碳纤维炭黑混杂发热混凝土的性能研究.pdf

2 0 1 2年 第 1 2期 (总 第 2 7 8期 ) N u mb e r 1 2 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 7 8 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATE RI AI ，AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 1 2 0 2 1 碳纤维炭黑混杂发热混凝土的性能研究 于昊成 ，侯作富 ，陈杰 ，高领 ( 长江大学 机械工程学院，湖北 荆州 4 3 4 0 2 3 ) 摘要： 配制了不同掺量的碳纤维炭黑混杂发热混凝土， 并对其电阻率随电压的变化， 电极网格的稀疏程度以及碳纤维含量的变化进 行了研究， 同时分析了其成本随掺量的变化规律。 结果表明： 碳纤维炭黑混杂发热混凝土的电阻率与所加电压、 电极网格的大小均成一定 关系； 其变化率随碳纤维的增加呈现减小的趋势； 适当增加炭黑的含量将可起到降低发热混凝土成本的目的。 关键词 ： 碳纤维 ；炭黑 ；混杂 ；电阻率 中图分 类号： T U5 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 2 ) 1 2 0 0 6 3 0 3 Res e ar ch on t h e pr op er t i e s o f c ar bon f i ber c a r bon bl a ck hy br i d c on c r e t e YU Ha o c h e ng， HOU Zu o 一 矗I ， C HEN 1 i e ， GAO Li n g ( S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， Y a n g t z eU n i v e r s i t y ， J i n g z h o u4 3 4 0 2 3 ， C h i n a ) Abs t r a e l ： Ca r b o n fib e r c a r b o n b l a c k h y b rid c o n c r e t e wi t h d i fi f e r e n t c o n t e n t wa s pr o d u c e d Th e r e l a t i o n s h i p b e twe e n t h e e l e c t r i c a l r e s i s t i v i ty o f c a r b o n fib e r c arb o n b l a c k h y b rid c on c r e t e a n d the a p p l i e d v o l t a g e ， t h e s i z e o fthe e l e c t r o d e g r i d， the c o n t e n t o f c a r b o n c o n t e nt a s we l l a s the c o s t v a r y i n g wi t h the c o n t e n tw e r e s t u d i e d T h e r e s u l t s s h o we d tha t the r e l a t i o n s h i p b e tw e e n the e l e c t r i c a l r e s i s t i v i ty o f t h e c arb o n fi b e r c arb o n b l a c k h y - b r i d c o nc r e t e a n d the a p p l i e d v o l t a g e the s i z e o f the g r i d i s fi re d wi th a d e fin i t e f o r mu l a Th e r a t e o fc h a ng e h a s d e c r e a s i n g t r e n d wi th the i n c r e a s e o fc arb o n fi b e r c o n t e n t 1 1 1 e c o s t C an b e r e d u c e d b y a p p r o p ria t e i n c r e as e i n th e r e l ati v e c o n t e n t o fc arb o n b l a c k Ke y w o r ds ：c arb o n fi be r ； c arb o n b l a c k； h y b rid； e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y 0 引 言 更密集的碳纤维导电网络， 从而进一步提高整体的导电性能。 碳纤维水泥基复合材料是在普通水泥基材料中加入适量 的导电相材料而制成的一种新型复合材料。 碳纤维水泥基材料 具有明显的导电性， 而且其电阻率会随着外界条件的变化而发 生改变。 这就使碳纤维混凝土产生了像压敏性、 温敏性、 电热性 等一系列特殊的性能【 1 。 利用其电热效应， 可用于道路路面除冰 化雪2 】 。 相对于其他除冰化雪而言， 由于其成本相对较低 ， 简易 方便 ， 所以具有较广的应用前景。 “ 炭黑” 一词， 实际上是包含着各种用途的炭黑产品在内的 总称。 每一种炭黑都有其特定的物理化学性质 ， 这种性质与所使 用的原料、 生产过程和工艺条件紧密相关。 炭黑是一种重要的工 业原料， 广泛用于橡胶、 塑料、 涂料、 油墨和干电池等领域。 导电 炭黑包括导电炉法炭黑、 乙炔炭黑和副产导电炭黑等 ， 主要用 作导电剂 或抗静 电剂 。 本研究在前期研究的基础上， 根据道路路面除冰化雪的实 际需要， 提出采用炭黑与碳纤维混杂， 以期获得导电性能、 材料 强度更高的路面发热混凝土， 同时进一步降低碳纤维的含量。 要制造出碳纤维发热用混凝土， 碳纤维体积含量必须接近渗滤 阈值， 但此时价格太高， 加入一定含量的导电性能更好 、 价格更 便宜的炭黑 ， 可以在具有一定间距的碳纤维之间建起“ 桥梁” 。 这样 ， 原来形成的碳纤维导电网络继续导电， 现在通过炭黑搭 起的“ 桥梁” 可以代替绝大部分隧道效应和部分离子导电， 形成 1 研 究方案 1 1 碳纤维混凝土试样的材料 、 成分、 配合比 本次试验制作了碳纤维质量分别占水泥质量 0 4 、 O 6 、 0 8 的三大组试件 ( 以下所提到的含量均为相应材料的质量 占 胶凝材料的质量百分比) 。 试件为 7 0 mmx 7 0 mmx 7 0 i n I n的立 方体， 其中水泥( 含硅灰) 与砂的质量比为 1 ： 1 ， 而硅灰占水泥质 量的2 0 t3 ， 采用内掺法。 碳纤维采用上海新兴碳素厂有限公司 生产的P A N基碳纤维， 其参考性能见表 1 。 表 1 碳纤维 的性能 种类 ， ， P AN基碳纤 维 7 0 2 5 3 8 0 0 2 8 8 1 5 5 x 1 0 1 8 1 水泥为湖北华新水泥厂生产的堡垒牌 4 2 5 级水泥 ； 主要分 散剂采用天津市化学试剂分公司提供的甲基纤维素； 砂子为普 通河砂； 减水剂和消泡剂为武汉浩源化工有限公司的 F DN 1 高 效减水剂和一般消泡剂； 炭黑为天津金秋实化工有限公司生产 的导电碳黑粉末( 性能见表 2 ) ； 炭黑分散剂 自配。 表 2导电炭 黑性能 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 6 1 0 基金项目：湖北省教育厅重点项 目( D 2 0 1 0 1 3 0 1 ) ； 湖北省自然科学基金项目( 2 0 1 0 C D B 0 4 3 0 1 ) ； 长江大学国家大学生创新计划( 1 1 1 0 4 8 9 1 1 ) 63 1 2 试样 制作 首先 将分散剂 甲基纤维 素放 入 已装有一 定量水 的量杯 中 ( 甲基纤维素 1 4 4 g ， 6 0的温水 4 0 0 g ) ， 充分搅拌使其溶解 。 其次将已称好的碳纤维加入并搅拌至碳纤维基本上分散均匀。 然后倒入搅拌器并加入已称好的水泥和硅灰搅拌 ， 2 min后加 入已称好的砂子搅拌。 最后将搅拌好的水泥砂浆倒人涂了少许 油的模具， 尺寸为 7 0 mm 7 0 mm 7 0 1 2 1 1 n ， 埋置尺寸为 6 5 r n r n 7 5 mm的网状不锈钢丝电极( 每个试样 4 个 ) 。 将模具放在振动 台上固定好后开启振动台 3 mi n ， 以便进行压实和消除气泡。 1 d 后脱模并在室温( 2 5左右 ， 湿度 7 0 ) 下浇水养护至 2 8 d龄 期。 试样配合比见表 3 。 表 3 试 样配合 比 栅砂 硅 灰 水 胶 比 嚣 注 ： 所涉及的含量均为质量百分比。 在养护期满 2 8 d后对所有试样的电阻率进行测量。 电阻率 的测试采 用四电极 法用通用万用表测 得 ， 每组 2个试样取平 均 值 。 测量 间隔周期为 1 0 d ， 每次测量采用交流变压电源 ， 电压变 化范 围 7 2 3 6 V。 2 结果分析 2 1 电阻率随电压变化规律的研究 首先对碳纤维含量为 O 6 、 炭黑含量为 0 3 的碳纤维炭黑 混杂发热混凝土试样( 试样编号为 E1 ) 与碳纤维含量为 0 4 、 炭黑含量为 0 4 o 0 的碳纤维炭黑混杂发热混凝土( 试样编号为G1 ) 试样的电阻率进行研究， 两组试样使用的电极相同且为外形尺 寸均为 6 5 mm 7 5 I n r n 、 网格大小均为 1 2 mmx l 2 I 1 1 2 q 的网状不 锈钢丝电极。 电压变化范围为 7 2 3 6 V， 以7 2 V电压对应的电阻 率为 1 ， 分析电压变化引起的相对电阻率的变化规律如图1 所示。 莨 槲 目 电 压 ， V 图 1 随电压的升高电阻率的变化趋势 由图 1 可看出， 两组试样的电阻率均随电压的升高而降低。 一 般情况下 ， 碳纤维混凝土测试电阻率随着电压的升高而下降 的原因可以这样解释 ： 在制作的过程中已有部分碳纤维搭接在 一 起， 同时也有部分的碳纤维没有搭接在一起。 随着电压的升高， 这些没有搭接在一起 的碳纤维的部分电子具备了足够的能量 跃过碳纤维之间的势垒 ， 从 一根纤维过渡到另一根纤维上 ， 所 以 碳纤维混凝土的导 电性逐渐增强 ， 电阻率 降低 。 6 4 2 2 电极网格的稀疏程度对试样电阻率的影响规律 电极在测 试碳纤维水 泥基复合材料 的导 电性 能时起到 非 常重要的作用， 目前导电性能的测试方法可分为两电极法和四 电极法【5 两大类 。 本试验采用 四电极法 ， 且电极 由三种不同稀疏 程度的不锈钢丝网制成。 它们网格的大小分别是 6 mm 6 n l n l 、 9 ram 9 ml n 、 1 2 mm 1 2 1 -n l n 。 显然 网格 的稀疏会影 响所 测得的 电阻率， 因此即使在碳纤维和炭黑含量相同的情况下， 所制得 的这三种试样的电阻率也是不同的。 分别选取碳纤维为含量为 0 8 和 0 4 的两组试样 ， 且每组均埋设三种不同稀疏程度 的不 锈钢丝网， 通过试验所得到的试验数据如表 4 、 5 。 表 4 碳纤维含量为 0 8 从表 4 -, 5中可以看出网格变大时， 有五组试样的电阻率变 小 ， 一组变大 。 因此可以认 为在一 定的条件 下( 网格不是太稀疏 的情况下) ， 不锈钢丝网格越大， 所测得的电阻率越小。 这是由 于电极与导电混凝土之间存在接触电阻， 实际所测得的电阻是 接触电阻与导电混凝土的电阻之和。 而每组导电混凝土的内部 成分是一样 的 ， 按 理所测得 的电阻率也是 一样 的。 但实际所测 得的电阻率却 有一定的差别 ， 这主要反应 了导 电混凝 土接触 电 阻对仪表测试电阻的影响翻 。 在实际操作为减小其电阻率中应 综合考虑这两方面的影响， 可在一定的范围内， 适当地增加网 格的大小 。 2 3 碳 纤维炭黑混杂混凝土 电阻率的变化率随碳 纤 维含量的变化规律 图 2反 映了碳纤维炭 黑混杂混凝 土电阻率 的变化率 随碳 纤维含量 的变化情况 。 碳纤维变化范围为 0 4 o N 0 8 0 ， 且以 碳纤维含量为 0 4 0 测定的电阻率的变化率为 1 ， 分析碳纤维含 量的变化对电阻率变化率的影响。 测量时除碳纤维含量外其他 因素均相同。 从图 2中可以看出随碳纤维含量的增加， 碳纤维混凝土电 阻率的变化率逐渐减小。 而值得注意的是当碳纤维含量为 0 6 时， 电阻率减小幅度很小， 此时的电阻率变化率最小， 试验表 僻 蛊 幡 四 碳纤 维含量 图 2 电阻率的变化率随碳 纤维 含量的变化 明，当碳纤维含量为 0 6 左右时为渗流阈值 随着碳纤维的含 量 的增 加 ， 电阻率 的变化有 了一定的增加 ， 但 从总体来看其 电 阻率 的变化率呈减 小 的趋 势。 原凶可 以这 样解释 ： 碳纤维 炭黑 混杂混凝土在制作的过程中， 为内部的碳纤维的含量越高， 其搭接在一起的比例就越大 ， 没搭接的比例相对较小。 在外加 电压 的情况下 ， 搭接 在一起 的碳 纤维 ， 能够使 电流 比较顺 利的 通过 ， 没有搭接在一起的碳纤维 的部分 电子 只有具备 了足够的 能量才能越过碳纤维之间的的势垒， 从一根纤维过度另一根碳 纤维上。 由于碳纤维含量高时， 碳纤维炭黑混杂混凝土导电主 要以碳纤维导电， 而碳纤维含量较少时， 内部发生较强的隧道 效应 ， 其导电很不稳定 ， 则变化率较大。 因此从总体来看 ， 其随 着碳纤维含量的增 加 ， 电阻率的变化率呈减小 的趋势 。 2 4 不同掺量的碳纤维炭黑混杂混凝土经济效益分析 市面上碳纤维每公斤的价格为炭黑的十倍多， 即炭黑较廉 价 。 因此考 虑到实 际施 _T时 的成 本受碳纤 维的含量影 响最大 ， 且远大于受炭黑含量 的影 响。 本研究分析 了碳纤维含量分别 为 9 6 g ( 0 8 ) 、 7 2 g ( 0 6 ) 、 4 8 g ( 0 4 ) 的试样在不 同炭黑掺量 的情况下电阻率的数值 ， 其中以碳纤维含量分别为 9 6 g ( 0 8 ) 与 7 2 g ( 0 6 ) 试样的电阻率作对比如图 3 。 8 1 5 o o 1 0 0 0 5 0 0 一 嘲 圈 口 U 。 。 00。00 0 00 一 碳纤 维含 量9 6 g 碳 纤维 含量7 2 g 碳纤 维含 量 图 3 不同掺量 的碳纤维炭黑混杂混凝土 电阻率 对比可以发现 ， 掺入 7 2 g碳纤维和 1 0 8 g炭黑的试样的 导 电率 与含有 9 6 g碳纤 维和 9 6 g炭黑 的试 样 的导电率很 接 上接 第 6 2页 ( 3 ) 磷渣粉作为水工混凝土掺合料 ， 可降低混凝土的早期 温升 ， 可以起到削减水化热温升峰值的作用 ， 有利于大体积混 凝土的施工温控提高抗裂性能， 与掺量相同的粉煤灰的混凝土 比， 混凝 土最终绝热温升基本相同。 参考文献 ： 1 钟登华 ， 练继亮， 吴康新， 等 高混凝土坝施工仿真与实时控S O M 北 京： 中国水利水电出版社， 2 0 0 8 【 2 】D I J T 5 3 3 0 -2 0 0 5 ， 水工混凝土配合比设计规程【 s _ E 京 ： 中国电力 出版社 ， 2 0 0 5 近 ， 且 远小于 含有 9 6 g 碳 纤维 和 4 I 8 g炭黑 的试样组 。 由此可 得出 ： 要得 到相同 电阻率 的碳纤维炭 黑混杂混凝 土 ， 可以通过 调整碳纤维与炭黑的掺入 比例来实现 ， 同时 比例的不 同又会导 致成本的变化 。 采取碳纤 维的相对 比例小的方案可以降低施工 成本 。 3结 论 电阻率随电压的升高而降低。 随着电压的升高， 试样 中没 有搭接在一起的碳纤维的部分电子具备 _厂 足够的能量从一根 纤维过渡到另一根纤维 上。 所 以导 电性逐渐增强 ， 电阻率降低 。 不锈钢丝 网 电极 的稀 疏程度会 影响所测得 的导 电混凝土 的电阻值 。 此在 网格不太 稀疏 的前 提下 ， 实际施工 时可适 当 地增加 网格 的大小来达到减小其电阻率的 目的。 随碳纤维含量的增加， 碳纤维混凝土电阻率的变化率逐渐 减小。 当其含量为渗流阈值 ， 即碳纤维含量为 O 6 左右时， 电阻 率减小幅度很小， 此时的电阻率变化率最小， 随着碳纤维的含 量的增加 ， 电阻率的变化有了一定的增加， 但从总体来看其电 阻率 的变化率呈减小的趋势 。 同一电阻率可以通过改变碳纤维和炭黑的比例来实现 ， 且 有 多种配合 比方案 。 实际应用 中可采取减 小碳纤 维含 量增大炭 黑掺人量的方案来降低成本。 参考 文献 ： 1 毛 起熠 ， 赵炳 元 ， 沈大 荣 ， 等 R e s i s t a n c e c h a n g e m e n t o f c o m p r e s s i o n s e n s i b l e c e me n t s p e c i me n t u n d e r d i f f e r e n t s t r e s s e s J J o u r n a l o f Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ： Ma t e r i a l s S c i e n c e E d i t i o n ， 1 9 9 6 ( 8 ) ： 4 1 4 5 2 】 唐祖全， 钱觉时， 李卓球接触电阻对导电混凝土电热特性的影0 8 J 混凝土与水泥制作， 2 0 0 3 ( 4 ) ： 1 1 - 1 2 3 庞文彬， 侯作富， 陈强， 等1 氏 碳纤维含量智能混凝土的电阻率研究 J l _ 混凝土 ， 2 0 1 0 ( 6 ) ： 3 4 3 6 I 4 l 侯作富， 李卓球， 唐祖全 碳纤维导电混凝士的交直流电性能对比研 究 J 1 混凝土 ， 2 0 0 2 ( 4 ) ： 3 1 3 4 5 侯作富， 李卓球， 王建军 电极对碳纤维导电发热混凝土性能的影 O 向 I 武汉理工大学学报， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 9 ) 作者简介： 于昊成( 1 9 9 0 一 ) ， 男， 大学本科。 联系地址： 湖北省荆州市长江大学新风公寓 1 栋 2 1 3 室( 4 3 4 0 2 3 ) 联 系电话 ： 1 5 1 7 1 1 7 4 8 8 9 3 杨华 全 ， 李文伟 水 工混凝士研究与应 用 M E 京 ： 中 国水利 水电出 版社， 2 0 0 5 ： 1 2 2 1 4 l 林育强， 李家正， 杨华全磷渣粉替代粉煤灰在水工混凝土中的应用 研究 长江科学院院报， 2 0 0 9 ( 1 2 ) ： 9 3 9 5 【 5 】闫 小虎 ， 等 水利水 电枢纽面板 混凝土 配合比设计 研究 f J 1 混 凝土 ， 2 0 0 1 ( 8 )： 1 0 4 1 0 6 作者简介 ： 李 明霞( 1 9 8 6 一 ) ， 女 ， 硕 士研 究生。 联系地址： 武汉币黄浦大街 2 6 9 号 长江科学院材料所( 4 3 0 0 1 0 ) 联系电话 ： 1 5 8 7 2 3 5 3 6 9 1 6 5 g g4 g 8 g 6 8 2 6 9 4 l 7 l 3 量 量 量 量 量 量 含 含 含 含 含 含 黑 黑 黑 黑 黑 黑 炭炭炭炭炭炭