摘 要 對碳纖維導電混凝土的國內外研究現(xiàn)狀、導電機理及應用進行了論述,展望了它的研究動態(tài)和應用前景。
關鍵詞 混凝土,碳纖維, 導電, 研究動態(tài), 應用前景
普通混凝土的電阻率一般在105～109Ω ·m 范圍內,它既不屬于絕緣體,也不屬于良導體。在普通混凝土中加入導電相(如導電顆粒或導電纖維) 后,可以使其電阻率大大降低。這使得混凝土不僅可以作為一種建筑承載材料使用,而且可以在諸如電工電子、電磁干擾屏蔽、防靜電、鋼筋陰極保護、建筑地面采暖等多方面發(fā)揮重要作用。
導電混凝土是指由膠凝材料、導電相、介電骨料和水等組分,按照一定配比混合凝結而成的多相復合材料,是由導電相部分或全部取代混凝土中的普通骨料配制而成,具有規(guī)定的電性能和一定力學性能的混凝土。目前,各國研究的導電混凝土已有多種,所用的原料及用途也各不相同。根據(jù)膠凝材料的不同,可將導電混凝土大體分為三類[1 ] ,即無機類(如水泥導電混凝土及水玻璃導電混凝土) 、有機類(如瀝青導電混凝土和樹脂導電混凝土) 和復合類(如聚合物導電混凝土和浸漬導電混凝土) 。常用的導電組分也分為三類:聚合物類、碳類和金屬類。各種導電填料及其特點見表1 所示。
碳纖維是一種抗折強度高,空氣中耐氧化、耐高溫、耐低溫、高模量輕質非金屬新型材料。既具有元素碳的各種優(yōu)良性能,如比重小、耐熱性極好、熱膨脹系數(shù)小、導熱系數(shù)大、耐腐蝕性和導電性良好等,同時,它又可進行編織加工和纏繞成型,此外還具有良好的耐磨性、潤滑性和吸附性,是導電混凝土中作為導電相非常理想的材料。因此近年來關于碳纖維導電混凝土的研究受到廣泛關注。
1 碳纖維導電混凝土研究現(xiàn)狀
碳纖維水泥基導電混凝土因其良好的導電性和力學性能受到了人們的青睞,國內外對此都進行廣泛深入的研究。
1999 年Wen Sihai 等在水泥基添加質量比為015 %的碳纖維以及15 %的硅粉,使機敏混凝土作為一種高效的電熱器,并指出碳纖維的摻入能顯著改善Seebeck 效應的線性和可逆性,且微硅粉和樹脂對碳纖維水泥基復合材料的Seebeck 效應有影響[2 ] 。Chung[3 ]等研究了碳纖維含量以及其他外加填料對碳纖維水泥基復合材料的電極化影響,發(fā)現(xiàn):當增加碳纖維的含量或添加硅粉時,可以起到降低電極化程度的作用;對碳纖維水泥基復合材料施加壓應力,對電極化的強度和極化完成時間都有顯著的影響;施加的壓應力越大,電極化強度就越弱,并且可以縮短其電極化最終完成的時間;碳纖維水泥基復合材料的電極化還受養(yǎng)護齡期、含水量以及其他導電填料的影響。另外他們還發(fā)現(xiàn),碳纖維混凝土的電阻率隨溫度升高而減小[4 ] 。2001 年Farhad Reza 等也研究了溫度對碳纖維水泥基復合材料體積電阻率的影響[5 ] 。
武漢理工大學的李卓球等[6 ,7 ] 于1998 年首次報道了碳纖維混凝土的Seebeck 效應。2001 年孫明清、李卓球[8 ] 等系統(tǒng)地研究了碳纖維混凝土和素混凝土的力電機敏性,研究了力電效應機理、力電效應與其它效應(壓阻效應、Seebeck 效應等) 的耦合關系、基于力電效應的混凝土電學模型、混凝土電磁發(fā)射現(xiàn)象、混凝土力電效應的數(shù)學模型等,開展了基于力電效應的機敏混凝土結構應用研究。2002 年,武漢理工大學的唐祖全[9 ]研究了碳纖維混凝土的電阻2溫度特性,結果表明:在纖維摻量< 016 %時,碳纖維混凝土電阻對溫度變化很敏感,且隨纖維含量的增加,碳纖維混凝土電阻溫敏性的穩(wěn)定性提高;含015 %和016 %纖維的碳纖維混凝土同時具有較高的敏感性和穩(wěn)定性;當纖維含量超過018 %時,碳纖維混凝土沒有明顯的溫敏性。
混凝土一方面向高性能發(fā)展,另一方面向功能、智能材料方向發(fā)展。通過在碳纖維水泥導電混凝土中加入短切碳纖維,使得混凝土結構具有機敏性和類生物材料的自感知、自診斷、自感應、自修復等功能,從而不需借助外加的傳感器和執(zhí)行器即可實現(xiàn)結構智能監(jiān)控。但是,碳纖維導電混凝土的研究還存在著很多不足,主要表現(xiàn)在: (1) 碳纖維水泥導電混凝土制作工藝還不夠成熟,電阻測試值離散性較大,甚至出現(xiàn)幾倍的差距,說明在物相配比、攪拌過程、電極選用上都有待于提高; (2) 導電機理的解釋還不完善; (3) 還未建立碳纖維混凝土的應力2應變2電阻率之間的本構關系; (4) 對于不同纖維含量的電阻率差異,仍需要從工藝入手,做大量的工作。
2 碳纖維混凝土的應用及發(fā)展前景
由于碳纖維混凝土具有高強、輕質、抗裂性強、收縮變形小、抗震性和耐久性好等顯著特點,可廣泛應用于道路橋梁、海洋工程、水工結構、船塢、高層建筑、大跨結構及其他輕型制品(如輕型屋面板、幕墻) 等結構物中。實驗證明,PAN 基碳纖維的加入可使混凝土的耐磨性提高1 倍以上,使得在每天115萬輛車的行車密度下,公路的耐磨性可達10 年。
1982 年,碳纖維混凝土復合板首次用于巴格達市的一座紀念碑上,至今已有40 多座大型建筑使用碳纖維混凝土外墻墻板[10 ] 。1986 年日本東京的ARK大廈一次使用碳纖維混凝土幕墻板(碳纖維3 %) 32000m2 , 每塊的尺寸為1147m ×3176m?？沙惺?3MPa 的風壓,外墻減輕了40 %的重量,使大樓鋼架的重量減輕400t ,在使用中,表現(xiàn)出良好的耐久性和體積安定性。東京醫(yī)科大學的一個建筑中用碳纖維混凝土做大型幕墻,厚度小,接縫少,輕質高墻,使用效果理想。日本的小林美龜雄、大谷陽等用碳纖維氈代替鐵氧體塊作吸波材料,這種幕墻對電磁波的能量吸收均在90 %以上,吸收電磁波的頻率較寬,壁薄質輕,并己在東京、廣島等地的5 幢高樓上安裝這種幕墻[11 ] 。挪威奧斯陸集裝箱碼頭,為防止海水對建筑物的腐蝕,提高碼頭抗集裝箱的撞擊破壞能力,并防止嚴寒冰凍對混凝土的滲透膨脹破壞,較早地采用了碳纖維混凝土。美國在巴拿馬海軍港口碼頭,為保護原碼頭鋼筋混凝土抗海水侵蝕能力,用碳纖維混凝土進行加固[12 ] 。
在國內,碳纖維混凝土的智能結構已經(jīng)在長江三峽工地的圍堰上使用,并取得了較好的效果。侯作富[13 ] 報道了碳纖維導電混凝土大板的研制,結果表明制作的碳纖維導電混凝土大板的輸入功率達到500W/ m2 ,滿足了融血化冰的要求。蘇健波、李志思[14 ] 介紹了自1996 年開始,碳纖維混凝土在我國的廣泛應用,如廣州市的東環(huán)、西環(huán)、南環(huán)等高速公路的路面,不僅解決了收費站的無磁性要求問題, 而且有效滿足了路面的抗裂、抗磨、抗沖擊等要求。重慶世界貿易中心在特大型轉換層大粱中,應用PAN 基碳纖維增強混凝土成功地解決了高標號大體積混凝土施工中的抗裂和提高韌性等問題。
隨著科學技術的發(fā)展,碳纖維導電混凝土作為一種新型的復合材料得到了人們的普遍重視。這種新型復合材料除了具有優(yōu)越的力學性能外,還具有良好的機敏特性,在結構健康監(jiān)測、交通監(jiān)測、電磁波屏蔽等方面有著廣泛的應用前景。碳纖維水泥基導電混凝土同其它導電材料相比有很多優(yōu)越性:①碳纖維導電混凝土具有極佳的機械性能和導電性; ②重量比常規(guī)混凝土輕的多; ③易于生產(chǎn),且不需任何特殊設備便可進行生產(chǎn); ④不必再撒鹽就可除去路面結冰和積雪,僅此一項,就可節(jié)省數(shù)百萬美元; ⑤行人走在帶電的混凝土路面上是很安全的; ⑥可以使建筑物免受靜電和閃電的威脅,并能加固鋼筋層,保護混凝土結構里的鋼材免受腐蝕; ⑦可吸收90 %以上的的電磁能,而且比現(xiàn)行的任何一種屏蔽電磁能的方法都要便宜、方便的多。
目前對碳纖維混凝土的應用研究主要集中在4 方面: ①應力和損傷監(jiān)測; ②交通監(jiān)測; ③融雪化冰; ④制成溫度濕度傳感器。對碳纖維水泥基導電混凝土智能化的研究和開發(fā)將進一步拓寬它的應用領域,為社會帶來更大的經(jīng)濟效益。
但是,碳纖維導電混凝土作為一種新型的功能材料,在實際工程應用中還有很多問題需要進一步地研究,如(1) 碳纖維與基休的界面粘結強度和碳纖維在基休中的分散程度。由于碳纖維直徑細小、表面憎水所造成的無法較好均勻分散而導致的混凝土電阻率波動的問題,在很大程度上限制了此類材料的工程應用。(2) 混凝土基碳纖維機敏材料的研究還基本處于空白階段[15 ] ,骨料石子的加入,對碳纖維混凝土的導電性能影響較大,而碳纖維混凝土壓敏規(guī)律的研究目前還主要停留在水泥基和砂漿基的階段,所以加速研究帶有粗骨料的碳纖維混凝土的機敏性能具有非常重要的意義。(3) 碳纖維相對于其它建筑材料仍然價格昂貴,目前難以在實際工程中大規(guī)模應用。
我國的碳纖維混凝土在實際工程建設中的應用還處于起步階段,隨著國家經(jīng)濟建設的不斷發(fā)展和人們對工程質量要求的日益提高,碳纖維混凝土將展示出它超群的優(yōu)勢。
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