利用自行制备的导电功能集料进行碳纤维导电混凝土的制备,并对制备得到的混凝土进行了中长期龄期的电性能测试,研究表明，在碳纤维掺量为0. 3%, 0. 6%, 0.9%的碳纤维混凝土中掺加导电集料可以有效的改善导电性能，提高混凝土的电稳定性,并可以在形成导电通路时减少纤维的用量。证明了以导电集料取代或部分取代普通集料制备导电混凝土的可行性。

    导电混凝土是混凝土功能化的重要方向。当前对导电混凝士导电功能的实现主要是依靠在混凝土水泥石中加入一定量的导电相材料,通过电子流或隧道跃迁形成导电网络。其中，以碳纤维作为导电相材料的碳纤维导电混凝土是国内外学者研究的热.点。Chung DD L等人F3]系统的研究了碳纤维混凝土的导电性能及其在结构智能化当中的应用。侯作富,李卓求等人4研究了碳纤维作为导电相时导电混凝土的性能,影响因素以及其在融雪除冰中的作用。大连理工大学的张滇军,徐世等”研究了碳纤维混凝土在感受应力时的迟滯效应。然而，国内外的研究大多仅局限于将导电相材料分散于水泥石中，而水泥石相在混凝土中的单位体积含量一般低于1/3,其余2/3左右的体积空间被粗细集料和气孔填充。因此，仅在水泥石相当中形成的导电网络对于混凝土整体而言是非均匀分布和不完善的。针对这一问题,TarunR,侯作富等6刀尝试采用石墨块、铁矿石或粗细钢渣等作为导电集料,部分或全部取代普通集料掺加到导电混凝土中，试图与其他导电相材料之间一起形成均匀分布、更为完善的导电网络,但是天然的石墨块,铁矿石和矿渣具有的导电性能波动性和不可控性仍然存在难以克服的缺陷。

    笔者在导电陶瓷的启发下在陶粒制备过程中掺入一定量的导电相材料,初步制备出一批导电性能优异的导电功能集料。本文利用制备的导电功能集料进行了混凝土制备,并对制备得到的混凝土进行了电性能测试,证明了以导电集料取代或部分取代普通集料制备导电混凝土的可行性。

 

1试验

1.1 原材料

    51mm.nPAN基碳纤维(上海新卡碳素科技有限公司),其指标见表1;羟丙基甲基纤维素(天津沃尔德三维化工公司);42.5 P 0水泥(华新水泥厂);普通集料和自行制备的导电功能集料,粒径4~ 10cm,电阻率约为200 l●cm;磷酸三丁酯(天津市恒昊科工贸有限公司)和聚羧酸减水剂(武汉浩源化学.建材有限公司)。

1.2试件的制备

        将试验所需水在烘箱中加热到90 C,取出热水后迅速将称量好的HPMC加入计量后的水中搅拌至完全溶解,放置到40C左右加入设计质量的消泡剂、碳纤维,用玻璃棒轻轻搅拌约2 min后冷却待.用。将水泥和掺合料分别按试验方案进行计量后放入胶砂搅拌锅,搅拌30s后关上搅拌机,重新打开搅拌机后将冷却后的碳纤维混合液慢慢加入到混合料中,搅拌90s即可得到碳纤维分散较为均匀的碳纤维水泥浆。最后在碳纤维水泥浆中加入制备好的导电功能集料,搅拌30s后倒入4x4x 16的三联模成型，并预埋电极。试验中采用的配合比集料掺量为模具体积的1/3, 碳纤维掺量为水泥浆体的0.3%, 0.6%,0.9%,水灰比为0.3。

1.3试件的养护和测试制备的试件拆模后置入养护水箱中,恒温25C.湿养护。测试时将试件从水中取出，放置至表干状态,用直流电源通过四电极法测试。

2结果和分析

    在以往的研究中，由于集料是近似绝缘的,集料的掺加往往阻隔了导电网络的形成,过量的集料还会严重影响原本已经形成的导电网络。因此,在掺加集料的时候,碳纤维的渗滤阈值往往在1%以上8.9。本实验在掺加1/3体积掺量后的导电集料后,发现碳纤维掺量为0.6%时，也可以取得不错的导电性能。碳纤维掺量0.6%时掺加导电集料和不掺加导电集料的龄期电阻率如图1( a) , 图1( b) 所示。

    图1不同集料下碳纤维混凝土的龄期电阻率由图1(a),普通碳纤维混凝土在碳纤维掺量为0.6%时，电阻率随龄期的发展总体上呈现不断变大的趋势。从第3d到第21 d,电阻率从680.3 ?. cm上升到2200?●cm,电阻率的增加是一-种近似于线性的关系，龄期21d以后电阻率增长开始趋向于平缓。这一现象可以从水泥水化和导电通路机理中得到解释:混凝土材料在终凝后水化并不完全,混凝土内部存在许多凝胶孔,胶凝孔形成的贯通通路给K+、Na+和0HT离子为主的溶液一个良好的导电环境,从而使得一开始制备的混凝土具有较好的导电性能。随着水化过程的发展,凝胶孔中的水分子.逐渐被水化反应所吸收,离子导电能力不断下降,同时形成的空隙也进一步的阻断了导电通路,使得材料的导电性能逐渐降低。当水化过程更加充分后，.材料内部胶凝材料结构已经接近完全成形,并且游离离子的浓度较稳定使得材料的导电性能稳定下来。

    由图1(b)还可以发现,随着龄期的增长，导电混凝土的电阻率一直在80~ 90 0●cm之，间徘徊,考虑到试验操作的误差,环境温度湿度对混凝土电阻率的影响，掺加导电集料后的导电混凝土的电阻率具有非常好的稳定性。这主要是由于导电集料和碳纤维之间的导电网络已经形成,水溶液离子导电对导电混凝土的影响变小。将碳纤维掺量为0.3%,0.6%,0.9%时,掺加导电集料或普通集料的混凝土的21 d电阻率取对数,其对数值与碳纤维掺量的关系如图2所示。

图2   2种混凝土在不同纤维掺量下的电阻率

    图2,在不同的碳纤维掺量下，掺加导电集料的碳纤维混凝士的电阻率相比掺加普通集料时都有较大的降低。碳纤维掺量为0.3%时电阻率降低了一个数量级,在掺量为0. 9%相差了2个数量级。
结合图1(b)和图1(a)中的21 d龄期电阻率,可以发现,掺加导电集料以后，导电混凝土的电阻率有了很大幅度的提高,21d龄期电阻率由不掺时的2200l.cm降低到了掺加时的86.1 O*cm,下降了2个数量级。这一现象充分说明 了在导电集料的掺入后,混凝土中原来并不完备的导电网络通过导电集料的搭接形成了更为完整的导电网络。也就是说，掺入一定量的导电集料来替代普通集料,可以有效的降低昂贵的,且胚易分散的碳纤维的使用量,这不仅可以节约导电混凝土的制备成本,也有助于导电混凝土的施工工艺改善。

3 结语
  
    传统的碳纤维导电混凝土中掺加1/3体积掺量的导电集料,在0.3%, 0. 6%, 0. 9%的碳纤维掺量下，对混凝土的导电能力均有一-定的提高。同时，掺加导电集料可以在更少的碳纤维掺量下形成导电网络,提高导电混凝土的电阻稳定性。因此，进行导电集料的研究来制备导电集料混凝土时可行的。