易峰，丁鑄（深圳大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳　518060）

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硫鋁酸鹽復(fù)合導(dǎo)電砂漿的制備與研究

易峰，丁鑄
（深圳大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳518060）

摘要：首先研究了碳纖維摻量對(duì)硫鋁酸鹽復(fù)合導(dǎo)電砂漿（CCM）電阻率的影響；然后通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，研究碳纖維、石墨和納米氧化鋅對(duì)CCM電阻率的影響；最后測(cè)量了持續(xù)干燥情況下CCM的質(zhì)量損失和電阻率變化，觀測(cè)掃描電鏡下碳纖維的分布情況。結(jié)果表明：隨碳纖維摻量的增加，CCM的電阻率先減小后保持不變；粉末導(dǎo)電填料的加入，對(duì)于CCM具有雙重作用：摻量適當(dāng)時(shí)，有利于砂漿導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成，電阻率降低，摻量過(guò)多時(shí)，會(huì)破壞砂漿內(nèi)部的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使得電阻率迅速增大。最后在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上提出了非干燥情況下CCM的導(dǎo)電模型。

關(guān)鍵詞：硫鋁酸鹽水泥；復(fù)合導(dǎo)電砂漿；碳纖維；石墨；納米氧化鋅；水粉比

0 前言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，人們對(duì)于水泥基材料的期望不再局限于其作為一種結(jié)構(gòu)材料，而是通過(guò)與其它材料的復(fù)合來(lái)實(shí)現(xiàn)自身的功能化與智能化。水泥基導(dǎo)電復(fù)合材料便是水泥基材料功能化與智能化的一個(gè)典型。水泥基導(dǎo)電復(fù)合材料是以水泥作為膠凝材料，將導(dǎo)電物質(zhì)（碳纖維、石墨、炭黑和金屬粉末、導(dǎo)電聚合物等）摻混并均勻分散在水泥中制成［1］，而其中最重要的導(dǎo)電填料便是碳纖維，因?yàn)槠洳粌H具有很高的電導(dǎo)率、抗拉性能，還具有耐火、抗腐蝕性能等［2］。20世紀(jì)90年代初期，美國(guó)紐約州立大學(xué)D.D.L Chung教授對(duì)碳纖維水泥基復(fù)合材料進(jìn)行了研究，取得了一系列成果［3-4］。隨后Sun MQ、陳兵等［5-6］對(duì)碳纖維水泥基復(fù)合材料進(jìn)行了探索研究，發(fā)現(xiàn)碳纖維水泥基復(fù)合材料不僅具有一定的導(dǎo)電性能，還有電磁屏蔽功能、壓敏性能、Seebeck效應(yīng)、熱電效應(yīng)，并能增強(qiáng)導(dǎo)電砂漿的抗拉性能等，是一種多功能機(jī)敏材料。而這些功能的實(shí)現(xiàn)，都涉及到碳纖維、水泥基體以及復(fù)合材料整體的導(dǎo)電機(jī)理，它是指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)、制備，性能優(yōu)化、開(kāi)發(fā)等眾多方面的基礎(chǔ)［7］。

目前對(duì)碳纖維增強(qiáng)水泥基材料的導(dǎo)電機(jī)理研究比較多，也形成了以導(dǎo)電通道理論和隧道效應(yīng)為主的導(dǎo)電機(jī)理學(xué)說(shuō)，但大部分研究者只對(duì)單純加碳纖維或石墨的硅酸鹽水泥漿體材料進(jìn)行了研究［8-10］。對(duì)于同時(shí)加多種導(dǎo)電填料（碳纖維、石墨、其它金屬粉末等）的導(dǎo)電水泥、導(dǎo)電砂漿，以及不同品種水泥的導(dǎo)電水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)電機(jī)理研究尚少。而且碳纖維水泥基復(fù)合材料導(dǎo)電機(jī)理如何，還是一個(gè)需要深入研究的課題。特別是含水量對(duì)導(dǎo)電性的影響，目前雖有一些研究成果，但還缺少深入系統(tǒng)的研究。硫鋁酸鹽水泥（SAC）相比普通硅酸鹽水泥具有凝結(jié)快、強(qiáng)度高、微膨脹、低收縮、抗裂、生產(chǎn)能耗和CO2排放少等優(yōu)點(diǎn)［11］。但其水化時(shí)化學(xué)需水量更高，水灰比很容易影響其水化，從而直接影響其孔隙率、孔隙大小和孔溶液的離子濃度，這些因素與SAC的體積電阻率息息相關(guān)［12］。因此本文以硫鋁酸鹽水泥砂漿作基體，同時(shí)加入碳纖維、石墨和納米氧化鋅作為導(dǎo)電填料，制成硫鋁酸鹽復(fù)合導(dǎo)電砂漿（CCM），對(duì)其導(dǎo)電性能進(jìn)行了測(cè)試，并就水對(duì)其導(dǎo)電機(jī)理的影響進(jìn)行了初步研究與探討。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料和試驗(yàn)設(shè)備

（1）42.5R硫鋁酸鹽水泥：上海啟林建材公司產(chǎn)，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 雙快硫鋁酸鹽水泥的化學(xué)成分　%

（2）砂：ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。

（3）碳纖維：南京海拓公司的聚丙烯氰基短切碳纖維，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 碳纖維的主要性能指標(biāo)

（4）石墨：深圳BENNO，CAS：7782-42-5，1000目。

（5）納米氧化鋅：阿拉丁Z112849，純度≥99.8%，顆粒細(xì)度為（50±10）nm。

（6）減水劑：深圳五新材料公司的聚羧酸減水劑。

（7）纖維分散劑：天津大茂化學(xué)試劑廠生產(chǎn)的甲基纖維素。

（8）緩凝劑：上海凌峰化學(xué)試劑公司生產(chǎn)的硼酸，純度≥99.5%。

（9）電極：采用直徑為0.5 mm，14目的黃銅網(wǎng)，長(zhǎng)×寬=5.5 mm×3.8 mm。

主要測(cè)試儀器：同惠LRC2812電橋儀、美國(guó)FEI公司的Quanta TM 250 FEG型掃描電鏡、上海金相鼓風(fēng)干燥箱DHG-9920A。

1.2 試件制備方法

（1）制備水灰比為0.65，灰砂比為1∶2.5，碳纖維摻量分別占水泥質(zhì)量0、0.15%、0.30%、0.50%、1.00%、1.50%的試樣，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1 d，水中養(yǎng)護(hù)至28 d，并自然晾干3 d后測(cè)試碳纖維摻量對(duì)SAC導(dǎo)電砂漿電阻率的影響。

（2）設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，因素水平見(jiàn)表3。試件的水灰比均為0.65，灰砂比為1∶2.5，甲基纖維素和減水劑摻量分別為用水量的0.25%、0.40%，緩凝劑摻量占水泥質(zhì)量的1.9%，3種導(dǎo)電介質(zhì)摻量均按占水泥質(zhì)量計(jì)，每組試件做3個(gè)平行試樣。測(cè)試各試件的電阻率，取算術(shù)平均值，并對(duì)部分試樣進(jìn)行微觀分析。

表3 正交實(shí)驗(yàn)因素水平

試件制備：首先將甲基纖維素溶于60℃熱水后冷卻；然后加入減水劑和碳纖維，人工攪拌3 min；再加入納米氧化鋅和硼酸，人工攪拌3 min；最后加入水泥、石墨和砂漿，機(jī)械攪拌3 min。振動(dòng)成型，試件尺寸為4 cm×4 cm×16 cm，同時(shí)在每個(gè)試件兩邊離末端2 cm處，平行插入3.8 cm×5 cm銅網(wǎng)電極。成型好的試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至24 h拆模，放入水中養(yǎng)護(hù)至28 d，自然晾干3 d后測(cè)試電阻，試件的具體形狀如圖1所示。

圖1 用于測(cè)試電阻的試件示意

1.3 性能測(cè)試方法

電阻率：采用同惠LRC2812電橋儀，選擇R檔，頻率為1000 Hz進(jìn)行測(cè)試，按ρ=RS/L計(jì)算導(dǎo)電砂漿的體積電阻率。其中R為測(cè)得電阻，S為圖1中試件的橫截面積，L為2個(gè)電極之間的間距。

干燥處理后測(cè)試：對(duì)正交實(shí)驗(yàn)水平3中的3個(gè)試樣進(jìn)行持續(xù)干燥處理，測(cè)試質(zhì)量和電阻率的變化。

微觀分析：對(duì)試件取樣，干燥噴金后進(jìn)行SEM分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 碳纖維摻量對(duì)SAC導(dǎo)電砂漿電阻率的影響（見(jiàn)圖2）

圖2 碳纖維摻量對(duì)SAC導(dǎo)電砂漿電阻率的影響

從圖2可以看出，當(dāng)碳纖維摻量為0～0.5%時(shí)，SAC導(dǎo)電砂漿的電阻率隨碳纖維摻量的增加而急劇下降；當(dāng)碳纖維摻量大于1.0%后，電阻率基本趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)榱蜾X酸鹽水泥的主要熟料礦物是無(wú)水硫鋁酸鈣和硅酸二鈣，主要水化產(chǎn)物為單硫型水化硫鋁酸鈣（AFm）、鈣礬石（AFt）以及水化硅酸鈣凝膠C-S-H。其水泥石內(nèi)部相分布極其復(fù)雜，存在大量未水化的孔隙水，且孔隙水中含有大量的Na+、K+、Ca2+、SO42-、Al3+、OH-等離子，屬于強(qiáng)電解質(zhì)溶液［13］。所以碳纖維摻量在小于0.5%時(shí)，纖維在導(dǎo)電砂漿內(nèi)部并不能形成有效的搭接，主要靠砂漿中的孔溶液離子和碳纖維共同作用而形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，離子導(dǎo)電起主導(dǎo)作用；當(dāng)碳纖維摻量大于1.0%時(shí)，碳纖維之間已能形成有效的搭接，碳纖維摻量持續(xù)增大時(shí)，電阻率基本不變。其中，離子導(dǎo)電雖然存在，但已不起主導(dǎo)作用，而是以搭接纖維之間的電子導(dǎo)電為主；而碳纖維摻量在0.5%～1.0%時(shí)，電阻率隨碳纖維摻量的增大而減少相對(duì)緩慢，主要是離子導(dǎo)電的主導(dǎo)作用持續(xù)減弱，碳纖維搭接的電子導(dǎo)電得到加強(qiáng)，并逐漸取代離子導(dǎo)電成為影響電阻率的主導(dǎo)因素。

2.2 復(fù)合導(dǎo)電砂漿CCM正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表4）

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表4可知，導(dǎo)電物質(zhì)對(duì)電阻率的影響順序?yàn)椋菏炯{米氧化鋅＞碳纖維，但這三者的影響并不相同。隨著碳纖維摻量的增大，CMC的電阻率降低，而隨著石墨和納米氧化鋅摻量的增大，CMC的電阻率增大。這是因?yàn)殡S著碳纖維的增加，碳纖維相互搭接程度提高，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)逐漸完善，從而使得電阻率降低。石墨與納米氧化鋅這2種導(dǎo)電填料的增加卻引起電阻率的增大，這與傳統(tǒng)的導(dǎo)電機(jī)理似乎有點(diǎn)相悖。因?yàn)榘凑諅鹘y(tǒng)的導(dǎo)電通道理論或隧道效應(yīng)理論，導(dǎo)電顆粒的增加會(huì)使得導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)更加完善、隧道壁壘減少，試樣的電阻率無(wú)疑會(huì)降低，而事實(shí)卻相反。當(dāng)然材料復(fù)合所產(chǎn)生的電學(xué)性能不是由簡(jiǎn)單的混合效應(yīng)（即平均效應(yīng)）所導(dǎo)致的，而是由協(xié)同效應(yīng)產(chǎn)生的。

為了體現(xiàn)出水在CCM中的作用，本文提出“水粉比”的概念：

式中：MW、M0、M2、M3——分別為水、水泥、石墨粉、納米氧化鋅的質(zhì)量，g。

然后建立水粉比與CCM之間的關(guān)系。但從表4的正交試驗(yàn)結(jié)果可以看出，3種導(dǎo)電填料的用量對(duì)試樣電阻率的影響程度并不相同。因此，在原有水粉比的概念下，按碳纖維和納米氧化鋅極差值與石墨極差值的比例作為前兩者的權(quán)重，將兩者的質(zhì)量乘以權(quán)重，全等效成石墨粉的當(dāng)量，代入式（1）中，得到修正后的水粉比：

式中：R1、R2、R3——分別為碳纖維、石墨和納米氧化鋅電阻率的極差，Ω·m；

M1——碳纖維的質(zhì)量，g。

由式（1）和式（3）得到正交試驗(yàn)的9組水粉比和修正水粉比見(jiàn)表4。

2.2.2 各水平下CCM與粉末導(dǎo)電填料的關(guān)系

為了研究CCM中各種導(dǎo)電介質(zhì)與砂漿產(chǎn)生的（電阻率）協(xié)同效果，將摻有0.5%、1.0%和1.5%的碳纖維試樣電阻率隨粉末導(dǎo)電填料摻量的變化繪成圖3。因?yàn)閺谋?的極差中可以看出，同等質(zhì)量的石墨和納米氧化鋅對(duì)CCM電阻率的貢獻(xiàn)并不相同，所以圖3中粉末導(dǎo)電填料摻量為M占水泥質(zhì)量的百分比。其中：

圖3 不同碳纖維量試樣電阻率隨粉末導(dǎo)電填料摻量的變化

從圖3看出，3條折線都呈先下降后持續(xù)上升狀態(tài)，即粉末導(dǎo)電填料摻量對(duì)復(fù)合砂漿的電阻率具有雙重作用：加入較少時(shí)會(huì)使CCM電阻率降低，摻量在5%左右時(shí)CCM電阻率最小；但摻量過(guò)大時(shí)，CCM電阻率又會(huì)隨摻量增加而持續(xù)增大，且摻量越多，增速越快。這是因?yàn)楹鲆暳朔勰?dǎo)電填料的加入會(huì)吸收水分，而水在CCM的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中又具有極為重要作用［14］。

在CCM中，由于試樣中不僅摻有碳纖維，還摻有石墨粉和納米氧化鋅，這2種粉末填料都有一定的吸水性。而本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的水灰比是恒定的（均為0.65），并沒(méi)有考慮2種填料的吸水性。因此，隨著2種粉末填料的加入，一方面，由于它們自身具有良好的導(dǎo)電性能，分散于試樣時(shí)，部分會(huì)與碳纖維形成良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而增加試樣整體的電通性，使其電阻率有所降低；另一方面，由于2種粉末填料的摻量分散于試樣時(shí)并不足以形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，大部分粉末填料也并不能作為纖維之間連通的橋臂，反而其吸水性顆粒填充作用，導(dǎo)致砂漿變得更加密實(shí)，流動(dòng)性降低，引起纖維的分散效果變差。而且孔隙率和孔隙溶液也相對(duì)減少，導(dǎo)致開(kāi)始能在孔隙中直接進(jìn)行搭接、或靠孔隙中的離子溶液進(jìn)行連通的纖維減少。表明粉末填料摻量較多時(shí)，會(huì)阻礙纖維的分散，抑制導(dǎo)電砂漿的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成，使得CCM中的離子導(dǎo)電、接觸導(dǎo)電受阻，試樣的電阻率增大。

2.2.3 水粉比對(duì)電阻率的影響

正交實(shí)驗(yàn)的9組水粉比和修正后水粉比見(jiàn)表4，它們與試樣電阻率的關(guān)系通過(guò)曲線擬合，得到的曲線分別見(jiàn)圖4、圖5，均為一元二次方程曲線。

圖4 水粉比與電阻率的關(guān)系

圖5 修正后水粉比與電阻率的關(guān)系

圖4、圖5擬合曲線的相關(guān)系數(shù)分別為0.82297、0.9749，證明在水灰比和其它因素不變的情況下，通過(guò)修正后的水粉比建立與電阻率的關(guān)系，更能真實(shí)反映導(dǎo)電填料加入砂漿后對(duì)其電阻率的影響。

圖5表明，隨著水粉比從0.55增大到0.62，CCM的電阻率急劇下降，但達(dá)到0.61左右時(shí)便趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)樵嚇拥乃冶仁枪潭ǖ模郾鹊蜁r(shí)，就意味著導(dǎo)電填料的用量相對(duì)較多，對(duì)試樣的導(dǎo)電性能的抑制作用大于促進(jìn)作用，纖維的分散搭接受阻，CCM以離子導(dǎo)電和隧道效應(yīng)傳導(dǎo)為主，電阻率因而較高。相反，隨水粉比增高時(shí)，導(dǎo)電填料相對(duì)減少，促進(jìn)作用大于抑制作用，纖維分散效果逐漸變好，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)也漸漸完整，CCM的導(dǎo)電也從離子導(dǎo)電和隧道效應(yīng)傳導(dǎo)為主，過(guò)渡到以離子導(dǎo)電和纖維搭接形成的復(fù)合導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為主，電阻率降低。而且當(dāng)水粉比超過(guò)一定的臨界值（本實(shí)驗(yàn)在0.61左右）時(shí)，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)完善，因而電阻率變化不大。

綜上，粉末導(dǎo)電填料的加入，對(duì)于恒定水灰比的CCM電阻率具有雙重作用。當(dāng)2種粉末導(dǎo)電填料加入量較少時(shí)，對(duì)CCM導(dǎo)電性的促進(jìn)作用大于抑制作用，試樣的電阻率降低；當(dāng)2種粉末導(dǎo)電填料加入量較多時(shí)，對(duì)CCM的導(dǎo)電性的促進(jìn)作用小于抑制作用，試樣的電阻率增大。

2.2.4 持續(xù)干燥對(duì)CCM電阻率的影響

圖6為表4中7#、8#、9#試樣的質(zhì)量和電阻率隨干燥時(shí)間的變化。

圖6 試樣質(zhì)量和電阻率隨干燥時(shí)間的變化

圖6表明：（1）所有試樣在干燥的前10 h質(zhì)量下降較快，30 h后基本趨于穩(wěn)定，質(zhì)量下降不明顯（30～45 h過(guò)程中下降質(zhì)量均在1.5 g以?xún)?nèi)）。且7#試樣雖然初始質(zhì)量較小，但后續(xù)減少的質(zhì)量最多；（2）試樣在前30 h電阻率均隨干燥時(shí)間延長(zhǎng)而增大，9#試樣的電阻率隨干燥時(shí)間延長(zhǎng)增長(zhǎng)的最快，8#試樣次之，7#試樣最??；（3）干燥30 h后3種試樣的質(zhì)量下降均不明顯，但其中7#試樣的電阻率趨于穩(wěn)定，8#、9#試樣的電阻率卻急劇上升，而且比各自前30 h增長(zhǎng)速率都大。

試樣質(zhì)量的減小即為試樣內(nèi)部水分的減少，主要為砂漿中的自由水和部分結(jié)合力較弱的膠凝水。因此，（1）可解釋為7#試樣水粉比較高，因而較8#、9#試樣含有更多的孔隙水；（2）是因?yàn)镃CM水分的蒸發(fā)必然導(dǎo)致孔隙水溶液的減少，導(dǎo)電離子結(jié)晶析出，破壞了CCM內(nèi)部的導(dǎo)電通路，最終使得電阻率上升；對(duì)于第（3）點(diǎn)，原因是：①8#、9#試樣中碳纖維未形成有效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。在濕潤(rùn)狀態(tài)下，是以離子和纖維搭接形成的復(fù)合導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳導(dǎo)為主；在試件不斷干燥過(guò)程中，離子導(dǎo)電作為未有效搭接纖維之間的橋臂，隨孔溶液的蒸發(fā)而逐漸消失，砂漿內(nèi)部的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)被破壞，8#、9#試樣逐漸過(guò)渡到以隧道效應(yīng)導(dǎo)電為主，因而電阻率不斷增大；②7#試樣內(nèi)部的碳纖維形成了有效的搭接網(wǎng)絡(luò)。在濕潤(rùn)的狀態(tài)下，離子導(dǎo)電和纖維搭接形成的復(fù)合導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)比較完善，電阻率相對(duì)較低；隨干燥時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，離子導(dǎo)電逐漸退出，但因?yàn)槔w維之間形成了有效搭接，所以雖然試樣電阻率增大，但趨于平穩(wěn)。

綜合以上的分析可以論證的是：對(duì)于CCM而言，石墨和納米氧化鋅粉末導(dǎo)電填料的適當(dāng)加入有利于其內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成，降低其電阻率；而過(guò)多的加入，由于其吸水性會(huì)使得CCM的和易性降低，使得碳纖維之間不能完全分散，形成完整的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。而且由于其吸水性，導(dǎo)致試樣內(nèi)部孔和孔隙溶液的減少，使得離子導(dǎo)電在離子導(dǎo)電和纖維搭接形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中，作為未有效搭接纖維之間的橋臂作用減少，CCM電阻率自然增大。

2.3 CCM的SEM分析

7#、9#試樣的掃描電鏡照片見(jiàn)圖7。

圖7 7#、9#試樣的掃描電鏡照片

7#、9#試樣的碳纖維摻量均為1.5%，但由圖7可以清楚地看到，粉末導(dǎo)電填料摻量較少的7#試樣中，碳纖維分散較均勻，沒(méi)有團(tuán)聚現(xiàn)象；而粉末導(dǎo)電填料摻量較多的9#試樣中，碳纖維發(fā)生了團(tuán)聚，導(dǎo)致團(tuán)聚以外的周邊區(qū)域幾乎沒(méi)有碳纖維。因此說(shuō)明了石墨和納米氧化鋅粉末摻量適當(dāng)，即不影響CCM的和易性時(shí)，有利于CCM的導(dǎo)電性；而摻量過(guò)多時(shí)，會(huì)因它們的吸水性而導(dǎo)致CCM的流動(dòng)性降低，阻礙碳纖維有效分散，從而導(dǎo)致CCM的電阻率降低。

2.4 CCM的導(dǎo)電機(jī)理討論

一般來(lái)說(shuō)，CCM內(nèi)部擁有離子導(dǎo)電（σi）、碳纖維或粉末導(dǎo)電填料搭接形成的電子導(dǎo)電（σe）和電子躍遷形成的隧道效應(yīng)導(dǎo)電（空穴導(dǎo)電σh）3種基本方式［16］。但CCM的導(dǎo)電能力不僅僅簡(jiǎn)單的等同于三者導(dǎo)電能力之和，而是應(yīng)該等效于三者協(xié)同效應(yīng)構(gòu)成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電能力。對(duì)于干燥情況下導(dǎo)電砂漿的導(dǎo)電模型相關(guān)研究者已做了很多［17-18］，基于這些研究和本文上述的研究結(jié)果，作者在這里提出關(guān)于交流測(cè)試下非干燥CCM的導(dǎo)電模型。

如果將試件沿著導(dǎo)電通路的垂直方向切成n等分（n是一個(gè)能將圖1的試件分成足夠小的單元體，見(jiàn)圖8），看成n等分基本單元體的串聯(lián)。當(dāng)使用交流方式測(cè)試時(shí)，CCM中一個(gè)圖8所示的基本單元體，等價(jià)于圖9中的一個(gè)等效單元體。則3種導(dǎo)電方式在CCM內(nèi)部形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)可以簡(jiǎn)化為如圖9所示的電阻模型，即n個(gè)等效單元體的串聯(lián)。這樣，隨碳纖維摻量的增加，或溫濕度的變化，每個(gè)單元中3種導(dǎo)電方式相互競(jìng)爭(zhēng)，最后所有等效電阻單元的電阻疊加效果將導(dǎo)致整個(gè)導(dǎo)電試件的電阻率發(fā)生改變。

圖8 CCM的導(dǎo)電基本單元體

圖9 n個(gè)等效電阻單元體構(gòu)成CCM的電阻模型

3 結(jié)語(yǔ)

（1）當(dāng)碳纖維摻量為0～0.5%時(shí)，導(dǎo)電砂漿的電阻率隨碳纖維的摻量增加而急劇下降；當(dāng)碳纖維摻量大于1.0%后，電阻率基本趨于平穩(wěn)。

（2）粉末導(dǎo)電填料的加入，對(duì)于恒定水灰比的CCM的導(dǎo)電性具有雙重作用。當(dāng)2種粉末導(dǎo)電填料摻量較少時(shí)，對(duì)CCM的導(dǎo)電性的促進(jìn)作用大于抑制作用，試樣的電阻率降低；當(dāng)2種粉末導(dǎo)電填料摻量較多時(shí)，對(duì)CCM導(dǎo)電性的促進(jìn)作用小于抑制作用，試樣的電阻率增大。

（3）摻入適量的石墨和納米氧化鋅粉末，有利于CCM導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成，降低電阻率；而摻量過(guò)多時(shí)，會(huì)因它們的吸水性而導(dǎo)致CCM的流動(dòng)性降低，阻礙碳纖維的有效分散，破壞了砂漿內(nèi)部的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而導(dǎo)致CCM的體積電阻率降低。

（4）在上述研究的基礎(chǔ)上提出了關(guān)于交流測(cè)試下非干燥CCM的導(dǎo)電模型。

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Preparation and study on sulphoaluminate cement conductive mortar

YI Feng，DING Zhu
（Civil Engineering of Shenzhen University，Guangdong Provincial Laboratory of Durability for Marine Civil Engineering，Shenzhen 518060，China）

Abstract：The influence of carbon fiber dosage on the electrical resistance of SAC conductive mortar was studied at first. Then the impact of carbon fiber，graphite and nano-zinc oxide on the electrical resistance of composite conductive mortar（CCM）were studied by orthogonal test. Finally，the mass loss and the change of electrical resistivity in CCM under continuous drying conditions were measured，and the distribution of the carbon fiber in the mortar was observed by means of SEM. The results show that electrical resistivity of CCM decreases first and then remains at a certain level with the increasing of carbon fiber. Powder conductive fillers has double effect on CCM，on the one hand its adding appropriately could help establish conduction network of CCM and decrease the resistance，on the other hand too much adding might also impede establish conduction network of CCM and increase the resistance. At last，a non-dry conductive model of CCM based on experiment was raised.

Key words：sulphoaluminate cement，composite conductive mortar，carbon fiber，graphite，nano-zinc oxide，water powder ratio

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-702X（2016）03-0010-06

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51172146、51472163）

收稿日期：2015-09-04；

修訂日期：2015-10-06

作者簡(jiǎn)介：易峰，男，1991年生，湖南永州人，碩士研究生，研究方向：建筑功能材料。