石墨导电混凝土导电特性.pdf

大 庆 石 油 学 院 学 报 J 0uRNAI OF DAQI NG PE TROLEUM I NS TI TUTE 第 3 3卷 第 1 期 2 0 0 9年 2月 Vo 1 3 3 No 1 F e b 2 0 0 9 石墨导 电混凝土导 电特性 张文福 ，马 昌恒，赵 文艳 ，才英俊 ，朱殿瑞 (大庆石油学院 土木建筑工程学 院， 黑龙江 大庆 1 6 3 3 1 8) 摘要 ： 进行石墨导电混凝土的导 电特性实验 ， 分析养护龄期 、 石墨质量分数 、 电源性质和应力 对石墨导电混凝土电 阻率的影响结果表明 ： 养护龄期对低质量分数 的石墨导电混凝土影 响较大 ， 对高质量分数的石墨导电混凝土影响较小 ； 交流 电作为电源能有效避免极化效应的产生 ， 所得结果更接 近于真实值 ， 在 实际应用时也更节 省能量 ； 石墨 导电混凝土 的渗滤阈值为 1 0 1 5 ； 石墨导电混凝土的压敏性不很 明显 ， 当石墨质量分数为 1 O 时可以定性使用 关键词： 石墨导电混凝土；养护龄期；掺和量 ；电源性质 ； 渗滤 阈值 ；压敏性 中图分类号 ： TU3 7 7 9 文献标识码 ： A 文章编号 ： l O O O 一1 8 9 1 ( 2 0 0 9 ) O l 一0 0 7 2 0 3 0 引言 导 电混凝 土可 在电场下 工作 ， 作为 输导 电流 的导 电材料 ， 其 导 电性 是衡量 导 电混凝土性 能 的主要物理 参数， 其数值在一定的时间、 允许荷载和温度范围内保持稳定性导电混凝土的电阻率取决于导电相的电 学性能、 物理性能、 导电相与胶凝材料的相互作用以及它在混凝土中的分布特征等 I 文献E z 研究 了碳 纤维混凝土在不同压力下电阻率的变化， 表明碳纤维混凝土电阻率的变化反应试件 内裂纹的产生 、 闭合 、 张开 和扩展 ， 这种压 敏性 反映结 构 内应 力场及 裂纹 的状态 ， 可作 为一种 本征智 能材 料用 于混凝 土大坝等 工 程的无损探测以石墨为导电相材料 ， 分析石墨导电混凝土的养护龄期 、 石墨质量分数、 电源性质及应力 等对电阻率影响其中应力对电阻率影响的实验考察石墨导电混凝土是否具有压敏性 1 实验部分 1 1实验材 料与 电极 试 件尺 寸为 1 0 0 mm1 0 0 mm1 0 0 mm， 混凝 土强度 基本设 计为 C 2 5 主要 原料 为新标 准 3 2 5 级 普 通硅酸盐水泥； 拌和水采用 自来水； 细骨料采用普通 中砂( 河砂) ， 粒径小于 5 mm； 粗骨料采用混合的卵石 和碎石 ， 最大粒径为 1 6 mm； 导电相采用青岛古宇石墨有限公司生产的鳞片石墨， 粒度为 1 0 1 0 5 0 1 0 _ 。 m水 、 细骨料 、 粗骨 料 、 水 泥 的质量 比为 1： 1 4 8： 2 6 9： 0 4 6 考 虑热 电特性 实验 的特殊性 ， 采用 具有一 定 刚度 的薄 不锈 钢 片作 为 电极 材料 电 极 的制作 方 法见 文 献 3 1 2 基本参 数 石 墨质 量分数 ： 素混凝 土 ， 5 ， 1 0 ， 1 5 ， 2 0 ， 每种 质量 分 数 配制 3个试 样分 别 用直 流 电 ( 1 2 V) 和交 流电( 2 2 0 V) 作 为 电源 ， 测试 石墨 导 电混凝 土试 件 在养 护 龄期 分 别为 7 ， l 4 ， 2 1 ， 2 8 ， 5 6 d时 的 电阻 ， 以 比较 2 种 不 同电源对 导 电混 凝土 电阻率 测试结 果 的影 响 ， 实 验基 本参数 见表 1 电极 布置 见图 l ， 其 中 Z 为 电极板 的长 度 1 3实验方 案 为分析导电混凝土电阻率与应力之间的关系 ， 进行不 同石墨质量分数 的混凝土试件在不同压力下的 实验， 加载速度为 5 k N s 实验 中， 电阻不再是由电压和电流算得 即使是在无压状态下 ， 引人石墨导电混 收稿 日期 ： 2 0 0 71 1 2 0 ； 审稿人z 吴献 ； 编辑 ： 任志乎 基金项 目： 黑龙江省教育厅科学技术研究项 目( 1 l 5 l l O l 1 ) 作者简介： 张文福 ( 1 9 6 5 一) ， 男， 博士 ， 教授 ， 主要从事结构工程与防灾减灾方面的研究 7 2 第 1 期 张文福等： 石墨导 电混凝土导 电特性 表 1 电极所引入的导 电混凝土基本参数 m m 注 ( 一1 ， 2 ， 3 ， 4 ) 分别为每一电极两边露出试块 的长度 ； L为极间距 ； S为由两相对电极所引人 的导电混 凝土的面积 凝 土 中的 电流 和 电压需 要 一 段 时 间 ( 3 0 S 左 右) 才能稳定由于不断改变压力 ， 若仍然采 用 这样 的 电阻 计 算 方 法 ， 误 差 要 增 大 将 养 护好 的试 块置 于压 力 机上 ， 用导 线 将 试 块 与 万用电表连好 ， 边加压边读取并记录压力和 电阻数据 2 实验影响 因素 2 1 养护 龄期 分别 用 直 流 电 和 交 流 电作 为 电源 所 测 得 的 平 均 电阻率 见表 2 当用 直 流 电 和交 流电作 为 电源 时 ， 不 同 石 墨质 量 分 数 时 的导 电 混 凝土的养护龄期与 电阻率 的关 系见 图 2和 图 3 ， 养护 龄 期 为 2 8 d时 ， 交 流 电下 不 同石 墨 质 量 分 数 与 电阻 率 的关 系见 图 4 占 8 0 岛 彻 O 图 1 电极 布置 示意 表 2导电混凝土平均电阻率随养护龄期的变化 养护龄期 d ( a ) 直流电源 g c； 锝 理 6 0 O 4 0 养护龄期 d ( b ) 交流电源 图 2 直、 交流 电源 时石 墨质量分数为 5 时养护龄期与 电阻率 的关 系 册 m 大庆石油学院学报 第 3 3卷2 0 0 9年 3 z 解 蓦 g a 糌 l O 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 养护龄期 d ( a ) 直流电源 养护龄期 d f b 1 交流电源 图 3 直、 交流 电源时石墨质量分数为 l 0 、 1 5 、 2 O 养护龄期与电阻率 的关 系 2 2石 墨质量 分数 2 o 由图 2可 以看 出 ， 交 、 直 流 电作 为 电 源时 ， 低 石 墨 质量 分数( 5 9 6 ) 试件养护龄期对电阻率的影响最为明显 ， 而高石 一 墨质量分数对试件的影响甚微 ， 交流电源时各试件 电阻率 比直流电下的约小 5 O ， 变化幅度也更小一些 童 这种 现象 原 因可以从 导 电混 凝土 的导 电机理上 加 以解 一4 释导 电混凝 土 的导 电方式 有 4 ： 离 子导 电， 通 过孔 溶液 中 C a 抖、 Na 、 K 、 OH一 和 S O 一等离子运动形成 ； 电子 导电 ， 通 过 自由 电子 的迁 移 形成 ； 空 穴 导 电 ， 通 过 空 穴 的 迁 移形 成在 直流 电源 下 ， 离子 在稳 定 的 电动势下 ， 阴离子 向正极 集 中 ， 阳离 子向负 极集 中 ， 最后 以薄层 形式沉 积在 电 l 0 l 5 石墨质量分数 养护 2 8 d 、 交流 电源时石 墨质 量分数 与电阻率的关 系 极周围， 这一薄层产生相反的离子电动势( 即为极化效应) _ 5 ， 从而中和一部分外加电动势， 使所测得的电 流减小如果用电压和电流之 比来计算电阻值， 就会比真实值大在交流电源下 ， 由于电极的极性不断变 化 ， 极化 效应要 比直流 电源下小 很多 ， 甚至 没有这种 效应 ， 测得 的结果 要小 ， 也就更 接近 于真实 值 在实际应用中， 用交流电作为电源能避免极化效应的产生 ， 要得到同样的期望值( 如采暖时的电热功 率) ， 用交流电作电源要比用直流电节省能量， 应拓展导电混凝土的应用范围 由图 3可 以看 出 ： 石 墨质量 分数 由 5 到 l 0 时 ， 电 阻率 下 降最 为 明显 ； 从 1 O 到 1 5 时 ， 电阻率 下 降趋势趋于缓和； 从 1 5 到 2 O 时 ， 电阻率 已基本上无变化， 这是石墨导电混凝土及导电高分子复合材料 存在的电导渗流现象 j 石墨导电混凝土的渗滤阈值为 1 0 1 5 时， 该值与文献 6 3 的研究结论一致 由于石 墨影 响混凝 土强度 ， 在 实际应 用 中石 墨质量 分数不 宜超 过 1 5 2 3应 力对 电阻率影 响 ( 压敏 性 ) 以石墨质量分数为 2 O 时的试件为实验对象， 进行压敏性实验： 逐渐加压至破坏的电阻率变化、 小压 力下循环加载的电阻率变化 、 大压力下循环加载直至破坏的电阻率变化 、 小压力下恒定荷载的电阻率变 化 石墨质量分数为 2 0 时的应力与电阻率随时间的变化关系见图 5 7 石墨质量分数为 1 5 时的应力 与电阻率随时间的变化关系见图 8和图 9 石墨质量分数为 1 O 时的应力与电阻率随时间的变化关系见 图 1 0 由图 5可以看出， 随着应力的增大， 开始时石墨导电混凝 土的电阻率不断减小 ， 说明内部裂纹在不断 的闭合 ； 在 3 5 mi n时， 电阻率迅速减小， 说 明此时发生较大的变形 ， 大量的裂纹闭合在一起 ； 到 4 0 mi n 时， 裂纹减小速度又变得较为平缓， 说明内部裂纹的闭合程度已变得缓慢 ； 之后 ， 电阻率升高， 说明内部产 生新 的裂纹 ， 直到 最后破 坏 由图 6可以看 出， 在循环压力作用下， 随着应力 的不断循环， 电阻率总体呈上升趋势， 但电阻率随应力 的变化 没有 明显增 大或减 小 的循 环 阶段在 2 4 mi n ， 5 9 mi n ， 1 0 1 3 mi n时 ， 电阻 率没有 变化 ， 表 现 出 74 。 第 1期 张文福等 ； 石墨导电混凝 土导 电特性 6 4 2 0 时间 mi n ( a ) 应力 2 9 2 8 鸯 篓。 6 2 5 2 4 O 时间 rain ( b ) 电阻率 图 5 石墨质量分数 为 2 O 时 1 #试件 电阻率与应力 随时间变化的关系 0 5 0 9 6 0 时问 mi n ( a ) 应力 1 4 一 g 1 2 9 瓣 爱 1 0 O 8 6 9 0 5 时间 mi n ( b ) 电阻率 图 6 石墨质量分数 为 2 0 时 2 #试件 电阻率 与应力 随时间变化 的关 系 4 8 时间 mi n ( a ) 应力 1 7 L 。 爱 1 1 0 9 0 4 8 I 2 I 6 时间 mi n ( b ) 电阻率 图 7 石墨质量分数 为 2 0 时 3 #试件 电阻率与应力随 时间变化 的关 系 时间 mi n ( a ) 成力 6 9 0 9 5 0 9 O g 二0 8 5 墅 0 8 0 0 7 5 0 7 O O 时fH J mi n ( b ) 电阻率 图 8 石墨质量分数为 1 5 时 1 #试件 电阻率 与应力随 时间变化 的关 系 6 9 7 5 d I I R 6 5 4 3 2 1 B d R毯 B d R毯 窆 R通 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 大庆石油学院学报 第 3 3卷2 0 0 9年 1 2 1 0 量 8 6 通 4 2 O 3 O 2 t 0 R 毯 1 O 5 1 O l 5 时 间 mi n ( a ) 应力 g a 褂 岛 3 O 2 O 时间 mi n ( b ) 电阻率 图 9 石墨质量分数为 1 5 时 3 #试件 电阻率 与应力随 时间变化的关系 0 5 l O 1 5 2 0 2 5 时间 mi n ( a ) 应力 c； 静 囊 0 5 1 0 l 5 2 0 2 5 3 0 时间 mi n ( b ) 电阻率 图 1 O 石墨质量分数为 1 O 时 2 #试件 电阻率与应力随时间变化 的关 系 “ 台阶” 的特征， 此阶段对应于应力的一个循环， 说明此时新裂纹增长和旧裂纹闭合达到一个动态平衡若 所加的应力超过原先的峰值， 则又出现新的裂纹 ， 以至电阻率增大之后 ， 在下一个循环过程 中， 重复出现 该 特征 由图 7可见 ， 在 6 mi n前 的应力 循环 中所表 现 出来 的规 律不 明显 ， 只是 在 其后 的 受力 中应 力 增 大 ， 裂 纹闭合 ， 电阻率减小 ； 应力减小 ， 裂纹圹展 ， 电阻率增大 ； 应力与电阻率极值出现的时间吻合较好 由图 8可见 ， 随着应力的增大电阻率呈上升趋势， 但整条电阻率的曲线显得杂乱 由图 9可见 ， 在 5 mi n以前电阻率增长缓慢 ； 5 1 0 mi n时的应力循环阶段 ， 电阻率几乎没有变化 ， 说 明 旧裂 纹 的闭合 与新裂 纹的生 成达 到 平衡 ； 1 0 mi n以后 电阻率 迅 速增 大 ， 表 明导 电 混凝 土 内部 裂 纹 的开 裂速度 增快 直到破 坏 由图 1 0可见 ， 试件 内部 裂纹 的应 力变 化 比较 剧烈 ， 说 明压 敏性很 明显 对于石墨导电混凝土， 电阻率随应力的变化大致反映试件内部原有缺陷裂纹的闭合 、 新裂纹 的产生、 扩展 直至试 件破坏 的过 程由于 石 墨分 子 长径 比小 ， 当质量 分 数 较小 ( 5 ) 时 石 墨分 子 之 间很 难 相互 搭 接 ， 较 难形 成整体 的导 电网 络 ， 此 时主 要 依靠 离 子 导 电 ， 且 强 度 相 对又 较 高若 石 墨 质量 分 数 较 高 时 ， 如 1 5 ， 2 O ， 试件强度较低， 再稍加压力 ， 即造成裂纹扩张 ， 势垒扩大， 导致 电阻率增大此时 即使减小应 力， 虽有旧裂纹闭合 ， 但又会有新裂纹 的生成， 电阻率为一固定值 ， 也难以判断外部应力的变化质量分数 为 l 0 时的石 墨导 电混凝 土压敏 性为一 个较好 值 3 结论 ( 1 ) 养护龄期对低质量分数的石墨导电混凝土影响较大 ， 对高质量分数的石墨导电混凝土影响甚微 ( 2 ) 将直流电作为电源进行 电阻率测试时， 由于极化效应的影响会使计算的电阻率变大； 将交流电作 7 6 3 2 1 0 9 8 8 8 8 8 7 7 第 1 期 张文福等 ： 石墨导 电混凝土导电特性 为电源时 ， 能有效地避免极化效应 ， 所得结果更接近于真实值 ， 并节能能量 ( 3 ) 石 墨导 电混凝 土 电阻率 的渗滤 阈值 为 l O 1 5 ( 4 ) 石墨导电混凝土的压敏性不是很明显 ， 当石墨质量分数为 1 0 时可以定性应用 ， 应该研究以石墨 和碳纤 维 同时作 为导 电相材料 而制 成 的导 电混凝 土 的压 敏性 本项 目得到大庆市科学技术计划项 目( S GG 0 4 -0 2 0 ) 的资助 ， 王福成和孙晓刚同志还参与 了部分实验 研 究， 在 此一 并表 示感谢 参考文献 ： 1 沈刚， 董发勤导电混凝土及其发展趋势 J 工业建筑 2 0 0 4 ， 3 4 ( 3 ) ： 6 2 6 4 2 毛起瘸 ， 赵斌元 ， 沈大荣， 等水泥基碳纤维复合材料压敏性的研究 J 复合材料学报 ， l 9 9 6 ， 1 3 ( 4 ) ： 8 1 1 3 3 赵文艳 ， 张文福 ， 马昌恒， 等石墨导电混凝土热 电特性 J 大庆石油学院学报， 2 0 0 8 ， 3 2 ( 6 ) ： 8 3 8 5 4 S UN Mi n g q i n g ，I I Z h u o q i u ，MAO Qi z h a o ，e t a 1 S t u d y o n t h e h o l e c o n d u c t i o n p h e n o me n o n i n c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e J Ce mCo n c r Re s ，1 9 9 8， 2 8 ( 4 )： 5 49 5 5 4 5 毛起熠 ， 赵斌元， 沈大荣 ， 等极化效应对碳纤维增强水泥( C F R C) 导 电性的影响 J 材料研究学报 ， 1 9 9 7 ， 儿( 2 ) ： 1 9 5 1 9 8 6 沈刚 ， 董发勤石墨导电混凝土的研 究 J 混凝土 ， 2 0 0 4 ( 2 ) ： 2 1 2 4 ( 上接 第 4 4页) 4 李成见射流泵在渤海埕北稠油油 田的成功应用 J 中国海上油气 ， 2 0 0 5 ， 1 7 ( 2 ) ： 1 0 8 1 1 1 5 谢明政含硫稠油射流泵采油工艺f J 油气田地 面工程 ， 2 0 0 6 ， 2 5 ( 1 ) ： 2 O 一2 1 1- 6 何培杰 ， 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