摘 要 對(duì)碳纖維導(dǎo)電混凝土的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、導(dǎo)電機(jī)理及應(yīng)用進(jìn)行了論述,展望了它的研究動(dòng)態(tài)和應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞 混凝土,碳纖維, 導(dǎo)電, 研究動(dòng)態(tài), 應(yīng)用前景
普通混凝土的電阻率一般在105～109Ω ·m 范圍內(nèi),它既不屬于絕緣體,也不屬于良導(dǎo)體。在普通混凝土中加入導(dǎo)電相(如導(dǎo)電顆粒或?qū)щ娎w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(hù)、建筑地面采暖等多方面發(fā)揮重要作用。
導(dǎo)電混凝土是指由膠凝材料、導(dǎo)電相、介電骨料和水等組分,按照一定配比混合凝結(jié)而成的多相復(fù)合材料,是由導(dǎo)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(xué)性能的混凝土。目前,各國(guó)研究的導(dǎo)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(dǎo)電混凝土大體分為三類(lèi)[1 ] ,即無(wú)機(jī)類(lèi)(如水泥導(dǎo)電混凝土及水玻璃導(dǎo)電混凝土) 、有機(jī)類(lèi)(如瀝青導(dǎo)電混凝土和樹(shù)脂導(dǎo)電混凝土) 和復(fù)合類(lèi)(如聚合物導(dǎo)電混凝土和浸漬導(dǎo)電混凝土) 。常用的導(dǎo)電組分也分為三類(lèi):聚合物類(lèi)、碳類(lèi)和金屬類(lèi)。各種導(dǎo)電填料及其特點(diǎn)見(jiàn)表1 所示。
碳纖維是一種抗折強(qiáng)度高,空氣中耐氧化、耐高溫、耐低溫、高模量輕質(zhì)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(dǎo)熱系數(shù)大、耐腐蝕性和導(dǎo)電性良好等,同時(shí),它又可進(jìn)行編織加工和纏繞成型,此外還具有良好的耐磨性、潤(rùn)滑性和吸附性,是導(dǎo)電混凝土中作為導(dǎo)電相非常理想的材料。因此近年來(lái)關(guān)于碳纖維導(dǎo)電混凝土的研究受到廣泛關(guān)注。
1 碳纖維導(dǎo)電混凝土研究現(xiàn)狀
碳纖維水泥基導(dǎo)電混凝土因其良好的導(dǎo)電性和力學(xué)性能受到了人們的青睞,國(guó)內(nèi)外對(duì)此都進(jìn)行廣泛深入的研究。
1999 年Wen Sihai 等在水泥基添加質(zhì)量比為015 %的碳纖維以及15 %的硅粉,使機(jī)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(yīng)的線(xiàn)性和可逆性,且微硅粉和樹(shù)脂對(duì)碳纖維水泥基復(fù)合材料的Seebeck 效應(yīng)有影響[2 ] 。Chung[3 ]等研究了碳纖維含量以及其他外加填料對(duì)碳纖維水泥基復(fù)合材料的電極化影響,發(fā)現(xiàn):當(dāng)增加碳纖維的含量或添加硅粉時(shí),可以起到降低電極化程度的作用;對(duì)碳纖維水泥基復(fù)合材料施加壓應(yīng)力,對(duì)電極化的強(qiáng)度和極化完成時(shí)間都有顯著的影響;施加的壓應(yīng)力越大,電極化強(qiáng)度就越弱,并且可以縮短其電極化最終完成的時(shí)間;碳纖維水泥基復(fù)合材料的電極化還受養(yǎng)護(hù)齡期、含水量以及其他導(dǎo)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(duì)碳纖維水泥基復(fù)合材料體積電阻率的影響[5 ] 。
武漢理工大學(xué)的李卓球等[6 ,7 ] 于1998 年首次報(bào)道了碳纖維混凝土的Seebeck 效應(yīng)。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(jī)敏性,研究了力電效應(yīng)機(jī)理、力電效應(yīng)與其它效應(yīng)(壓阻效應(yīng)、Seebeck 效應(yīng)等) 的耦合關(guān)系、基于力電效應(yīng)的混凝土電學(xué)模型、混凝土電磁發(fā)射現(xiàn)象、混凝土力電效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型等,開(kāi)展了基于力電效應(yīng)的機(jī)敏混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究。2002 年,武漢理工大學(xué)的唐祖全[9 ]研究了碳纖維混凝土的電阻2溫度特性,結(jié)果表明:在纖維摻量< 016 %時(shí),碳纖維混凝土電阻對(duì)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(shí)具有較高的敏感性和穩(wěn)定性;當(dāng)纖維含量超過(guò)018 %時(shí),碳纖維混凝土沒(méi)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(guò)在碳纖維水泥導(dǎo)電混凝土中加入短切碳纖維,使得混凝土結(jié)構(gòu)具有機(jī)敏性和類(lèi)生物材料的自感知、自診斷、自感應(yīng)、自修復(fù)等功能,從而不需借助外加的傳感器和執(zhí)行器即可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控。但是,碳纖維導(dǎo)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(dǎo)電混凝土制作工藝還不夠成熟,電阻測(cè)試值離散性較大,甚至出現(xiàn)幾倍的差距,說(shuō)明在物相配比、攪拌過(guò)程、電極選用上都有待于提高; (2) 導(dǎo)電機(jī)理的解釋還不完善; (3) 還未建立碳纖維混凝土的應(yīng)力2應(yīng)變2電阻率之間的本構(gòu)關(guān)系; (4) 對(duì)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(yīng)用及發(fā)展前景
由于碳纖維混凝土具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、抗裂性強(qiáng)、收縮變形小、抗震性和耐久性好等顯著特點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于道路橋梁、海洋工程、水工結(jié)構(gòu)、船塢、高層建筑、大跨結(jié)構(gòu)及其他輕型制品(如輕型屋面板、幕墻) 等結(jié)構(gòu)物中。實(shí)驗(yàn)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(wàn)輛車(chē)的行車(chē)密度下,公路的耐磨性可達(dá)10 年。
1982 年,碳纖維混凝土復(fù)合板首次用于巴格達(dá)市的一座紀(jì)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(fēng)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(xué)的一個(gè)建筑中用碳纖維混凝土做大型幕墻,厚度小,接縫少,輕質(zhì)高墻,使用效果理想。日本的小林美龜雄、大谷陽(yáng)等用碳纖維氈代替鐵氧體塊作吸波材料,這種幕墻對(duì)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(zhì)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(duì)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(yán)寒冰凍對(duì)混凝土的滲透膨脹破壞,較早地采用了碳纖維混凝土。美國(guó)在巴拿馬海軍港口碼頭,為保護(hù)原碼頭鋼筋混凝土抗海水侵蝕能力,用碳纖維混凝土進(jìn)行加固[12 ] 。
在國(guó)內(nèi),碳纖維混凝土的智能結(jié)構(gòu)已經(jīng)在長(zhǎng)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(bào)道了碳纖維導(dǎo)電混凝土大板的研制,結(jié)果表明制作的碳纖維導(dǎo)電混凝土大板的輸入功率達(dá)到500W/ m2 ,滿(mǎn)足了融血化冰的要求。蘇健波、李志思[14 ] 介紹了自1996 年開(kāi)始,碳纖維混凝土在我國(guó)的廣泛應(yīng)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(fèi)站的無(wú)磁性要求問(wèn)題, 而且有效滿(mǎn)足了路面的抗裂、抗磨、抗沖擊等要求。重慶世界貿(mào)易中心在特大型轉(zhuǎn)換層大粱中,應(yīng)用PAN 基碳纖維增強(qiáng)混凝土成功地解決了高標(biāo)號(hào)大體積混凝土施工中的抗裂和提高韌性等問(wèn)題。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,碳纖維導(dǎo)電混凝土作為一種新型的復(fù)合材料得到了人們的普遍重視。這種新型復(fù)合材料除了具有優(yōu)越的力學(xué)性能外,還具有良好的機(jī)敏特性,在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、交通監(jiān)測(cè)、電磁波屏蔽等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。碳纖維水泥基導(dǎo)電混凝土同其它導(dǎo)電材料相比有很多優(yōu)越性:①碳纖維導(dǎo)電混凝土具有極佳的機(jī)械性能和導(dǎo)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(shè)備便可進(jìn)行生產(chǎn); ④不必再撒鹽就可除去路面結(jié)冰和積雪,僅此一項(xiàng),就可節(jié)省數(shù)百萬(wàn)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(hù)混凝土結(jié)構(gòu)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(duì)碳纖維混凝土的應(yīng)用研究主要集中在4 方面: ①應(yīng)力和損傷監(jiān)測(cè); ②交通監(jiān)測(cè); ③融雪化冰; ④制成溫度濕度傳感器。對(duì)碳纖維水泥基導(dǎo)電混凝土智能化的研究和開(kāi)發(fā)將進(jìn)一步拓寬它的應(yīng)用領(lǐng)域,為社會(huì)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益。
但是,碳纖維導(dǎo)電混凝土作為一種新型的功能材料,在實(shí)際工程應(yīng)用中還有很多問(wèn)題需要進(jìn)一步地研究,如(1) 碳纖維與基休的界面粘結(jié)強(qiáng)度和碳纖維在基休中的分散程度。由于碳纖維直徑細(xì)小、表面憎水所造成的無(wú)法較好均勻分散而導(dǎo)致的混凝土電阻率波動(dòng)的問(wèn)題,在很大程度上限制了此類(lèi)材料的工程應(yīng)用。(2) 混凝土基碳纖維機(jī)敏材料的研究還基本處于空白階段[15 ] ,骨料石子的加入,對(duì)碳纖維混凝土的導(dǎo)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(jī)敏性能具有非常重要的意義。(3) 碳纖維相對(duì)于其它建筑材料仍然價(jià)格昂貴,目前難以在實(shí)際工程中大規(guī)模應(yīng)用。
我國(guó)的碳纖維混凝土在實(shí)際工程建設(shè)中的應(yīng)用還處于起步階段,隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展和人們對(duì)工程質(zhì)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(shì)。
參考文獻(xiàn)
[ 1 ] 張雄主編. 建筑功能材料[M] . 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2000 :3482352.
[ 2 ] Wens ,Chung D D L. Damage monitoring of cement past by elec2t rical resistance measurement [J ] . Cement Concrete Research ,2000 ,30 (12) :197921982.
[ 3 ] Wen Sihai , Chung D D L. Elect ric polarization in carbon fiber2reinforced cement . Cement and Concrete Research [ J ] , 2001 ,(31) :1412147.
[ 4 ] Wen Sihai ,Chung. D D L. Carbon Fiber2Reinforced Cement asa Thermistor [J ] . Cement and Concrete Research ,1999 ,29 (6) :9612965.
[ 5 ] Farhad Reza , Gordon B Bat son ,J erry A Yamamuro , et al . Vol2ume Elect rical Resistivity of Carbon Fiber Ce2ment Composites
[J ] . ACI Materials Journal ,2001 ,98 (1) :25235.[ 6 ] 孫明清,李卓球,沈大榮. 碳纖維水泥基復(fù)合材料seebeck 效應(yīng)[J ] . 材料研究學(xué)報(bào),1998 ,12 (1) :1112112.
[ 7 ] Sun M ,Li Z ,Mao Q ,Shen D. study on t hermal self - monito2ring of cardon fiber reinforced concrete [ J ] . Cement and Con2crete Research , 1999 , 29 (5) :7692771.
[ 8 ] 孫明清. 碳纖維混凝土和素混凝土的力電機(jī)敏性及應(yīng)用研究:[博士學(xué)位論文] ,武漢理工大學(xué)理學(xué)院. 2001.
[ 9 ] 唐祖全. 碳纖維機(jī)敏混凝土路面結(jié)構(gòu)融雪化冰性能研究, [ 博士學(xué)位論文] ,武漢理工大學(xué)工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)系. 2002.
[ 10 ] 李湘洲,王偉. 碳纖維增強(qiáng)混凝土的現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J ] . 混凝土,2000 (8) :31233.
[ 11 ] 小林美龜雄等. TV 電波反射障害を防止すゐFRC . - ¦ Ó . . Ë の實(shí)用化, . Á Ó ¨. . ÓÖ Ê - ¨ ,1997 , (599) :18225.
[ 12 ] 錢(qián)慶祎,張經(jīng)雙. 纖維混凝土特性研究及應(yīng)用前景[J ] . 西部探礦工程,2005 (10) :1662168.
[ 13 ] 侯作富,李卓球,胡勝良. 碳纖維導(dǎo)電混凝土大板的研制[J ] .江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào),2003 ,25 (2) :1212122.
[ 14 ] 劉君杰,王建坤. 纖維增強(qiáng)混凝土的應(yīng)用現(xiàn)狀[J ] . 天津紡織科技,2003 ,41 (4 ) :9214.
[ 15 ] 關(guān)新春,歐進(jìn)萍,韓寶國(guó)等. 碳纖維機(jī)敏混凝土材料的研究與進(jìn)展[J ] . 哈爾濱建筑大學(xué)報(bào),2002 ,35 (6) :55259.
