碳纤维导电砂浆的导电性及微观形貌研究.pdf

第 卷第 期 年 月常 州 工 学 院 学 报 .:./.收稿日期:基金项目:福建省教育厅中青年教师教育科研项目(科技类)()福建省财政厅、科学技术厅科技计划项目()作者简介:张发兵()男福建宁化人助理实验师.主要研究方向为智能建筑材料碳纤维导电砂浆的导电性及微观形貌研究张发兵张仁巍田尔布康海鑫韩清飘连跃宗(.三明学院建筑工程学院福建 三明 .三明学院海峡理工学院福建 三明)摘要:文章主要研究掺入不同长度和掺量的碳纤维对砂浆的导电性及微观形貌的影响测试了导电砂浆、时的电阻率和 时的压敏性通过 观察导电砂浆 时的微观形貌导电性研究结果显示碳纤维可以有效降低砂浆的电阻率改善砂浆的压敏性 当碳纤维掺量为.时碳纤维砂浆的电阻率大幅降低 当碳纤维长度为 时掺.碳纤维的导电砂浆压敏性最佳当碳纤维长度为 时掺.碳纤维的导电砂浆压敏性最佳 微观形貌研究结果显示当碳纤维掺量较少时碳纤维之间的相互搭接较少电阻率较高当碳纤维掺量较多时碳纤维之间的相互搭接增加电阻率降低关键词:碳纤维导电砂浆电阻率压敏性微观形貌中图分类号:.文献标志码:文章编号:()(.):.:传统混凝土的电阻率较大大约为 很难应用于与导电相关的领域 在传统混凝土中添加导电材料可以降低混凝土的电阻率制得电阻率约为 的导电混第 期张发兵等:碳纤维导电砂浆的导电性及微观形貌研究凝土应用于与导电相关的领域 目前应用于混凝土的导电材料主要为碳纤维碳纤维作为一种微晶石墨结构由有机纤维经高温氧化碳化和石墨化得来具有导电性好、轻质高强、耐摩擦、耐高温、抗腐蚀、膨胀系数小等特点 国内外学者对碳纤维导电混凝土进行了大量研究发现碳纤维导电混凝土具有优良的导电性、压敏性、温敏性、电热性和磁敏性 已有研究多集中于对碳纤维导电混凝土的宏观性能研究涉及碳纤维导电混凝土微观形貌的研究相对较少 因此本文在砂浆中掺入不同长度和掺量的碳纤维研究碳纤维长度和掺量对砂浆电阻率和压敏性的影响并对碳纤维导电砂浆的微观形貌进行研究探索碳纤维导电砂浆的电阻率与微观形貌的内在联系 原料与方法.试验原料本次试验所用砂子为标准砂水为自来水减水剂为聚羧酸高效减水剂消泡剂为工业级混凝土消泡剂分散剂为羧甲基纤维素钠碳纤维为东丽公司生产的短切碳纤维纤维长度分别为、主要技术指标如表 所示 水泥为 型硅酸盐水泥主要化学成分、技术指标如表、表 所示 硅灰为河南铂润新材料公司生产的超细硅灰主要技术指标如表 所示表 碳纤维主要技术指标拉伸强度/拉伸模量/密度/()电阻率/()纤维直径/碳含量/.表 水泥中主要化学成分占比.注:.表 水泥主要技术指标比表面积/()密度/()标准稠度/安定性(煮沸法)凝结时间/初凝终凝 抗折强度/抗压强度/.合格.表 硅灰主要技术指标比表面积/()/.试验方法试验所用碳纤维长度为、碳纤维掺量为、试件尺寸为 标准养护养护温度为()相对湿度大于.电阻率测试当养护龄期到、时从养护室中取出试件采用四电极法测试其电阻电源采用直流稳压电源电极采用铜网电表采用万用表 电阻 /电阻率 /式中 为电压 为电流 为试件截面面积 为试件长度.压敏性测试当养护龄期为 时从养护室中取出试件并采用 微机控制电液伺服万能试验机测试其压敏性.微观形貌研究当养护龄期为 时从养护室中取出试件采用 系列扫描电镜对试件的微观形貌进行分析 结果与讨论.碳纤维掺量对电阻率的影响碳纤维长度为 时碳纤维砂浆、的电阻率与碳纤维掺量的关系曲线如图 所示 碳纤维长度为 时碳纤维砂浆、的电阻率与碳纤维掺量的关系曲线如图 所示常州工学院学报 年图 碳纤维长度为 时砂浆电阻率与碳纤维掺量关系曲线图 碳纤维长度为 时砂浆电阻率与碳纤维掺量关系曲线从图、图 可以看出当龄期为 时碳纤维砂浆电阻率随着碳纤维掺量的增加而呈降低的趋势 这主要是由于随着碳纤维掺量的增加碳纤维在砂浆基体中分布得更加广泛相互搭接的可能性增加导电性增强 龄期为 时当碳纤维掺量为 时与未掺碳纤维砂浆相比电阻率变化较小这主要是由于此时碳纤维掺量较少碳纤维在砂浆中相互搭接的可能性较小当碳纤维掺量为 和 时与未掺碳纤维砂浆相比电阻率下降较快这主要是由于此时碳纤维掺量增加碳纤维在砂浆中相互搭接的可能性增加当碳纤维掺量大于 时砂浆电阻率下降非常少这主要是由于随着碳纤维掺量的持续增加碳纤维在砂浆中出现了重复搭接 由此可知当碳纤维长度为、时碳纤维砂浆的渗滤阈值为 从图、图 中可以看出当碳纤维掺量相同时 龄期时砂浆电阻率最大 龄期时砂浆电阻率次之 龄期时砂浆电阻率最小 这主要是由于随着龄期的增加水泥水化越来越充分试件内部孔隙越来越小使得原本充满孔隙水的导电通道越来越少因此电阻率变大.碳纤维掺量对压敏性的影响为施加荷载前的电阻值 为荷载作用下的电阻值 为荷载作用下电阻值与荷载作用前电阻值的差值电阻变化率为/碳纤维长度为 、龄期为 时不同碳纤维掺量砂浆电阻变化率与荷载之间的关系曲线如图 所示图 碳纤维长度为 砂浆电阻变化率与荷载关系曲线从图 可以看出对长度为 的碳纤维当碳纤维掺量为 时电阻变化率变化最大碳纤维砂浆的压敏性最好当碳纤维掺量为 或时碳纤维砂浆的压敏性均变差 这主要是由于当碳纤维掺量太少时间隔势垒较大在压应力作用下影响较小因此压敏性较小当碳纤维掺量太多时导电材料之间相互搭接形成导电网络隧道效应减小压敏性较差碳纤维长度为、龄期为 时不同碳纤维掺量砂浆电阻变化率与荷载之间的关系曲线如图 所示 从图 可以看出对长度为 的碳纤维当碳纤维掺量为时电阻变化率变化最大碳纤维砂浆的压敏性最好当碳纤维掺量为和时碳纤维砂浆的压敏性变差 合适的碳纤维掺量是碳纤维砂浆具有最佳压敏特性的必要条件第 期张发兵等:碳纤维导电砂浆的导电性及微观形貌研究导电材料掺量过高、过低都会导致导电砂浆压敏特性降低图 碳纤维长度为 时砂浆电阻变化率与荷载关系曲线.碳纤维长度对压敏性的影响碳纤维掺量为 、龄期为 时碳纤维长度为 和 的砂浆电阻变化率与荷载之间的关系曲线如图 所示图 碳纤维掺量.时砂浆电阻变化率与荷载关系曲线从图 可以看出当碳纤维掺量相同时掺 碳纤维砂浆电阻变化率的变化大于掺 碳纤维砂浆 这主要是由于碳纤维越长时碳纤维相互之间越容易搭接隧道效应减小压敏性变差.碳纤维掺量对砂浆微观形貌的影响未掺碳纤维砂浆 龄期时的微观形貌如图 所示掺 的 碳纤维砂浆 龄期时的微观形貌如图 所示掺 的 碳纤维砂浆 龄期时的微观形貌如图 所示掺的 碳纤维砂浆 龄期时的微观形貌如图 所示 图中圈内标出的为碳纤维相互搭接的部分图 未掺碳纤维试件的 图图 掺.的 碳纤维试件的 图图 掺.的 碳纤维试件的 图从图 到图 可以看出未掺碳纤维的砂浆微观形貌中未出现碳纤维 当掺 的 的碳纤维时砂浆微观形貌中出现了碳纤维且出现了碳纤维相互搭接的情况但是相互搭接较少因此掺 的 碳纤维时砂浆的电阻率减小幅度相对较小 当掺 的 的碳纤维时砂浆微观形貌中出现了大量碳纤维相互搭接的情常州工学院学报 年图 掺 的 碳纤维试件的 图况因此掺 的 碳纤维时砂浆的电阻率大幅下降 当掺 的 的碳纤维时砂浆微观形貌中也出现了大量碳纤维搭接的情况但有些搭接属重复搭接因此掺 的 碳纤维砂浆比掺 的 碳纤维砂浆的电阻率虽然有减小但是减小幅度不大 结论通过在砂浆中掺入 、的 与 碳纤维制备碳纤维导电砂浆并对其电阻率、压敏性、微观形貌进行研究可得如下结论:)对于掺入 与 纤维龄期为 的碳纤维砂浆当掺量为 时砂浆的电阻率大幅下降当掺量大于时下降幅度变化不大)对于 碳纤维当碳纤维掺量为 时砂浆压敏性最佳对于 碳纤维当碳纤维掺量为 时砂浆压敏性最佳)微观形貌研究显示:当碳纤维掺量较少时碳纤维之间的相互搭接情况较少当碳纤维掺量为 时碳纤维之间的相互搭接情况增加当碳纤维的掺量为 时碳纤维之间出现了大量的重复搭接参考文献贾兴文 张新 马冬等.导电混凝土的导电性能及影响因素研究进展.材料导报():.莫娟房正刚薛峰等.导电混凝土的微观形貌研究.电子显微学报():.谢云峰王亚涛李顺常.碳纤维工艺技术研究及发展现状.化工新型材料():.张晓虎孟宇张炜.碳纤维增强复合材料技术发展现状及趋势.纤维复合材料():.黎小平张小平王红伟.碳纤维的发展及其应用现状.高科技纤维与应用():.赵树青于之华李国凤.碳纤维混凝土导电性能试验研究.公路():.:./.():.马世宁刘晓军张元龙.碳纤维导电混凝土道面机场除冰雪的应用研究.路基工程():.侯作富.融雪化冰用碳纤维导电混凝土的研制及应用研究.武汉:武汉理工大学.责任编辑:刘景平