂體積.以同流動性體積摻加用水量.

電阻率試驗采用膠砂試驗試件.將各材料稱量后順序投入攪拌機,按照標準程序攪拌均勻后入模,埋入電極,振實成型,24 h脫模,脫模后試件置于標準養(yǎng)護室,水中養(yǎng)護,水溫20±1℃,養(yǎng)護至28 d取出試件,105℃干燥后用電橋測量電阻值,計算求得電阻率ρ.電阻率取3個試件的平均值.電極采用銅絲與碳纖維長絲復(fù)合鉸接形成.

強度試驗:試件制備、養(yǎng)護工藝同上,但不埋入電極,且從水中取出后立即進行測試.

電加熱試驗采用20 mm×130 mm×160 mm試件,試件基底采用標準水泥膠砂材料,攪拌均勻、振實,在其表面鋪設(shè)5 mm厚的導(dǎo)電砂漿層并埋入電極,成型后24 h脫模,養(yǎng)護工藝同上.養(yǎng)護28 d取出試件,105℃干燥后用電橋測量電阻值.導(dǎo)電砂漿層的配合比mW/mC=0.36,mS∶mC=3,其中mW為用水質(zhì)量;覆導(dǎo)電膜骨料與級配砂質(zhì)量比為2∶1;級配砂采用ISO標準砂,篩除粒徑1.25 mm以上的粗顆粒.

采用交流電經(jīng)變壓調(diào)至 25 V通電加熱 100 min,每隔5 min測一次表面溫度,測試在室溫環(huán)境條件下進行,室溫22℃.試件表面覆蓋50 mm聚苯乙烯泡沫板,插入溫度計測試表面溫度(圖1).

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 石墨導(dǎo)電砂漿

2.1.1 電阻率試驗

不同石墨含量砂漿的28d電阻率示于圖2.試驗表明:隨著摻入石墨質(zhì)量分數(shù)的增加,其電阻率減小:當(dāng)石墨的質(zhì)量分數(shù)增大到10%～15%時,砂漿試件的電阻率急劇減小;達到20%后,繼續(xù)增加導(dǎo)電材料的摻量使砂漿電阻率減小的幅度大大降低以至于達到穩(wěn)定.石墨水泥砂漿的滲濾閾值在20%左右.

圖1 電加熱裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of electric heating apparatus

圖2 石墨質(zhì)量分數(shù)對電阻率影響Fig.2 Effect of graphite contents on strength

2.1.2 強度試驗

石墨導(dǎo)電砂漿試件的強度示于圖3.圖3表明,隨著石墨質(zhì)量分數(shù)的增加,砂漿試件強度大幅度下降,當(dāng)石墨質(zhì)量分數(shù)為30%時,抗壓強度為0.8 MPa,抗折強度為0.1 MPa.強度降低的原因是石墨具有較大的需水率,加入水泥漿體將極大增加漿體的用水量,從而降低材料強度.

圖3 石墨摻量對強度影響Fig.3 Effect of graphite contents on resistivity

2.2 覆導(dǎo)電膜骨料砂漿

2.2.1 覆導(dǎo)電膜骨料顆粒形貌

覆導(dǎo)電膜骨料顆粒形貌示于圖4.圖4a為骨料宏觀形貌;圖4b為骨料斷面SEM形貌,實驗顯示石墨包覆層厚度在50 μ m左右;圖4c顯示石墨均勻密集包覆于石英砂表面.

圖4 覆導(dǎo)電膜骨料顆粒形貌Fig.4 Granule morphology of conductive film coated aggregate

2.2.2 強度試驗

覆導(dǎo)電膜骨料水泥砂漿的抗壓、抗折強度示于圖5.試驗表明,隨著覆導(dǎo)電膜骨料摻入質(zhì)量分數(shù)的增加,砂漿抗壓強度呈下降趨勢.然而與石墨導(dǎo)電砂漿相比,電阻率相近的覆導(dǎo)電膜骨料水泥砂漿的力學(xué)性能明顯優(yōu)于石墨導(dǎo)電砂漿.即使完全采用覆導(dǎo)電膜骨料制備砂漿,其抗壓強度與抗折強度仍可以分別達43.0,7.0 MPa,可以作為結(jié)構(gòu)用材料.

圖5 覆導(dǎo)電膜骨料質(zhì)量分數(shù)對強度影響Fig.5 Effect of CFCA contents on strength

2.2.3 電阻率試驗

改變覆導(dǎo)電膜骨料在骨料中比例,其28 d電阻率變化示于圖6.試驗表明,隨著覆導(dǎo)電膜骨料質(zhì)量分數(shù)的增加,電阻率急劇下降,質(zhì)量分數(shù)大于60%以后,電阻率趨于穩(wěn)定.即質(zhì)量分數(shù)為50%～70%時水泥砂漿達到導(dǎo)電滲流閾值,此時相應(yīng)的石墨質(zhì)量為水泥質(zhì)量的3%～4%.與導(dǎo)電率相同的石墨水泥砂漿比較,覆導(dǎo)電膜骨料水泥砂漿的石墨用量低一個數(shù)量級.

2.2.4 電熱效應(yīng)試驗

覆導(dǎo)電膜骨料質(zhì)量分數(shù)與水泥砂漿板面溫度關(guān)系示于圖7,交流電壓25 V.改變電壓分別取20,25, 30 V測得的水泥砂漿板面溫度示于圖8.試驗表明:在前50 min內(nèi),升溫速率較大,隨著通電時間的延長,升溫速率逐漸降低、溫度逐漸趨于平穩(wěn);覆導(dǎo)電膜骨料摻量增大,板面最高溫度提高;提高電壓,增大輸入功率,試件溫度升溫速率大,板面最高溫度提高.在25 V電壓下,100%覆導(dǎo)電膜骨料砂漿1 h板面溫度可達61℃,在30 V電壓下可達77℃.

圖6 覆導(dǎo)電膜骨料質(zhì)量分數(shù)對電阻率影響Fig.6 Effect of CFCA contents on resistivity

圖7 覆導(dǎo)電膜骨料質(zhì)量分數(shù)與砂漿板面溫度關(guān)系Fig.7 Relationship between CFCA contents

2.3 包覆導(dǎo)電膜骨料水泥砂漿導(dǎo)電機理討論

傳統(tǒng)的水泥基導(dǎo)電砂漿的導(dǎo)電模式屬于基相整體導(dǎo)電機制.由于骨料的導(dǎo)電率很低,在此種模式中,骨料并不導(dǎo)電,砂漿的導(dǎo)電性是通過基體導(dǎo)電完成,即通過在材料加入碳顆粒或碳纖維降低基體材料整體的電阻率達到傳輸電流的目的.當(dāng)加入的導(dǎo)電粒子數(shù)量較少時,導(dǎo)電粒子分散于基體材料中,顆粒間距較大,電子不易傳遞,導(dǎo)致電流通過材料的電阻較大;當(dāng)導(dǎo)電粒子數(shù)量逐漸增加達到一定程度時,導(dǎo)電顆粒之間產(chǎn)生接觸,形成局部的導(dǎo)電通路,或顆粒間隔較小以至于電子可以通過隧道效應(yīng)越過基體阻隔而傳導(dǎo)電流,材料的電阻率隨導(dǎo)電顆粒增加而逐漸降低;當(dāng)進一步增大導(dǎo)電粒子數(shù)量使其體積分數(shù)達到滲濾閾值時,局部導(dǎo)電通路相互接觸形成整體連通的導(dǎo)電通道,材料的電阻率將發(fā)生突變,導(dǎo)電通路的連通形成“雪崩”效應(yīng),形成導(dǎo)電性基相.

圖8 電壓與水泥砂漿板面溫度關(guān)系Fig.8 Relationship between voltage and plate temperature

在基相整體導(dǎo)電機制下,只有當(dāng)石墨在水泥基相整體中質(zhì)量分數(shù)達到滲濾閾值后水泥基體才會表現(xiàn)出良好導(dǎo)電性,然而這將導(dǎo)致材料需水性增大、強度降低.

當(dāng)骨料表面包覆導(dǎo)電膜成為導(dǎo)電性骨料后,骨料不僅是空間結(jié)構(gòu)的承載骨架,同時顆粒之間的相互接觸亦形成了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),形成殼體接觸導(dǎo)電模式.當(dāng)覆導(dǎo)電膜骨料摻入質(zhì)量分數(shù)較小時,導(dǎo)電骨料顆粒間距較大,相互接觸幾率小,基本沒有形成導(dǎo)電通路,此時砂漿的電阻率較大;隨著導(dǎo)電骨料質(zhì)量分數(shù)增加,顆粒間距縮短,接觸幾率增大,導(dǎo)電路徑增多,粒子接觸導(dǎo)電取代隧道導(dǎo)電成為導(dǎo)電的主導(dǎo)因素;當(dāng)摻入質(zhì)量分數(shù)達到一定程度后,導(dǎo)電骨料大量接觸形成具有良好導(dǎo)電性能的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),此時繼續(xù)增加導(dǎo)電顆粒對水泥砂漿的導(dǎo)電性能影響不大.

由于石墨是良好導(dǎo)電體,在殼體接觸導(dǎo)電模式中,導(dǎo)電殼體厚度與導(dǎo)電性能關(guān)系不大,同時由于導(dǎo)電骨料殼體粒徑較大,其比表面積與導(dǎo)電微粉比較要小得多,因此使用很少石墨即可包覆骨料形成大面積導(dǎo)電薄層殼體,從而獲得高導(dǎo)電性與高強度砂漿.

3 結(jié)論

(1)采用聚合物樹脂粘接工藝,可以使石墨粉均勻牢固包覆于骨料表面,制得具有良好導(dǎo)電性能的覆導(dǎo)電膜骨料.

(2)覆導(dǎo)電膜骨料摻入質(zhì)量分數(shù)增加,材料電阻率下降,摻入質(zhì)量分數(shù)60%時達到滲流閾值.

(3)與石墨試件比較,覆導(dǎo)電膜骨料砂漿試件的力學(xué)性能明顯提高,抗壓強度達43.0 MPa.

(4)覆導(dǎo)電膜骨料砂漿具有良好的電熱性能,在25 V電壓下1 h板面溫度可達61℃.

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