代雪艷,金祖權(quán),陳永豐,李建強(qiáng)

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院,青島 266033)

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碳纖維增強(qiáng)水泥基陽極板導(dǎo)電及韌性研究

代雪艷,金祖權(quán),陳永豐,李建強(qiáng)

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院,青島 266033)

采用導(dǎo)電水泥基材料取代金屬網(wǎng)作為陽極材料用于電化學(xué)除鹽可有效防止金屬網(wǎng)銹蝕、異形結(jié)構(gòu)難以安裝等難題。采用不同摻量、不同尺寸碳纖維制備導(dǎo)電水泥基材料，測試其導(dǎo)電性能和斷裂能。試驗(yàn)結(jié)果表明：水泥基材料電阻率隨碳纖維摻量及纖維長度增加而降低，當(dāng)碳纖維長度6mm，纖維體積摻量0.8%時(shí)水泥基材料電阻率可降低至100Ω·cm。相比體積摻量為0.2%的水泥基材料而言，當(dāng)碳纖維摻量提高到0.8%時(shí)，其28d抗壓強(qiáng)度提高1.48倍，破壞應(yīng)變增大50%，斷裂能提高1.36倍。

碳纖維； 導(dǎo)電水泥基陽極板； 導(dǎo)電性； 韌性

1 引 言

隨著沿海城市地鐵建設(shè)與地下空間開發(fā)持續(xù)進(jìn)行，服役于含有高濃度腐蝕離子地下水環(huán)境的混凝土工程逐漸增加，隧道混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕破壞案例不斷出現(xiàn)。電化學(xué)除鹽是提升腐蝕混凝土耐久性能的有效措施之一。傳統(tǒng)電化學(xué)除氯中的陽極材料選用不銹鋼網(wǎng)、鈦網(wǎng)等金屬材料，但隨著建筑結(jié)構(gòu)使用年限的增長以及建筑環(huán)境的逐漸復(fù)雜化，金屬網(wǎng)銹蝕破壞美觀、難以長期保持濕潤狀態(tài)、異形結(jié)構(gòu)難以敷設(shè)等難題日趨顯現(xiàn)。采用具有良好導(dǎo)電性、高抗裂、可噴射施工的水泥基材料是解決上述難題的有效途徑。

目前，實(shí)現(xiàn)水泥基材料導(dǎo)電性能的導(dǎo)電相一般有石墨、碳纖維、炭黑、碳質(zhì)骨料、鋼渣、鋼纖維等[1]。石墨粉等導(dǎo)電相在水泥基材料中體現(xiàn)出良好的分散性，并且有利于導(dǎo)電水泥基材料電學(xué)性能的穩(wěn)定，但是由于其較小的長徑比，少量摻加并不能使其形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)[2]，達(dá)不到高導(dǎo)電性的效果，摻量超過一定的數(shù)量又會(huì)導(dǎo)致其力學(xué)性能的大幅下降[3]。與摻雜石墨的水泥基材料相比，碳纖維在水泥中更容易形成導(dǎo)電纖維網(wǎng)絡(luò)，提高水泥基材料的導(dǎo)電性能[1]?？紤]到石墨粉與炭黑易導(dǎo)致水泥基材料力學(xué)性能劣化，以及金屬導(dǎo)電相易生銹等問題，碳纖維以其優(yōu)良的導(dǎo)電性能以及物理力學(xué)性能，使水泥基材料在房屋監(jiān)測、防震減災(zāi)、電磁屏蔽[4]、陰極保護(hù)[5]、提升水泥基材料耐磨性[6]等方面得到廣泛的應(yīng)用，碳纖維增強(qiáng)水泥基材料做為一種新型復(fù)合化材料取得了長足的發(fā)展[7-9]。為制備高導(dǎo)電、低成本、高抗裂的導(dǎo)電水泥基陽極板材料，本文研究了不同摻量、不同尺寸碳纖維增強(qiáng)水泥基材料的電阻率、抗壓強(qiáng)度、斷裂能等基本性能，基于試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)高性能導(dǎo)電水泥基材料的制備。

2 試 驗(yàn)

2.1 原材料及配合比

山東山水水泥集團(tuán)有限公司青島分公司生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥；骨料為大沽河河沙，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14684-2001檢測該砂為中砂，非活性細(xì)集料，級(jí)配良好；減水劑選用了江蘇建筑科學(xué)研究院江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的JM-PCA(Ⅰ)型聚羧酸高效減水劑，減水率30%；碳纖維選用無膠短切碳纖維，該碳纖維具體性能參數(shù)如表1。為使碳纖維分散均勻，分析純甲基纖維素做為分散劑；消泡劑選用磷酸三丁脂。電極為自制銅片電極，銅片尺寸為10mm×10mm。

水泥基材料基準(zhǔn)配比為水泥∶水∶砂=1∶0.55∶2，減水劑、分散劑、消泡劑分別按水泥摻量的1%，0.4%，0.03%摻加，碳纖維體積摻量分別為0.2%,0.4%,0.6%,0.8%。碳纖維長度選用6mm、9mm、12mm、15mm。

表1 碳纖維性能參數(shù)

2.2 試件制備

碳纖維在水泥基材料中的分散效果將直接影響水泥基材料的電學(xué)性能，碳纖維本身在水中分散的不理想導(dǎo)致其電學(xué)性能的不穩(wěn)定也是制約其廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要因素[10]。為使碳纖維在水泥基材料中分散均勻，在三分之一的拌合水中加入甲基纖維素，待其完全溶解后將碳纖維加入攪拌1～2min，然后加入消泡劑，再將水泥、砂子加入攪拌鍋中，慢速攪拌，并在攪拌過程中將剩余的拌合水緩慢倒入攪拌鍋中，然后再按照GB/T1346-2011砂漿攪拌要求進(jìn)行攪拌，快速攪拌時(shí)間適當(dāng)延長1～2min。

圖1 四電極法測量電路圖Fig.1 Four-electrode method measuring circuit diagram

將攪拌好的砂漿分別倒入40mm×40mm×160mm和70.7mm×70.7mm×70.7mm的模具中振蕩成型，在40mm×40mm×160mm的砂漿試件距兩端20mm處、50mm處分別插入銅片電極，一天后拆模，將成型試件放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28d。養(yǎng)護(hù)3d，7d，28d時(shí)，分別對試件的抗壓強(qiáng)度及斷裂能進(jìn)行測試。

2.3 電阻率測量方法

電阻率測試方法有兩電極法、四電極法以及萬用表直接測量等方法。由于銅片與試塊接觸會(huì)產(chǎn)生較大的接觸電阻，采用萬用表直接測量的電阻值是接觸電阻與試件本身電阻之和，在某些狀況下，接觸電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于試件本身的電阻，因此用萬用表直接測量并不準(zhǔn)確。而二電極法往往適用于較小的電阻值測量，因此，選用四電極法進(jìn)行測量是較為合理的。測量電路如圖1所示。

中間段電阻值

(1)

試件電阻率

(2)

式中：S-試件的截面面積；L-中間兩電極間距離。

3 結(jié)果與討論

3.1 水泥基材料導(dǎo)電性能

圖2 不同纖維長度及摻量下水泥基材料的電阻率變化Fig.2 Cement-base material resistivity change with carbon fiber＇ length and dosage

摻加不同長度、不同體積摻量的碳纖維導(dǎo)電水泥基材料的電阻率如圖2所示，隨著纖維摻量的增加，水泥基材料的電阻率逐漸下降，滲流閾值出現(xiàn)在纖維體積摻量0.8%時(shí)，水泥基材料的電阻率可降低至100Ω·cm，當(dāng)纖維摻量增加到1%，1.2%時(shí)，測得其電阻率分別為96.71Ω·cm，95.4Ω·cm，下降率分別為碳纖維摻量0.8%的3.3%和4.6%，可見，當(dāng)纖維摻量超過0.8%時(shí)，碳纖維摻量增加不會(huì)大幅度提高水泥基材料的導(dǎo)電性，而且碳系材料本身的吸水性會(huì)導(dǎo)致纖維分散困難，水泥基材料工作性能變差，摻量的增加也會(huì)降低碳纖維利用率，增加成本。因此，碳纖維摻量為0.8%時(shí)，滿足高導(dǎo)電水泥基材料的要求且效果最佳。

采用SEM對纖維摻量0.8%和1.2%的水泥基材料進(jìn)行微觀形貌分析，結(jié)果如圖3所示，當(dāng)碳纖維摻量為0.8%時(shí)，碳纖維的分散狀況良好，碳纖維之間通過相互搭接形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)纖維摻量增加到1.2%，由于碳系材料的吸水作用，攪拌過程中水泥基材料的粘度明顯增加，導(dǎo)致碳纖維在水泥基材料中無法均勻分散，出現(xiàn)了纖維束。而且隨著纖維摻量的增多，攪拌過程中會(huì)引入大量的氣泡，水泥基材料成型后留下孔隙較多。

圖3 碳纖維水泥基材料微觀形貌(a)碳纖維搭接形成的導(dǎo)電通道；(b)碳纖維束與形成的孔隙Fig.3 Microstructure of carbon fiber cement-base material(a)conductive channel formed by carbon fiber lap；(b)carbon fiber bundle and the porosity

在碳纖維體積摻量相同情況下，隨著纖維長度的增加，水泥基材料電阻率略有下降。這主要是由于較長的碳纖維更易在水泥基材料內(nèi)部形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。但這并不意味著纖維長度越長對水泥基材料的導(dǎo)電性越有利。一方面混凝土試件成型過程中，長度越長的纖維在攪拌過程中越容易出現(xiàn)結(jié)團(tuán)、不易分散的等現(xiàn)象，這會(huì)增加攪拌難度；另一方面，隨著纖維摻量的增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)滲流閾值時(shí)，不同長度的纖維所對應(yīng)的電阻率相差不大。當(dāng)纖維摻量較多，超過滲流閾值時(shí)，水泥基材料內(nèi)部的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)主要是通過纖維間的搭接來形成，碳纖維在導(dǎo)電中起主導(dǎo)作用，此時(shí)，增加纖維摻量或者是改變纖維長度對水泥基材料的電阻率不會(huì)產(chǎn)生很大的影響。但是，當(dāng)纖維摻量較少，碳纖維水泥基材料內(nèi)部的纖維相互靠近且未完全搭接，此時(shí)，碳纖維水泥基材料的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)主要是依靠隧道躍遷效應(yīng)形成，隧道躍遷效應(yīng)對水泥基材料的電阻率起主導(dǎo)作用，較長的纖維更容易相互接近，產(chǎn)生隧道躍遷效應(yīng)。

基于上述分析，當(dāng)減水劑摻量以及水灰比適宜時(shí)，水泥基材料中碳纖維體積摻量保持在0.8%左右，纖維長度選取在6mm左右時(shí)，其工作性能良好，導(dǎo)電性能優(yōu)異。

圖4 碳纖維水泥基材料抗壓強(qiáng)度演變Fig.4 Evolution of carbon fiber cement-base material＇ compressive strength

3.2 導(dǎo)電水泥基材料抗壓強(qiáng)度

不同碳纖維摻量水泥基材料在不同養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度如圖4所示，隨著混凝土養(yǎng)護(hù)齡期的增加，其抗壓強(qiáng)度相應(yīng)增加。采用w/c=0.55的碳纖維水泥基材料，其28d強(qiáng)度在15～25MPa左右。隨著水泥基材料中碳纖維體積摻量增加，試件抗壓強(qiáng)度逐漸增大。在纖維摻量0.6%及0.8%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度分別為纖維摻量0.2%的1.39倍1.48倍。因此，碳纖維對水泥基材料具有一定的增強(qiáng)效應(yīng)，其原因在于碳纖維自身的高強(qiáng)和高彈模量。

3.3 導(dǎo)電水泥基材料的斷裂能

導(dǎo)電水泥基材料的韌性直接關(guān)系到陽極板的抗裂性能，采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法測試其應(yīng)力-應(yīng)變曲線。不同碳纖維摻量的水泥基材料在不同養(yǎng)護(hù)齡期的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示,隨纖維摻量增加，水泥基材料的斷裂應(yīng)力及相應(yīng)的應(yīng)變值都逐漸增大，28d的斷裂應(yīng)力在1.112～1.721kN左右，摻量0.4%、0.6%、0.8%的斷裂應(yīng)力與摻量0.2%的相比，分別增長了29.50%，50.36%，54.77%。28d碳纖維摻量0.2%～0.8%的應(yīng)變值在1～1.49mm左右，與摻量0.2%相比，摻量0.8%的應(yīng)變增長率為49.21%。

隨齡期的增長，水泥基基體與碳纖維的相互作用逐漸增強(qiáng)，水泥基材料的斷裂應(yīng)力及相應(yīng)的應(yīng)變值增加。碳纖維摻量0.8%時(shí)，與3d相比，其28d的應(yīng)力增長了29.55%，應(yīng)變增加了1.17倍。

圖6 碳纖維水泥基材料的斷裂能Fig.6 The fracture energy of carbon fiber cement-base material

通過對不同纖維摻量水泥基材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行積分得到不同纖維摻量下水泥基材料的斷裂能，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，隨著纖維摻量的增加，試件斷裂能隨之升高。從28d齡期時(shí)不同纖維摻量水泥基材料斷裂能來看，在纖維摻量0.6%及0.8%時(shí)，斷裂能有大幅度提高，分別為0.2%纖維摻量的2.40倍和2.53倍。同一纖維摻量下，試件隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，斷裂能也在逐漸變大，到達(dá)28d齡期時(shí)，纖維摻量較高的試件斷裂能增大較為明顯，而纖維摻量較低的則是趨于平緩。

碳纖維水泥基材料力學(xué)性能及韌性的提升主要是由于碳纖維與水泥機(jī)體良好的粘結(jié)性能所致，這一現(xiàn)象可以用纖維復(fù)合理論[11-12]來解釋。碳纖維本身具有較高的強(qiáng)度和高彈模量，碳纖維在混凝土中同時(shí)受力，當(dāng)水泥基材料在應(yīng)力集中的地方出現(xiàn)裂縫時(shí)，纖維起著傳遞應(yīng)力的作用，成為主要的荷載承擔(dān)者，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度，纖維會(huì)被拔出，或是被拉斷。碳纖維在拔出或斷裂時(shí)會(huì)吸收大量的能量, 因此，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、抗彎性能、韌性等力學(xué)性能均得到了顯著改善。此外，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，水泥基基體的強(qiáng)度增加使得二者之間的粘結(jié)能力增加，力學(xué)性能及韌性的增加效應(yīng)也更加明顯。

4 結(jié) 論

(1)碳纖維摻量的增加能有效地降低水泥基材料的電阻率，滲流閾值出現(xiàn)在0.8%處，此后，再增加碳纖維摻量對電阻率降低作用不大，反而會(huì)因?yàn)槔w維分散不均勻或者大量氣泡的引入導(dǎo)致電阻率的上升，碳纖維最優(yōu)摻量應(yīng)保持在0.8%左右；

(2)碳纖維長度的增加更有利于在水泥基基體中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，降低電阻率。但當(dāng)碳纖維摻量超過滲流閾值時(shí)，纖維長度的增加對電阻率降低作用不明顯，而且由于自身長徑比較大，攪拌過程中碳纖維不易分散，容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。因此碳纖維長度最好選用6mm左右；

(3)碳纖維自身具有較高的強(qiáng)度和彈性模量，相比體積摻量為0.2%的水泥基材料而言，纖維摻量0.8%時(shí)，其28d抗壓強(qiáng)度提高了1.48倍，水泥基材料強(qiáng)度達(dá)25MPa；

(4) 碳纖維水泥基材料的應(yīng)力、應(yīng)變率隨纖維摻量增加而增加，相比體積摻量為0.2%的水泥基材料而言，纖維摻量0.8%時(shí)，其28d應(yīng)力提高了54.90%，應(yīng)變提高了49.21%，斷裂能增加了1.53倍。

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Research of Carbon Fiber Reinforced Cement-based AnodeElectro Conductibility and Toughness

DAI Xue-yan,JIN Zu-quan,CHEN Yong-feng,LI Jian-qiang

(SchoolofCivilEngineering,QingdaoUniversityofTechnology,Qingdao266033,China)

Usingconductivecementbasematerialinsteadofmetalmeshasanodematerialsforelectrochemicaldesalinationcaneffectivelypreventmanyproblems,suchasthecorrosionofmetalmeshandspecial-shapedstructure＇installation.Conductivecement-basematerialispreparedbycarbonfiberwithdifferentsageandsize,atthesametime,testit＇conductivepropertiesandfractureenergyatthesametime.Theexperimentalresultsshowthatwiththeincreaseofcarbonfiber＇contentandlength,theresistivityofCement-basematerialisdecrease,it＇sresistivitycanreduceto100Ω·cmwhencarbonfiber＇lengthis6mm,volumecontentis0.8%.ComparedwiththeVolumecontentof0.2% ,whencarbonfibercontentincreasedto0.8%,the28dcompressivestrengthincreasedby1.48times,failurestrainincreasesby50%,fractureenergyincreasedby1.36times.

carbonfiber;conductivecement-basedanodeplate;electro-conductive;toughness

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378269，51420105015)；鐵道部科研計(jì)劃項(xiàng)目(2014G004-F)

代雪艷(1990-)，女，碩士研究生.主要從事混凝土耐久性研究.

金祖權(quán),博導(dǎo)，教授.

TU

A

1001-1625(2016)12-4144-05