碳纤维钢渣混凝土压敏、温敏性能试验分析.pdf

2 0 1 0 年 第 7期 (总 第 2 4 9 期 ) Nu mb e r 7 i n 2 0 1 0 ( T o t a 1 No 2 4 9) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AI ， AND ADM I NI CLE 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 7 0 2 9 碳纤维钢渣混凝土压敏、 温敏性能试验分析 卢召红 ，房君安 ，张云峰 ( 1 东北石油大学，黑龙江 大庆 1 6 3 3 1 8 ；2 中国石油天然气第七建设公司，山东 青岛 2 6 6 3 0 0 ) 摘要： 将钢渣掺加到碳纤维混凝土中， 可降低碳纤维使用量， 同时保证具有良好的压敏性和温敏性。 通过试验方法， 对各导电组分含量 不同的试件进行比较分析研究， 得出钢渣掺量对碳纤维混凝图压敏性和温敏性的影响。结果表明： 对碳纤维导电混凝土， 减少纤维的使用 量后， 通过掺加钢渣， 仍会改善混凝土的压敏效应。对碳纤维含量 0 6 的混凝土， 随钢渣掺量的增加其温敏性能会逐渐下降低。 关键词 ： 导电混凝土 ；压敏性 ；温敏性 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 O ( 2 0 1 0 ) 0 7 一 o 0 9 O 一 0 2 St ud y on t he pr e s s ur e s e ns i t i vit y an d t emper a t ur e s en s i t ivi t y o f c ar b on f i br e- s l ag c onc r e t e LU Z h a o - h o n g ， F ANG J u n a n ， ZHA NG Yu n f e n g ( 1 D o n g b e i U n i v e r s i tyo f P e t r o l e u m， D a q i n g1 6 3 3 1 8 ， C h i n a ； 2 C h i n a P e t r o l e u m S e v e n t hC o n s t ruc t i o nC o mp a n y ， Qi n g d a o2 6 6 3 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： B y a d d i n g s o me s t e e l s l a g i n t h e c a r b o n fi b r e c o n c r e t e ， the q u a n t i ty o f c a r b o n fi b r e c a n b e r e d u c e d ， a n d t h e p r e s s u r e s e n s i t i v i ty a n d t e mp e r a t u r e s e n s i t i v i t y o f c a r b o n fi b r e s l a g c o n c re c a n b e i n s ure d Re s e a r c h h a s b e e n c a r r i e d o u t in d i ffe r e n t t e s t p i e c e s wi t h d i ffe r e n t c o n t e n t By c o mp a r i n g a n a l y s i s ， t h e e f f e c t o f t h e P r e s s u r e S e n s i t i v i t y a n d T e mp e r a t u r e S e n s i t i v i ty w i th d i ff e r e n t s t e e l s l a g wa s g o t T h e r e s u l t s i n d i c a t e d tha t ： B y a d d in g s o me s t e e l s l a g i n t h e p i e c e s ， C an red u c e the q u a n t i ty o f c a r b o n fi b r e a n d r e f o r m the p res s u re s e n s i t i v i ty o f c a r b o n fi b re s l a g c o n c ret e Bu t t h e t e mp e r a tur e s e ns i t i v i t y c a n r e d u c e wi th a d d i n g s t e e l s l a g K e y wo r d s ： e l e c t r i c a l l y c o n d u c t i v e c o n c r e t e ； p r e s s u r e s e n s i t i v i ty ； t e mp e r a t u r e s e n s i t i v i ty 0 引言 随着建筑技术和信息技术的发展 ， 新型材料、 新工艺和新 技术的不断创新沿革 ， 对重大土木工程建筑的安全性能进行实 时监测和建筑健康自诊断已受到越来越多人的关注。导电混凝 土作为该类智能建筑的主要材料 ， 是在混凝土原有组分的基础 上， 通过添加适量的导电组分， 制成具有 自感知、 自适应 、 自修 复的功能材料。 此外， 导电混凝土具有良好的电热效应， 可用于 高速公路、 机场跑道、 桥面等设施冬季除冰和温度自诊断监测等。 目前， 可用做导电混凝土导电组分的材料有很多中， 其中碳纤 维混凝土具有 良好的压敏性和电热性能 ， 被认为是最适宜用作 导电混凝土的导电组分 。 但碳纤维材料价格贵， 经济性差 ， 限 制了工程中的大量应用。钢渣具有一定的导电性且成本低廉 ， 但钢渣掺量较少时颗粒间难以形成导电网络， 形成的混凝土导 电较差， 掺量过大对混凝土的强度和耐久性均有较大影响 。 为此， 提出通过在碳纤维混凝土掺加钢渣的办法 ， 降低碳纤维 的使用量， 对碳纤维钢渣? 昆 凝土通过试验方法 ， 分析不同钢渣 掺量下碳纤维钢渣混凝土的压敏性和温敏性能， 找出比较合理 的掺量， 为导电混凝土在工程中的大量应用奠定基础。 1 试 验 概 况 1 1 试件材料与制作 试验选用 P AN基高强碳纤维，其主要性能指标见表 1 ， 短 切处理后的长度为 5 1 0 t r i m。 收稿 日期 ：2 0 l O - J 0 3 _ o 4 9 O 表 1 碳纤维主要性能指标 P O 4 2 5 级水泥， 粒径为 6 1 0 mm河卵石粗骨料， 河砂。 风淬钢渣经冲洗、 烘干， 主要性能见表 2 、 3 。 表 2 风淬钢渣主要物理性能指标 表观密度 ( k g m )堆积密度 ( k g m )细度模数 空隙率 吸水率 有关研究表 明 ， 碳纤维混凝 土中碳纤维含量在 O 6 - 0 8 ( 体积比) 范围内， 随碳纤维含量的增加强度增大最明显【9 _ m ； 碳纤维混凝土中碳纤维含量在 0 5 1 0 范围内， 电阻率变 化最为明显 1 0 - - ” 。 据此本试验将试件分为两组： 碳纤维含量为 0 6 的混凝 土试件 ( C F O 6 ) 和碳纤 维含量为 0 8 的混凝土试件 ( C F 0 8 ) 。 试件制作时先将分散剂甲基纤维素放入已装有一定量水 的容器中， 充分搅拌溶解； 然后加人量好的碳纤维并搅拌均匀 ； 将水泥与钢渣按质量比例混合 ， 再与砂石拌合均匀， 然后将容 器 内的碳纤维混合液徐徐加人并不断搅拌 ， 待混合物成均匀浆 状后注入到内壁涂有少许油的模具捣实制成 1 5 0 m mx l 5 0 ml r l X 3 0 0 mm棱柱体试件， 2 4 h 后脱模并在标准条件下养护 2 8 d 。 1 2 试 验 方法 电阻测量电路采用直流电路， 电极用铜箔制成， 由公式 = U I ， p A 计算电阻率P ， 式中： R为电阻； U为测量电压； ， 为测 量电流 ； p为试件电阻率 ； A为试件的横截面面积； 为试件的 长度。NY L 一 5 0 0型液压试验机对试件轴心施压， 试验测得单次 轴心压力作用下试件的电阻变化率一 荷载关系。温度采用光纤 光栅表面安装式传感器。 将试件由室温 2 2放人 6 0恒温干 燥箱内， 保持 3 4 h后将试件取出放在室温下实时测得温度一 电 阻率关系曲线。 2 试验结果及讨论 2 1 碳 纤 维钢 渣 混凝 土压敏 性 通过试验对碳纤维钢渣混凝土的压敏性进行试验分析， 测 得各试件电阻变化率与荷载P之间的关系， 如图 1 、 2 所示。其 中， R 。 为施加荷载前的电阻值， 为荷载作用下的电阻值。 斟 -1 0 蓑 - z o 署 珈 A J* C F 0 6 - O t r D C F 0 6 - 4 F O 5 0 1 O 0 1 5 0 2 0 0 荷载 k N 荷 载 k N 图 2 试件 CF O 6 4 、 CF O 6 8与 CF O 8 0压敏 性 图 1中， 曲线C F 0 6 0 、 C F O 6 4 、 C F 0 6 8 、 C F O 6 1 2和 C F 0 6 2 0 分别表示碳纤维含量为0 6 ， 钢渣掺量( 渣灰比) 依次为 0 、 0 4 、 0 8 、 1 2和 2 0的导 电混凝土试件( 以下相 同) 。从图 I 中可以看 出， 从加载至破坏 ， 电阻率的变化经历了三个阶段： 电阻率下降 阶段、 电阻率平缓阶段和电阻率上升阶段。 第一阶段( 电阻率下降阶段) 压力从零开始增加， 电阻率下 降速度较快， 变化曲线接近于直线形式， 图 I 中表现为 AB段。 分析认为在压力作用下， 材料内部被压密 ， 水泥基 内导电组分 连接的几率增大， 故导电性能增加， 电阻率减小； 第二阶段( 电阻率平缓阶段) 电阻变化率随荷载的增加下 降速度变缓， 在大于 0 5 0 6 P ( 尸 u 为试件破坏时的极限荷载) 时， 电阻率变化率出现反转 ， 开始成上升趋势， 在图中表现为 B C段。 分析认为该阶段材料内部出现微小裂缝导电组分间形成 间隔势垒， 随着荷载的增加， 内部裂缝不断增加扩大， 引起电阻 率不断增大。通过该阶段的特征， 可诊测出混凝土内部是否出 现裂缝， 并能估测出内部裂缝的开展情况； 第三阶段( 电阻率上升阶段) 电阻率迅速增加。 此阶段试件内 部产生破坏， 裂缝不断增加直至试件破坏， 图 1 中表现为 C D段。 此外， 图 1 显示出， 对碳纤维含量一定的混凝土， 随着钢渣 掺量的增加试件压敏效应不断增加， 电阻变化率越发稳定。对 没有掺加钢渣的 C F 0 6 0 试件， 电阻变化率最大为 2 5 ， 且关系 曲线不平滑， 电阻变化率随力的变化稳定性差。随着钢渣掺量 的增加 ， 电阻变化率逐渐增大， 电阻变化率随力的变化越发稳 定， 当钢渣掺量超多 0 8 ( 渣灰比) 后， 试件关系曲线更为平滑， 但 钢渣掺量超过 1 2 ( 渣灰比) 后， 电阻变化率减小的并不多。 可见， 0 6 的混凝土， 钢渣掺量在 0 8 1 2 ( 渣灰比) 之间为最佳掺量。 图 2中， C F 0 8 0表示碳纤 维含量为 O 8 ， 没有掺加钢渣 的 混凝土试件， 其他曲线同图 1 。 从图 2中可以看出， C F 0 8 0的电 阻变化率介于 C F O 6 4与C F O 6 8之间， 且曲线平滑。这说明将 碳纤维含量从 0 8 降至 0 6 ， 通过掺入钢渣， 仍然会改善混凝 土的压敏性 ， 对碳纤维含量为 0 6 的导电混凝土 ， 当掺加的钢 渣大于 0 8 ( 渣灰比) 后， 其压敏性会有明显的改善。 2 2 碳 纤 维钢渣 混凝 土温敏 性 图 3 为不同钢渣掺量下各试件温度一 电阻率变化曲线。从图 中可以看出， 碳纤维钢渣混凝土具有较好的温敏特征。试验过程 中， 随着温度的变化， 各试件电阻率均发生不同幅度的变化。 温度 ， ( a ) 试件C F 0 6 0 温度一 电阻率关系曲线 温度 ， ( b ) 试件C F 0 6 4 温度一 电阻率关系曲线 吕 a 褂 温度 ， ( c ) 试件C F 0 6 8 温度一 电阻率关系曲线 温度 ， ( d ) 试件C F O 6 1 2 温度一 电阻率关系曲线 图 3 不 同钢渣掺量下碳纤维混凝土温 度一电阻率关系曲线 图3显示， C F O 6 0试件随着温度的升高电阻率变化幅度 最大， 试件 C F 0 6 - 4 、 C F 0 6 8 和 C F O 6 1 2随温度升高电阻率变化 幅度依次减小。在升温初始阶段， C F O 6 4电阻率随温度的升高 下转第 9 4页 9l 表 2 再生骨料质量等级 准， 国外同类标准也鲜有报道。 大多文献都采用 日本于 1 9 9 4年 颁布的 再生混凝土材料的质量试行条例 中给出的再生骨料 的质量标准及其质量等级。 日本工业协会制订的再生骨料的质量标准见表 3 、 4 。 表 3 再生骨料质量标准 5 结束语 由于再生骨料性质比较特别 ， 尤其是随粒度变化 ， 再生骨 料的组分与性质差异较大。因此 ， 建议对再生粗骨料、 再生细骨 料、 再生微粉要分类使用， 以发挥其最大价值。目前， 再生骨料 在基础、 路面及非承重结构的混凝土配制以及砌筑 、 抹灰砂浆 和空心砌块等墙体材料应用方面的研究已经取得突出的成果， 而在承重结构混凝土和再生水泥方面， 还需要加大研究力度， 同时， 目前生产再生骨料的成本还比较高， 尚需研究更经济的 上接第 9 1页 有一个平缓阶段， 随后随温度的升高电阻率开始增加； C F O 6 8 和 C F 0 6 1 2 在升温初始阶段 电阻有一个下 降阶段 ， 呈现负温度系数 ( NT C) 效应， C F 0 6 1 2比C F 0 6 8 下降幅度稍大， 之后随温度的升 高电阻率开始增加， 呈现正温度系数( P T C) 效应。分析认为， 碳纤 维钢渣混凝土中存在两个相互对立的过程。 一方面由于温度升高， 导电组分部分电子被激发而成为载流子， 在导电组分间跳跃进 行导电传输， 从而使电阻率减小， 呈现 N T C效应； 另一方面由于 材料受热膨胀， 若导电材料比混凝土原材料膨胀小， 会增加导电组 分间的距离， 增大导电问隔势垒， 使电阻率增加， 呈现 P T C效应旧 。 据此， 对 C F 0 6 0 试件而言， 由于碳纤维热膨胀系数原比混凝土原 材料小， 导电组分含量较少， 故升温后 P T C效应比NT C效应明 显， 电阻率随温度升高而增大； 对 C F O 6 4 、 C F 0 6 8和 C F 0 6 1 2 ， 内部含有钢渣， 而钢渣的热膨胀系数与混凝土原材料相近， 加热初 始阶段NT C效应比P T C效应明显， 随温度不断升高后， 碳纤维的 连接几率减小， 主要靠钢渣导电， 故电阻率又开始增加， 但随着钢 渣掺量的增加， 电阻率上升幅度依B y rd , ， 试件温敏性依次降低。 3结 论 ( 1 ) 从电阻变化率减小幅度和测试结果稳定性考虑， 对纤 维含量为 0 6 的混凝土， 钢渣掺量在 0 8 1 2 ( 渣灰比) 之间为 最佳掺量。 ( 2 ) 对碳纤维导电混凝土， 减少纤维的使用量后， 通过掺加 钢渣， 仍会改善混凝土的压敏效应， 对碳纤维含量为 0 6 的导 电混凝土， 当掺加的钢渣大于 0 8 ( 渣灰比) 后， 其压敏性会有明 显的改善 。 94 表 4再生骨料尺寸标准 加工工艺。 对我们国家来说， 还没有再生骨料的质量标准， 但考 虑到我国实际情况， 尚需根据再生骨料的不同类别 ， 建立 自己 的质量标准， 以加强再生骨料的推广与应用。 参考文献 ： 1 G I L P I N R， R O B I N S O N R， D A VI D ME N Z I E W， e t a1 R e c y c l i n g o f c o n s t r u c t i o n d e b ri s a g g r e g a t e i n t h e mi d a t l a n t i c r e g i o n U S A【J J R e s o u r c e s ， C o n s e r v a t i o nR e c y c l i n b ， 2 0 0 4 ( 4 2 ) 【 2 阿部道彦建筑副产品的有效利用I J J 土木施工( 日) ， 1 9 9 5 ( 1 3 ) 【 3 】陆凯安 我国建筑垃圾的现状与综合利用【 J 】 施工技术， 1 9 9 9 ( 5 ) 4 杜婷， 李惠强， 昌永红 再生混凝土 种新型的绿色建材f J 1 福建 建材， 2 0 0 2 ( 1 ) 作者简介 单位地址 联 系电话 郝永池( 1 9 7 4 一 ) ， 男， 教研室主任 ， 工程硕士， 副教授， 注册 建造师师资。 河北省石家庄市红旗大街 6 2 6 #建筑工程系( 0 5 0 0 9 1 ) l 3 93 I1 3 5 8 6 0 ( 3 ) 对碳纤维含量为 o 6 的混凝土， 随钢渣掺量的增加其 温敏性能逐渐降低。 参考文献 ： 1 唐祖全， 钱觉日 寸 ， 杨再富 导电混凝土研究进展 重庆建筑大学学 报 ， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 6 ) ： 1 3 5 1 3 9 I 2 J2 李树丞， 郦伟， 邓寿昌导电混凝土材料电阻系数的研究和分析l J 1 湘 潭大学 ： 自然科学学报， 2 0 0 3 ， 2 5 ( 9 ) ： 1 0 8 1 1 3 3 陈丽红， 孟宏睿碳纤维在混凝土中的应用 J 混凝土， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 3 3 3 6 4 】 张军用于公路桥梁融雪除冰的导电混凝土研究现状 山西建筑， 2 0 0 7 ， 3 3 ( 3 ) ： 2 6 7 2 6 8 【 5 】KA T A A， B E N T U R A Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d p o r e s t r u c t u r e o f c a r b o n fi b r e r e i n f o r c e d c e me n t a t i o n s c o mp o s i t e s J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 8 ， 2 0 ( 4 ) ： 5 9 6 0 6 李建保， 王厚亮， 孙格靓 ， 等 碳纤维复合材料在智能建筑结构中的 应用J _ 炭素技术， 2 0 0 0 ( 4 ) ： 5 4 5 7 7 】 李长太 钢渣混凝土的导电性与压敏性研究 D 重庆大学， 2 0 0 4 8 唐祖全， 钱觉时， 王智， 等钢渣混凝土的导电性研究 J 混凝土 ， 2 0 0 6 ( 6 ) ： 1 2 1 4 【 9 MAH MOU D M， T A HA R， S H R I V E N G E n h a n c i n g f r a c t u r e t o u g h n e s s of h i g h p e r f o r m a n c e c a r b o n fi b r e c e me n t c o m p o s i t e s 阴A C I ma t e ri a l s j o u r n a l ， 2 0 0 1 ， 9 8 ( 2 ) ： 1 6 8 7 8 1 O 1 沈刚， 董发勤 碳纤维导电混凝土的性能研究【 J 公路 ， 2 0 0 4 ( 1 2 ) ： 1 7 8 -1 81 1 1 R J 中辉， 方崎崎碳纤维智能混凝土的研究现状与展望们 浙江建筑， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 6 ) ： 2 4 5 3 【 1 2 】 支 小艳， 姚武， 吴科如 碳纤维水泥基复合材料温敏特性研究 J 】 _河海 大学学报 ： 自然科学版， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 2 ) ： 2 0 2 2 0 4 作者简介 单位地址 联 系电话 卢召红( 1 9 7 6 一 ) ， 男， 硕士， 研究方向： 混凝土结构。 黑龙江省大庆市高新技术开发区发展路 1 9 9 号 东北石油 大学土木建筑工程学院( 1 6 3 3 1 8 ) 1 3 1 9 9 0 59 21 9