低碳纤维掺量智能混凝土的电阻率研究.pdf

2 0 1 0 年 第 6 期 (总 第 2 4 8 期 ) Nu mb e r 6 i n 2 0 l O ( T o 协 l No 2 4 8 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 1 m oRETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 0 0 6 0 1 0 低碳纤维掺量智能混凝土的电阻率研究 庞文彬 。侯作富，陈强 。谢世涛 ( 长江大学 机械工程学院，湖北 荆州 4 3 4 0 2 3 ) 摘要： 研究了低碳纤维掺量智能混凝土的电阻率 ， 包括随固化龄期 的增加不同碳纤维含量混凝土 电阻率的变化规律 ， 测量选取的电压 对电阻率变化的影响以及在电阻的测试中电极的选用对试样电阻率的影响研究。通过这些研究， 得到了低碳纤维掺量水泥基复合材料电 阻变化的基本规律 ， 为其实际应用打下 良好基础 。 关键词 ： 碳纤维 ；导电混凝土 ；二电极和四电极 ；电阻率 中圈分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 0 3 4 0 3 El e c t r i c al r es i s t i v i t y o f s mar t c on c r e t e wi t h l ow c ar b on fibe r f r a c t i on P A NG We n b i n ， H OUZ u o - fu， C H E NQ i a n g ， XI ES h i ta o ( S c h o o l o f Mech a n i c a l E n g in e e r i n g ， Ya n g t z e U n i v e r s i t y ， J i n g z h o u 4 3 4 0 2 3 ， C h i n a ) Ab s t r a ct： T h e r e s i s t i v i ty o f s ma r t c o n c r e t e w i t h l o w- c a r b o n fi b e r f r a c t i o n i s s t u d i e d i n c l u d i n g t h e i n fl u e n c e o f t h e h y d r a ti o n t ime o n the r e s i s - t i v i ty o f c o n c r e t e、 i t l l d i ff e r e n t c a r b o n fi b e r c o n t e n t the i n fl u e n c e o f t h e s e l e c t e d v o l t a g e o n t h e r e s i s t i v i ty o f c o n c r e t e w i t l I d i ff e r e n t c a r b o n fi b e r c o n t e n t the c h o i c e o f t h e e l e c t r o d e d e s i g n a n d i t s i n f l u e n c e o n the e l e c t r i c a l r e s i s t i v i ty T h e c h a n g e i n r e s i s t i v i ty o f s ma r t c o n c r e t e wit l l l o w-c a r b o n fib e r fr a c t i o n i s o b t a i n e d a n d i t wi l l p l a y a ba s i c f u n c t i o n i n the f u t u r e s p r a c t ic a l a p p l i c a t i o n K m wo r d s ： c a r b o n fi b e r ； c o n d u c t i v e c o n c r e t e ； t wo e l e c t r od e s an d f o u r e l e c tr o d e s ； r e s i s t i v i ty O 引言 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变 化。这就使碳纤维水泥基复合材料产生了像压敏性、 温敏性、 电 磁屏蔽等一系列优良的性能 1 】 。 利用压敏性， 可对其自身的应力 状况和损伤程度进行诊断检测2 】 ， 其具有独特的特性， 成本低 廉， 综合功能强大， 所以具有较广的应用前景。 本研究致力于研究低碳纤维掺量导电混凝土的电阻率， 分 析了不同碳纤维含量混凝土的电阻率随龄期的变化， 测量选取 的电压对电阻率变化的影响以及在电阻的测试中电极的选用 对试样电阻率的影响研究。通过这些研究， 试图得到低碳纤维 掺量水泥基复合材料电阻的基本规律， 为其实际应用打下良好 基础 。 1 试样的制作 本次试验制作了碳纤维质量分别占水泥质量 0 2 、 0 4 、 0 6 的三组试件( 以下所涉及的含量均为碳纤维占胶凝材料的 质量百分含量) 。试件尺寸为 7 0 mmx 7 0 m mx 7 0 l l i n的立方体， 试样配合比为水： 水泥： 砂： 硅灰 = 0 5 2 ： 1 ： 1 ： O 1 5 ， 水胶比=水： ( 水 泥+硅灰) 卸4 5 2 。其中硅灰占水泥质量的 2 0 。 水泥采用湖北华新水泥厂生产的保垒牌 4 2 5 水泥； 主分散 剂采用天津市化学试剂分公司提供的甲基纤维素； 砂子为一般 的标准砂 ； 减水剂和除泡剂采用武汉浩源化工有限公司的F D N- 1 高效减水剂和一般除泡剂。减水剂掺量为胶凝材料的 1 2 ( 质 量之 比) ， 除泡剂掺量为整个混凝土体积的 0 1 3 ， 分散剂掺量 为整个胶凝材料( 含水泥和硅灰 ) 质量的0 4 。 采用湿拌方法制 作混凝土3 】 。 制作过程如下： 首先将分散剂甲基纤维素放入已装 有一定量水的量杯中( 甲基纤维素含量通常为水泥质量的0 4 ) ， 充分搅拌使其溶解， 随后将除泡剂( 约为水泥质量的 0 1 3 ) 加 入进行搅拌。然后加人已称好的碳纤维并搅拌至碳纤维基本上 分散均匀。 倒入搅拌器并加入已称好的水泥搅拌。 2 m i n后加入 已称好的砂子搅拌 2 mi n ， 然后将搅拌好的混凝土倒入涂了少 许脱膜剂的模具 ， 埋置尺寸为 6 5 m mx 7 5 n u n的网状钢丝电极 。 最后将模具放在振动台上固定好后开启振动台3 ra i n ， 以进行压 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。 测试 电源采用交流稳压电源 ， 电压和电流的测量采用 的是 M 9 1 0 5 A型数字万用表。 2 结果分析 2 1 随固化龄期的增加不 同碳 纤维含量混凝 土电阻 率的 变化 图 1 反映了不同碳纤维含量的导电混凝土随固化龄期的 增大电阻率的变化规律。测量时除碳纤维含量外其他因素均相 同。从图中可以看出随碳纤维含量的增加碳纤维混凝土电阻率 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 1 - 2 7 基金项 目：国家 自然科学基金项 目( 5 0 8 7 8 1 7 0 ) ； 湖北省教育厅重点项 H( D2 O 1 0 1 3 0 1 ) ； 长江大学2 o 0 9 年大学生创新性实验计竞 项 目基金资助( 0 9 1 0 4 8 9 0 3 ) 3 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 逐渐减小。 3 种碳纤维含量试样的电阻率变化趋势非常相似， 电 阻率在初期随 固化龄期的增加而增大 ， 9 0 d以后电阻率变化 只 呈现一定的上下波动， 可认为电阻率趋于稳定。产生波动的原 因主要是环境湿度和温度的影响。同时也可以发现， 随着碳纤 维含量的增加， 电阻率随固化龄期的变化越小。 妄 ? 祷 蛊 掣 时间 d 图 1 固化龄期增加对电阻率的影晌曲线 2 2 测试 中电极的选用对试样电阻率的影响研 究 电阻测量结果的精确度和真实性不仅受电阻测试方法的 影响， 还与电极的制作形式密切相关 。 图 2 两 电极与 四电极的布置 由图 2可见 ， 所 谓的网状埋入式电极的两 电极形式是 在两 平行面边缘埋入两 电极 ， 对应于这种 电极布置方式 的电阻测试 方法称为两电极法 。而四电极形式是在混凝 土内部埋入 4个电 极 ，同样对应于这种电极布置方式的电阻测试方法称 为四电极 法。它们的差别在于： 两电极法的两个电极既充当电流极又充 当电压 极 ， 即电压极 和电流极重 合 ， 而 四电极法 的外侧两个 电 极充当电流极 ， 内侧的两个电极充当电压极 ， 即电流极 和电压 极 没有重合。为 了比较两电极 与四电极两种设置形式对电阻测试 结果的影响 ， 依照图 2的电极布置形式对试样进行测量。 图 3 5 是分别应用两 电极法和 四电极法测得 的试件 的电阻率值 。 百 3 0 。 署 1 0 时 I 司， d 图 3 两 电极和 四电极法测电阻结果 曲线( 碳纤维含量 0 2 ) 根据图 3 5中的数据可得出： 两电极法测得的电阻率的结 果比四电极偏大， 四极法测得的电阻率比两电极测得的电阻率 变化更稳定， 波动幅度更小。两电极法的电阻值不符合串联关 系 ， 四 电极法测 试结果符合 电阻 串联 关系 ， 这是 由于 四电极 法 可以消除在两极法测试 中所 存在的电极 的欧姆接触 电阻 。 此结 论与文献 5 】 中结论吻合， 所以导电混凝土试件的电极布置方式 及相应的电阻率测试方法采用四电极形式更为合理 。 。 。 。 r 0000 一 。1 =二二=。 吕 褂 圈 时 I 司 d 图 4 两 电极和 四电极法测电阻率结果( 碳 纤维含量 0 6 ) 2 3 测量电压的选取对电阻率变化的研究 采用交流变压电源， 利用四电极法对碳纤维含量为 O 2 、 O 4 、 O 6 的试件 电阻率进行测量 ， 电压变化范围 7 2 3 6 v。 由 图 6 8可 以看出 ， 3种试 件的电阻率均 随电压的增加而降低 ， 变 化幅度分别 为 ： 5 2 9 、 1 1 4 1 、 1 2 1 3 。 测试 电阻率随着 电压 的 升高下降的原因可以这样解释： 在制作的过程中虽然己有部分 碳纤维搭接在一起， 当然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 g a 船 基 脚 吕 a 料 岛 测量 电压 V 图 6电阻率与电压的关 系曲线( 碳纤维含量 0 I 2 ) 测 量 电 压 v 图 7 电阻率与 电压的关 系曲线( 碳纤维含量 0 4 ) 昌 褂 岛 测量 电压 ， v 图 8电阻率与 电压的关系曲线( 碳 纤维含量 0 6 ) 3 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 根纤维上， 所以碳纤维混凝土的导电性逐渐增强， 电阻率降低问 。 随着碳纤维含量 的增高 ， 碳纤维 之间的间距越小 ， 此时有越来 越多的碳纤维之间的势垒被越过，所以随着测试电压的增高， 电阻率下降得越多。 3 结束语 通过分析低碳纤维掺量导电混凝土电阻率时的几个问题得 到 ： 导电混凝土在固化龄期 9 0 d 后 电阻趋于稳定 ， 碳纤维含量的 增加会降低导电混凝土的电阻率， 随着碳纤维含量的增加， 电阻 随固化龄期的变化越小。对电极埋设方式的研究发现， 二电极对 电阻率测试的结果存在较大的影响， 四电极测得的电阻率趋于 稳定准确。 测量电压越高， 电阻率越低。 随着碳纤维含量的增高， 碳纤维之间的间距越小 ， 此时有越来越多 的碳纤维之间的势垒 被越过， 所以随着测试电压的增高， 电阻率下降得越多。以上结 论为低掺量碳纤维混凝的电阻率研究提供试验基础。 上接第 8页 参考文献 ： 1葛哲学， 孙志强神经网络理论与 M A T L A B R 2 0 0 7实现【 M 北京 ： 电 子工业出版社， 2 0 0 7 【 2 】金伟良， 赵羽习混凝土结陶ii耐 久性【 M 北京： 科学出版社， 2 0 0 2 ： 3 1 _ 4 6 【 3 】王晓冬， 张鹏， 赵铁军 混凝土氯离子渗透性试验方法综述【J J 工程设 计与建设， 2 0 0 5 ， 3 7 ( 5 ) ： 2 5 2 9 4 】 蒋林华， Z H A N G M H， M A L H O T R A V I 4 混凝土氯离子渗透扩散性试 验方法的评价研究【 c 】 全国第六届混凝土耐久性会议文集， 2 0 0 4 ： 1 0 3 -1 0 6 【 5 】 林立， 杨伟军， 杨舂侠 基于 B P 神经网络的钢筋中氯离子侵蚀量预 测 福建建材， 2 o o 4 ( 1 ) ： 1 3 1 6 【 6 】O Z T A S A。 P A L A M， O Z B AY E ， e t a 1 P r e d i e t i n g t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d s l u mp o f h i g a s t r e n g t h c o n c r e t e u s i n g n e u r a l n e t w o r k J C o n s t r B u i l d Ma t e r ， 2 0 0 6 ( 2 0 ) ： 7 6 9 7 7 5 【 7 】 金伟良， 张亮， 鄢飞 函数型神经网络在混凝土碳化分析中的应用叨 浙江大学学报 ， 1 9 9 8 ( 5 ) 上接第 3 3页 【 1 9 】 康光宗， 湛君毅 混凝土结构裂缝宽度尺寸效应的分形行为I J 1 湖南 城建高等专科学校学报， 1 9 9 9 ( 2 ) ： 1 - 3 f 2 0 间 瑞忠 混凝土结构裂纹尖端应力场奇异性的分形力学意义 J 1 大连 理工大学学报， 1 9 9 7 ( 增刊) ： 6 7 7 1 2 1 倪玉山 混凝土细观结构断裂的分形分析 J 】 _ 大连理工大学学报 ， 1 9 9 7 ( 增刊) ： 7 2 7 6 【 2 2 1 王铁成 ， 杨建江， 等 混凝土结构裂缝状态及其扩展的分形几何解 析【 J 】 大连理工大学学报， 1 9 9 7 ( 增刊) ： 7 7 8 1 【 2 3 1 周克荣 ， 肖小松 ， 吴晓涵 混凝土立 方体抗压强度尺寸效应中的分形 行为 J 】 福州大学学报。 1 9 9 6 ( 增刊) ： 6 3 6 8 f 2 4 周克荣， 肖小松， 吴晓涵 混凝土轴心抗压强度尺寸效应中的分形行 为叨福州大学学报， 1 9 9 6 ( 增刊) ： 5 8 6 2 【 2 5 】 唐明， 李晓 混凝土分形特征研究的现状与进展l J 】 混凝土 ， 2 0 0 4 ( 1 2 ) ： 8 - I 1 【 2 6 D I A MO N D S A s p e c t of c o n c r e t e p o r o s i t y r e v i s i t e d J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h 。 1 9 9 9 ( 1 ) ： 1 1 8 1 1 1 8 8 2 7 】 徐定华， 徐敏混凝土材料学概论【 M 】 北京： 中国标准出版社， 2 0 0 2 ： 2 8 3 【 2 8 】 李国强， 邓学均 级配骨料的分形效应 J 】 _混凝土， 1 9 9 5 ( 1 ) ： 3 - 7 【 2 9 】 唐明， 巴恒静 混凝土材料科学的拓扑学特征与分形特征评价【 J 】 哈 尔滨建筑大学学报， 2 0 0 2 ( 1 ) ： 8 6 8 9 【 3 O 】 王谦源， 张清 混凝土用砂的粒级分形评估 J 】 青岛建筑工程学院学 3 6 参 考 文献 ： 1 】 毛起焰， 赵炳元， 沈大荣， 等R e s i s t a n c e e h a n g e m e n t o f c o m p r e s s i o n 8 e n - s i b l e c e m e n t s p e c i m e n t u n d e r d iff e r e n t s t r e s s e s J j o u ma 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 ( M a t e ri a l s S c i e n c e E d it i o n ) ， 1 9 9 6 ( 8 ) ： 4 1 l 5 【 2 】李卓球， 吴菁， 宋显辉 ， 等 基于界面效应的碳纤维混凝土压敏性研 究f J 1 混凝土， 2 0 0 7 ( 6 ) ： 9 - 1 2 3 3 侯作富， 李卓球， 唐祖全 碳纤维导电混凝土的交直流电性能对比研 究 f J 混凝土 ， 2 0 0 2 ( 4 ) ： 3 1 3 4 4 4 韩宝国， 关新春 ， 欧进萍 碳纤维水泥石压敏传感器电极的试验研 究 f J 1 功能材料 ， 2 0 0 4， 3 5 ( 2 ) ： 2 6 2 2 6 4 【 5 】5 欧进萍， 韩宝国 碳纤维水泥石压敏传感器及其性能研究 J 】 功能材 料 ， 2 0 0 6 ， 3 7 ( 1 1 ) ： 1 8 5 1 1 8 5 5 6 侯作富， 李卓球， 唐祖全 融雪化冰用碳纤维混凝土的导电性能研 究 武汉理工大学学报， 2 0 0 2 ， 8 ( 2 4 ) ： 3 2 3 4 作者简介： 庞文彬( 1 9 8 7 一 ) ， 男。 单位地址： 湖北省荆州市南环路 l 号 长江大学机械工程学院( 4 3 加2 3 ) 联系电话 ： 1 5 8 2 6 6 3 4 1 3 4 8 陈海斌， 牛荻涛 ， 浦聿修应用人工神经网络技术评估混凝土中的钢 筋锈蚀量 J 工业建筑， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 2 ) ： 5 1 5 5 1 ， 9 】张耀庭 ， 胡兴源 ， 罗菡应用B P网络预测混凝土中的钢筋锈蚀量叨 华中理工大学学报， 2 0 0 0 ， 2 8 ( 1 2 ) ： 9 3 9 5 1 【 l O 】 张耀庭， 张仲先基于 B P 网络的混凝土碳化深度预测分析【 J 】 华中理 工大学学报， 2 0 0 0 ( 1 0 ) 1 1 】 李佩珍 ， 谢慧才 R C T 一 快速氯离子检测方法及其应用叨 混凝土， 2 0 0 0 ( 9 ) ： 4 6 4 8 【 1 2 管昌生， 王雨齐 基于 B P 神经网络的氯离子扩散系数预测模型叨 国 外建材科技。 2 0 0 6 ， 2 7 ( 4 ) ： 8 5 8 7 1 3 T HI R UMA L A I P AR T HI B A N， R AV I R， P A R T H I B AN G T ， e t a1N e u r a l n e t w o r k a n a l y s i s f o r c o r r o s i o n J C o r ms S c i ， 2 o 0 5 ( 4 7 ) ： 1 6 2 5 1 6 4 2 作者简介： 许晨( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 研究生。 单位地址： 浙江大学建筑工程学院( 3 1 o 0 2 7 ) 联 系电话 ： 1 3 4 2 9 6 0 2 5 4 1 报 ， 1 9 9 4 ( 2 ) ： 6 1 6 8 3 1 1 王谦源， 胡京爽 混凝土集料级配与分形J 】 青岛建筑工程学院学报， 1 9 9 7 ( 3 ) ： 9 3 9 9 【 3 2 】 魏德敏 ， 张衡 分形几何学在混凝土断裂性能研究中的应用阴 科技 情报开发与经济， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 1 3 5 1 3 6 【 3 3 唐明 ， 李晓 混凝土分形特征研究的现状与进展 J 】 混凝土 ， 2 0 0 4 ( 1 2 ) ： 8 - 1 1 【 3 4 陆平水泥材料科学导论 M 】 上海： 同济大学出版社， 1 9 9 1 ： 1 - 5 0 3 5 周宏伟 ， 谢和平 多孔介质孔隙度与 比表 面积 的分形 描述叨 西安矿 业学院学报， 1 9 9 7 ， 1 7 ( 2 ) ： 9 7 1 0 2 3 6 】 游和平 岩土介质的分形孔隙和分形粒子【J 】 力学进展 ， 1 9 9 3 ， 2 3 ( 2 ) ： 1 4 5 1 6 4 【 3 7 唐明j 昆 凝土材料分形特征及应用研究【 D 】 哈尔滨： 哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院， 2 0 0 3 ： 1 _ 4 【 3 8 】 唐明， 等 压汞测孔评价混凝土材料孔隙分形特征的研究【 J 】 沈阳建 筑工程学院学报， 2 0 0 1 ( 4 ) ： 2 7 2 2 7 5 作者简介 单位地址 联 系电话 ： 胡海霞( 1 9 8 6 一 ) ， 女。 南京市西康路 1 号 河海大学水文水资源与水利工程科学 国家重点实验室( 2 1 0 0 9 8 ) l 5 9 5 0 5 6 9 7 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m