方喆禹 ，鄧科興，黃 根，唐晨鈞 ，宣 明，王 東，冉松林,*

（1.冶金工程與資源綜合利用安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(安徽工業(yè)大學(xué)),安徽 馬鞍山 243002；2.冶金減排與資源綜合利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(安徽工業(yè)大學(xué)),安徽 馬鞍山 243002；3.安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243002）

0 引言

含鈦高爐渣是我國(guó)四川攀枝花-西昌地區(qū)的釩鈦磁鐵礦經(jīng)過(guò)高爐冶煉處理后所得的一種固體廢棄物，其TiO2含量約為20%～25%[1?2]。我國(guó)含鈦高爐渣的堆存量已達(dá)8 000 多萬(wàn)t，并且還在以每年300 萬(wàn)t 的速度增長(zhǎng)[3?4]，其堆放占用了大量的土地，造成環(huán)境污染。由于國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的不斷重視，以及高品質(zhì)鈦礦資源的不斷稀缺，含鈦高爐渣作為一種鈦資源逐漸受到了研究人員和工業(yè)界的青睞。當(dāng)前，對(duì)含鈦高爐渣的利用主要圍繞著提取TiO2和制備含鈦化合物兩個(gè)方面展開(kāi)，提取TiO2的主要途徑為采用酸解法制備TiO2，制備含鈦化合物主要包括制備TiCl4、Ti(C,N)和鈦合金等制品[5?13]。盡管現(xiàn)有的工藝可以從含鈦高爐渣中提取或者應(yīng)用其中的Ti 元素，但均存在過(guò)程復(fù)雜或成本較高等問(wèn)題。更為重要的是，在這些工藝中，只有Ti 元素被考慮作為資源，而其它元素只能作為固體廢棄物，產(chǎn)生二次污染。因此，急需探索含鈦高爐渣全組分、大宗量、高附加值的利用方法[14]。

水泥基復(fù)合材料，包括涂料、砂漿和混凝土，因其優(yōu)良的物理性能和低廉的成本而廣泛應(yīng)用于土木工程。常規(guī)的水泥基復(fù)合材料導(dǎo)電性能較差，在干燥狀態(tài)下電阻率一般在103～106Ω·m，但制備過(guò)程中加入一定比例的導(dǎo)電相可以顯著降低其電阻率，得到可應(yīng)用于建筑加熱采暖、電磁干擾屏蔽、靜電釋放、建筑自檢測(cè)及橋梁路面融雪化冰等領(lǐng)域的水泥基導(dǎo)電復(fù)合材料[15?19]。目前制備水泥基導(dǎo)電復(fù)合材料常用的導(dǎo)電相為鋼纖維、石墨、碳纖維和鋼渣等[18]。鋼纖維具有高強(qiáng)度和良好的導(dǎo)電性，并且易于機(jī)械加工，是作為水泥基導(dǎo)電復(fù)合材料中導(dǎo)電相的首選[20]，試驗(yàn)表明，鋼纖維的摻入大大提高了水泥基復(fù)合材料的拉伸、彎曲、剪切強(qiáng)度和導(dǎo)電性；但由于混凝土基體內(nèi)部為堿性環(huán)境，鋼纖維表面會(huì)發(fā)生氧化被鈍化膜覆蓋，從而導(dǎo)致水泥基復(fù)合材料的電阻率急劇增加[20?21]。石墨具有較強(qiáng)的抗氧化和抗堿腐蝕性能，適合作為導(dǎo)電相制備電阻率穩(wěn)定的水泥基復(fù)合材料[22]，但是當(dāng)石墨含量達(dá)到使水泥基復(fù)合材料轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電材料的閾值時(shí)，材料的強(qiáng)度大幅降低，無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。也就是說(shuō)，采用石墨作為導(dǎo)電相很難實(shí)現(xiàn)電學(xué)性能與力學(xué)性能的同時(shí)兼顧[22?24]。碳纖維具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性和抗腐蝕性能，并且自身特殊的結(jié)構(gòu)更容易形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，改善導(dǎo)電混凝土的力學(xué)性能，但碳纖維和水泥的混合攪拌會(huì)在水泥基復(fù)合材料中引入大量氣泡，造成強(qiáng)度的下降[24?25]。研究表明，水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度往往取決于材料內(nèi)部集料之間的相互接觸程度，但集料通常不具有導(dǎo)電性，如果集料占比過(guò)高，則會(huì)阻斷碳纖維的導(dǎo)電通路，會(huì)影響材料的導(dǎo)電性能。因此，引入導(dǎo)電集料是使水泥基復(fù)合材料兼顧電學(xué)性能與力學(xué)性能的一種新思路[26]。研究表明，使用導(dǎo)電集料可降低導(dǎo)電水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)電滲流閾值，這對(duì)改善水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能和降低導(dǎo)電相成本都非常有利[27]。導(dǎo)電水泥基復(fù)合材料作為一種潛在的土木工程材料，消耗量巨大，其成本決定了其應(yīng)用前景。人工合成的導(dǎo)電集料由于工藝復(fù)雜，成本高，不適合實(shí)際應(yīng)用。因此，使用固體廢棄物作為導(dǎo)電填料或集料引起了眾多科研工作者們的關(guān)注[28?30]。例如，使用電弧爐渣作為導(dǎo)電集料可實(shí)現(xiàn)水泥砂漿的強(qiáng)度和電磁屏蔽效果的兼顧[31]。

含鈦碳化渣是攀鋼“高溫碳化-低溫氯化”提鈦工藝的中間產(chǎn)物[7]，在高溫碳化過(guò)程中，含鈦高爐渣中的TiO2被碳熱還原成TiC，而TiC 是一種具有較強(qiáng)抗氧化性和耐酸堿腐蝕性的導(dǎo)電陶瓷相，雖然非碳化高爐渣中的TiO2也可以作為導(dǎo)電集料，但是碳化渣中的TiC 具有更好的導(dǎo)電性能。因此含鈦碳化渣有望作為導(dǎo)電集料用于制備水泥基導(dǎo)電復(fù)合材料。筆者以含鈦碳化渣為集料，碳纖維為導(dǎo)電相，制備了導(dǎo)電水泥砂漿，系統(tǒng)研究了以含鈦碳化渣替代傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)砂為集料對(duì)導(dǎo)電水泥砂漿力學(xué)和電學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 材料與試劑

含鈦碳化渣取自攀鋼研究院有限公司；水泥為馬鞍山海螺水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的PII 42.5 型硅酸鹽水泥；短切碳纖維來(lái)自深圳中森領(lǐng)航科技有限公司，其性質(zhì)如表1 所示；標(biāo)準(zhǔn)砂來(lái)自廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司。

表1 短切碳纖維性質(zhì)Table 1 Properties of chopped carbon fibers

我們前期的工作表明，含鈦碳化渣的主要晶相為TiC，呈小顆粒彌散在硅酸鹽相表面，含量約為20%，適合作為導(dǎo)電水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)電集料[31]。含鈦碳化渣顆粒粒徑范圍為0.015～0.45 mm，其微觀形貌不規(guī)則、棱角分明，有利于在基體內(nèi)與水泥形成互鎖結(jié)構(gòu)，提升結(jié)合強(qiáng)度[31]。

1.2 碳纖維水泥砂漿的制備

表2 為碳纖維水泥砂漿的配料比，樣品編號(hào)1～6 添加了不同含量的碳纖維，以探究碳纖維含量對(duì)制備出的樣品性能的影響，樣品編號(hào)7～12 是1～6 的對(duì)照組，目的是比較以碳化渣和標(biāo)準(zhǔn)砂分別作為導(dǎo)電集料制備出的樣品之間的性能差異。首先將水加熱到60 ℃，然后加入水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%的甲基纖維素，用玻璃棒攪拌均勻后加入短切碳纖維，再次攪拌至杯中碳纖維無(wú)明顯團(tuán)聚；將水泥和水在水泥砂漿攪拌機(jī)中低速攪拌30 s；隨后，加入分散均勻的碳纖維，并以慢速混合30 s，然后加入含鈦碳化渣，高速混合90 s 后將膠砂裝入40 mm×40 mm×160 mm 的不銹鋼模套中；經(jīng)水泥膠砂振實(shí)臺(tái)振實(shí)后，插入4 個(gè)電極，電極由30 mm×50 mm 不銹鋼網(wǎng)組成，金屬絲直徑為0.23 mm，孔邊長(zhǎng)度為1.1 mm；將試樣置入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)24 h 后脫模；最后將試樣用水浸泡在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱的溫度為20～21℃，相對(duì)濕度～95%。為了獲得干燥的樣品，將養(yǎng)護(hù)28 d 后的樣品放入烘箱中，在90 ℃下干燥24 h[31]。

表2 碳纖維水泥砂漿的配合比Table 2 Mix proportion of carbon fiber cement mortar

1.3 分析和測(cè)試

試塊養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后取出，采用直流電源，利用四電極伏安法測(cè)量試樣電阻，并計(jì)算材料的體積電阻率[31]。采用天津鑫高偉業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的YAW-300C 型全自動(dòng)水泥抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度[31]。采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FSEM，MIRA3，捷克TESCAN）觀察材料的微觀形貌。所有的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Origin 軟件繪制成柱狀圖，SEM 圖像由Photoshop 軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳纖維含量對(duì)水泥砂漿強(qiáng)度的影響

圖1 為碳纖維含量對(duì)兩種集料碳纖維水泥砂漿28 d 抗壓強(qiáng)度的影響。在碳纖維含量為0.2%～2.0%時(shí)，含鈦碳化渣-碳纖維水泥砂漿始終具有比標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿更高的抗壓強(qiáng)度。我們前期的工作表明，未添加碳纖維時(shí)，以標(biāo)準(zhǔn)砂為集料的水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度為59.4 MPa，當(dāng)使用含鈦碳化渣取代標(biāo)準(zhǔn)砂后，所得水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度為72.8 MPa[31]。當(dāng)碳纖維的含量為0.2%時(shí)，含鈦碳化渣-碳纖維水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度為33.0 MPa，下降了54.7%；而標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿的強(qiáng)度為25.6 MPa，較未添加碳纖維的試件下降了56.9%。添加碳纖維后兩種水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度均產(chǎn)生了明顯的下降，這是因?yàn)樵谔祭w維分散以及攪拌混合的過(guò)程中引入了大量氣泡，造成水泥砂漿基體內(nèi)孔隙率升高，整體粘結(jié)性變差。隨著碳纖維含量的進(jìn)一步增加，含鈦碳化渣-碳纖維水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度緩慢上升，最終穩(wěn)定在40.0 MPa 左右；而標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度始終穩(wěn)定在25.0 MPa 左右。當(dāng)碳纖維含量為2.0 %時(shí)，含鈦碳化渣-碳纖維水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度為39.9 MPa，而標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度為24.2 MPa。在碳纖維含量為0.2%～2.0%范圍內(nèi)，含鈦碳化渣-碳纖維水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度始終滿足建筑強(qiáng)度要求（30 MPa），而標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿在該范圍內(nèi)均不滿足建筑強(qiáng)度要求。

圖1 兩種水泥砂漿28 d 齡期抗壓強(qiáng)度隨碳纖維含量的變化Fig.1 Effect of carbon fiber content on the compressive strength of cement mortars cured for 28 days with different aggregates

圖2 為碳纖維含量對(duì)兩種集料碳纖維水泥砂漿28 d 抗折強(qiáng)度的影響。根據(jù)圖2，含鈦碳化渣-碳纖維水泥砂漿始終比標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿具有更高的抗折強(qiáng)度。在碳纖維含量為0.2%～2.0%范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿的抗折強(qiáng)度維持在6.0 MPa 左右，并在碳纖維含量為2.0%時(shí)達(dá)到最大值7.2 MPa，而含鈦碳化渣-碳纖維水泥砂漿的抗折強(qiáng)度穩(wěn)定在10.0 MPa 左右，并在碳纖維含量為1.5% 時(shí)達(dá)到最大值11.8 MPa，較相同碳纖維含量的標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿的強(qiáng)度提高了98.6%。

圖2 兩種水泥砂漿28 d 齡期抗折強(qiáng)度隨碳纖維含量的變化Fig.2 Effect of carbon fiber content on the rupture strength of cement mortars cured for 28 days with different aggregates

含鈦碳化渣對(duì)碳纖維水泥砂漿強(qiáng)度的增強(qiáng)作用與以下因素有關(guān)：①含鈦碳化渣經(jīng)過(guò)高溫處理，比標(biāo)準(zhǔn)砂具有更高的本征抗壓強(qiáng)度。②含鈦碳化渣具有一定活性，可以參與水化反應(yīng)。含鈦碳化渣經(jīng)高溫處理和水淬后，渣中大部分Si、Ca、Al 等元素以氧化物的形式形成玻璃態(tài)，但還有部分會(huì)以結(jié)晶2CaO·SiO2、3CaO·SiO2、3CaO·Al2O3和4CaO·Al2O3·Fe2O3的形式存在，均具有水化活性。③含鈦碳化渣外觀形貌不規(guī)則，顆粒棱角分明，有利于與水泥、碳纖維形成互鎖結(jié)構(gòu)，這也有利于其保持較高的抗壓強(qiáng)度。

2.2 碳纖維含量對(duì)水泥砂漿電阻率的影響

以碳纖維為導(dǎo)電相制備碳纖維水泥砂漿，比較了含鈦碳化渣和標(biāo)準(zhǔn)砂兩種集料對(duì)不同碳纖維含量下碳纖維水泥砂漿電阻率的影響，其結(jié)果如圖3 和圖4 所示。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)齡期下標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿電阻率隨碳纖維含量的變化Fig.3 Change of resistivity of standard sand-carbon fiber cement mortar with increasing carbon fiber content at different curing ages

圖4 不同養(yǎng)護(hù)齡期下含鈦碳化渣-碳纖維水泥砂漿電阻率隨碳纖維含量的變化Fig.4 Change of resistivity of titanium-containing carbonated slag-carbon fiber cement mortar with increasing carbon fiber content at different curing ages

從圖3、4 可以看出，盡管碳纖維含量和集料類型不同，水泥砂漿的電阻率均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而增加，這與水泥砂漿的孔隙結(jié)構(gòu)和含水量有關(guān)。在制備碳纖維水泥砂漿時(shí)，碳纖維分散和材料混合攪拌會(huì)引入大量氣泡，造成基體內(nèi)部孔隙率上升；材料制備過(guò)程中實(shí)際加水量遠(yuǎn)高于水泥水化反應(yīng)所需的水量，同時(shí)水化反應(yīng)需要一定的時(shí)間，在水泥砂漿中還存在Ca2+、K+、Na+等離子，這使得材料中自由水具有良好的離子電導(dǎo)性能。在低養(yǎng)護(hù)齡期，基體孔洞中充滿著離子液體，因此電阻率較低[31?32]；隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，水化反應(yīng)不斷吸收基體內(nèi)的自由水，水分減少留下的孔洞破壞了原有的三維離子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致水泥砂漿的電阻率上升。

當(dāng)不添加導(dǎo)電相時(shí)，3、7 d 和28 d 齡期的標(biāo)準(zhǔn)砂水泥砂漿的電阻率分別為2 420、2 792 Ω·m 和3 387 Ω·m，而對(duì)應(yīng)的含鈦碳化渣水泥砂漿的電阻率為623、1 180 Ω·m 和5 282 Ω·m[31]。當(dāng)0.2%碳纖維作為導(dǎo)電相加入水泥砂漿后，兩種集料水泥砂漿各齡期的體積電阻率均發(fā)生了1 到2 個(gè)數(shù)量級(jí)的驟減，3、7 d 和28 d 齡期的標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿的電阻率值分別降低至130、221 Ω·m 和344 Ω·m，而含鈦碳化渣-碳纖維水泥砂漿的電阻率分別降低至7.7、7.8 Ω·m 和90.3 Ω·m。這說(shuō)明碳纖維的加入可以有效改善水泥砂漿的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)除了離子溶液引起的離子電導(dǎo)外，添加碳纖維可以增加接觸電導(dǎo)。值得注意的是，此時(shí)含鈦碳化渣-碳纖維水泥砂漿的電阻率遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿，這說(shuō)明含鈦碳化渣作為集料更有利于導(dǎo)電路徑的搭接。隨著碳纖維的含量的增加，標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿各齡期的電阻率在碳纖維含量達(dá)到0.5%時(shí)均發(fā)生了一個(gè)數(shù)量級(jí)的驟降，繼而各齡期電阻率均趨于平穩(wěn)，表明此時(shí)碳纖維在標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿內(nèi)部形成了導(dǎo)電通路，碳纖維的含量達(dá)到了滲流閾值濃度。在這一范圍內(nèi)，隨著碳纖維含量的逐漸增加，低齡期含鈦碳化渣-碳纖維水泥砂漿的電阻率緩慢降低，并且始終低于標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿，28 d 齡期的電阻率是先降低后趨于平穩(wěn)，在碳纖維含量為0.5%～1.1%時(shí)，電阻率高于標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿，當(dāng)含量達(dá)到1.5%后，低于標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿。

以上現(xiàn)象和導(dǎo)電相與集料的匹配有關(guān)。在碳纖維含量為0.5%～1.1%范圍內(nèi)，雖然水泥砂漿中形成了部分導(dǎo)電通路，但由于碳纖維添加量較低，離子導(dǎo)電仍然發(fā)揮著主要作用，此時(shí)水泥砂漿的電阻率仍然由孔隙大小和分布決定。標(biāo)準(zhǔn)砂具有較碳化渣更合理的顆粒集配，在與碳纖維攪拌時(shí)引入的氣泡較少，因此制備的水泥砂漿孔隙較少，分布均勻。由于含鈦碳化渣的粒徑低于標(biāo)準(zhǔn)砂，導(dǎo)致集料中大顆粒減少，在與碳纖維攪拌時(shí)引入的氣泡較多，孔隙增多，潮濕狀態(tài)下離子導(dǎo)電能力較強(qiáng)，所以3 d 和7 d齡期內(nèi)含鈦碳化渣-碳纖維水泥砂漿的電阻率低于標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿。隨著齡期的增加，水化反應(yīng)不斷進(jìn)行，基體內(nèi)游離水逐漸減少，留下的孔隙成為了導(dǎo)電通路的阻礙，所以在這一范圍內(nèi)，28 d 齡期含鈦碳化渣水泥砂漿的電阻率高于標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿。當(dāng)碳纖維含量超過(guò)1.5%時(shí)，碳纖維與含鈦碳化渣在基體內(nèi)部形成了密集的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，電子導(dǎo)電的作用取代離子導(dǎo)電占主要地位，因此這一含量范圍內(nèi)的28 d 齡期的含鈦碳化渣水泥砂漿電阻率低于標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿。

標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿28 d 齡期的電阻率在碳纖維含量達(dá)到0.5%時(shí)急劇下降后趨于穩(wěn)定，最終降低到38.3 Ω·m；而含鈦碳化渣水泥砂漿28 d 齡期的電阻率在碳纖維含量達(dá)到0.2%時(shí)已經(jīng)達(dá)到相同的數(shù)量級(jí)，并最終降低到10.7 Ω·m。以上現(xiàn)象說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿的滲流閾值濃度為0.5%，而含鈦碳化渣水泥砂漿的滲流閾值濃度為0.2%。因此，含鈦碳化渣作為集料可以降低導(dǎo)電水泥砂漿的滲流閾值。

實(shí)際上，水泥砂漿在養(yǎng)護(hù)28 d 后仍含有一定量未蒸發(fā)完全的水分，這意味著離子電導(dǎo)對(duì)碳纖維水泥砂漿的電阻率仍有影響，并且這種影響在碳纖維含量較低的情況下更為顯著。也就是說(shuō)，由于游離水的存在，僅僅比較28 d 齡期水泥砂漿的電阻率，無(wú)法真正評(píng)價(jià)含鈦碳化渣替代標(biāo)準(zhǔn)砂為集料對(duì)碳纖維水泥砂漿電阻率的影響。此外，對(duì)于用作建筑加熱材料的水泥砂漿，由于水在材料的使用過(guò)程中會(huì)被蒸發(fā)，在材料設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)排除水溶液產(chǎn)生的離子電導(dǎo)。為此，通過(guò)干燥去除碳纖維水泥砂漿中的水分，排除離子電導(dǎo)的干擾后，比較了碳纖維含量對(duì)干燥后含鈦碳化渣-碳纖維水泥砂漿和標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿電阻率的影響，結(jié)果如圖5 所示。干燥狀態(tài)下，兩種水泥砂漿的電阻率都隨著碳纖維含量的增加而降低。相比標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿，含鈦碳化渣-碳纖維水泥砂漿的電阻率得到了顯著的下降，說(shuō)明含鈦碳化渣替代標(biāo)準(zhǔn)砂可以顯著提高水泥砂漿的電子電導(dǎo)。標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿在碳纖維含量為0.5%時(shí)發(fā)生了兩個(gè)數(shù)量級(jí)的驟降，隨后穩(wěn)步降低，說(shuō)明0.5%的碳纖維含量為標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿的滲流閾值，而含鈦碳化渣水泥砂漿在碳纖維含量為0.2%時(shí)，電阻率已經(jīng)降低至相同數(shù)量級(jí)。當(dāng)碳纖維含量為0.2%～0.5 %時(shí)，含鈦碳化渣水泥砂漿電阻率降低最快，0.5%～1.1 %趨于緩和，超過(guò)1.5%后又急劇下降，繼續(xù)增加碳纖維含量至2.0%，電阻率降低到10.9 Ω·m，并幾乎不再改變。當(dāng)碳纖維含量為0.8%時(shí)，含鈦碳化渣-碳纖維水泥砂漿的電阻率已降至建筑加熱采暖用材料所需的電阻率范圍內(nèi)，而標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿的電阻率降低至相應(yīng)范圍至少需要2%的碳纖維添加量。根據(jù)以上分析，可以得出以下結(jié)論：含鈦碳化渣替代標(biāo)準(zhǔn)砂可以顯著提高碳纖維水泥砂漿的電子電導(dǎo)；含鈦碳化渣替代標(biāo)準(zhǔn)砂作為集料可有效降低導(dǎo)電碳纖維水泥砂漿的滲流閾值。

圖5 碳纖維含量對(duì)不同集料干燥水泥砂漿電阻率的影響Fig.5 Effect of carbon fiber content on the electrical resistivity of dried cement mortars with different aggregates

為進(jìn)一步解釋含鈦碳化渣替代標(biāo)準(zhǔn)砂降低碳纖維水泥砂漿電阻率的機(jī)制，對(duì)碳纖維含量為2.0%的兩種碳纖維水泥砂漿進(jìn)行了SEM 顯微結(jié)構(gòu)和元素面掃描EDX 分析，分別如圖6、7 所示。圖6顯示，含鈦碳化渣-碳纖維水泥砂漿斷口處有纖維狀物質(zhì)拔出，結(jié)合元素分布圖中纖維狀區(qū)域富C 且貧O 和Ti 的特征，可以推斷該物質(zhì)為碳纖維；根據(jù)前述分析，含鈦碳化渣是一種由導(dǎo)電TiC 顆粒分散在硅酸鹽玻璃基體中形成的導(dǎo)電復(fù)合顆粒，因此，在圖6 中，C、O、Ti 均有分布的區(qū)域?yàn)楹佁蓟?。因此圖6 中含有碳元素的物質(zhì)包括碳纖維、TiC，這些均為良好的導(dǎo)體。圖7 中碳元素聚集的纖維狀區(qū)域?yàn)樘祭w維，其他區(qū)域?yàn)樗嗪蜆?biāo)準(zhǔn)砂。顯然，圖6中碳纖維周圍分布有更多具有導(dǎo)電性物質(zhì)，更有利于基體內(nèi)導(dǎo)電路徑的搭接，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。由于含鈦碳化渣的加入，碳纖維水泥砂漿中含有更多的導(dǎo)電集料，這些導(dǎo)電集料起到了減小碳纖維間阻礙的作用，含鈦碳化渣-碳纖維水泥砂漿中的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)比標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿更加完善。此外，由于含鈦碳化渣的顆粒遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)砂，這有利于提高碳纖維的分散與搭接，增強(qiáng)基體的導(dǎo)電性。

圖6 (a)含鈦碳化渣-碳纖維水泥砂漿斷面的SEM 及 (b) C,(c) O,(d) Ti 元素面掃描圖像Fig.6 (a) SEM image and (b) C,(c) O,(d) Ti elemental mapping of carbon fiber-cement mortar with carbonized slag as an aggregate

圖7 (a)標(biāo)準(zhǔn)砂-碳纖維水泥砂漿斷面的SEM 及(b) C 元素面掃描圖像Fig.7 (a) SEM image and (b) C elemental mapping of carbon fiber-cement mortar with standard sand as an aggregate

3 結(jié)論

1) 含鈦碳化渣取代標(biāo)準(zhǔn)砂可顯著提高水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，在碳纖維含量0～2.0 %范圍內(nèi)始終滿足建筑水泥砂漿的要求。

2) 由于含鈦碳化渣具有比標(biāo)準(zhǔn)砂更低的電阻率，用含鈦碳化渣替代標(biāo)準(zhǔn)砂作為集料可顯著降低干燥條件下碳纖維水泥砂漿的電阻率，并將滲流閾值濃度由0.5 %降低至0.2%。

3) 當(dāng)碳纖維含量為2.0%時(shí)，含鈦碳化渣-碳纖維水泥砂漿表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，28 d 抗壓強(qiáng)度為39.9 MPa，濕潤(rùn)條件下電阻率為10.7 Ω·m，干燥條件下電阻率為10.9 Ω·m。以上數(shù)據(jù)表明：含鈦碳化渣-碳纖維水泥砂漿是一種具有應(yīng)用潛力的結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料。

4) 采用含鈦碳化渣作為制備導(dǎo)電水泥砂漿的集料，既探索了含鈦高爐渣大規(guī)模、全組分、高附加值的利用方法，又提升了導(dǎo)電水泥砂漿的力電性能，減少了導(dǎo)電相的用量，降低了成本，在環(huán)保和經(jīng)濟(jì)上均具有重要的意義。