（材料学专业论文）钢渣混凝土的导电性与压敏性研究.pdf

中文摘要 摘要 混凝土是用量最大的建筑材料，由于风化、环境侵蚀及人为因素等作用， 一些混凝土结构出现严重损伤，有的甚至产生突然的脆性断裂，造成灾难性的 后果。因此，进行有关重大土木基础设施的安全健康监测和自适应控制系统的 探索与研究是一项涉及到国家可持续发展的重要科学技术问题。近年来，许多 学者对混凝土的电性能进行了研究。最近的研究表明，电性能可以用于混凝土 结构的自我监控。但是这一块的知识仍然是零碎的、不完整的，因此在电阻测 试方法成功应用于非破损实验方法之前，对混凝土的体积电阻率进行系统的认 识有必要的。本文开展钢渣混凝土的导电性能与压敏性能研究将为混凝土结构 的智能化提供了理论和实验基础，使混凝土结构集承载、感知、驱动等功能于 一身。该项研究也是智能材料与结构研究的主要方向之一。 本文对导电混凝土和机敏混凝土的国内外研究现状进行了全面的评述，在 大量实验分析的基础上，研究了钢渣混凝土的导电性与压敏性。研究了钢渣混 凝土的配制工艺、参数优化、导电性、压敏效应及内外影响因素。论文同时探 讨钢渣混凝土的导电机理及压敏效应的机制。取得了以下成果： ( 1 ) 采用钢渣成功配制出一种新型的导电混凝土，不仅具有较好的导电 性，较佳的力学性能，还可以用于自监控，这不仅极大地降低了导电混凝土的 配制成本，并且开辟了钢渣利用的另一建材资源化途径，具有明显的经济效益、 社会效益以及生态效益： ( 2 ) 通过对钢渣混凝土的组分、性能的实验研究，发现具有较好综合性能 的配比，即水泥与钢渣之比应该在1 4 之间。在此基础上考察了影响钢渣混凝 土电阻率的各种因素； ( 3 ) 试验发现钢渣混凝土具有机敏性，揭示了钢渣混凝土所受荷载和由此 产生的电阻变化之间的一一对应关系。提出试件在受压过程中，电阻率变化趋 势符合二次多项式方程，通过此方程式可以预测试件在受压过程中的实时电阻。 因此，钢渣混凝土压敏效应可望用于混凝土结构的应力诊断，从而为智能混凝 土结构的实现开辟了新的途径； ( 4 ) 论文在研究钢渣混凝土导电性的基础上，考察钢渣混凝土压敏性的各 种影响因素： ( 5 ) 试验发现压敏效应存在“尺寸效应”，随着尺寸的增大，试件的压敏效 应增强：不仅压敏效应具有尺寸效应，电阻率也存在这种效应，随着尺寸增大， 电阻率降低； 重庆大学硕士学位论文 ( 6 ) 试验表明，掺入掺合料，钢渣混凝土的压敏效应增强，这与掺合料掺 入后，钢渣一水泥石界面厚度降低有关： ( 7 ) 高温水养加速了体系的水化反应，使电阻率迅速上升，同时也增强了 钢渣混凝土的压敏效应，但其机理尚有待于进一步探讨： ( 8 ) 从微观层次上揭示了混凝土电阻率受湿度、湿度影响的枫理，分析了 水泥石中的毛细孔水与凝胶水对电阻率的作用，阐述了电子隧穿几率与压敏性 的关系。 关键词：钢渣，导电混凝土，压敏性，电阻率，智能混凝土 i i 英文摘要 a b s t r a c t c o n c r e t ei st h em o s t w i d e l yu s e dm a t e r i a li nc o n s t r u c t i o n ，w h i l ec o n c r e t eo f t e n r u p t u r ew i t hb r i t t l e n e s sa sa r e s u l to f w e a t h e r i n g 、e n v i r o n m e n t a le r o d i n ga n dh u m a n i n t e r f e r e n c e ，w h i c hm a yl e a d i n gt oad i s a s t r o u so u t c o m c t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r y t oc o n d u c tar e s e a r c ho nt h es a f e t yi n s p e c t i o na n ds e l f - a d a p t i v ec o n t r o ls y s t e mf o r b i g c i v i l e s t a b l i s h m e n t ，w h i c hi si m p o r t a n ts c i e n t i f i ca n dt e c h n i c a li s s u eb e a r i n g u p o nt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f o u rc o u n t r y d u r i n gt h ep a s tf e w y e a r s ，m a n y a c a d e m i c i a n sh a dc o n d u c t e ds t u d i e so nt h ee l e c t r i c a lp e r f o r m a n c eo fc o n c r e t e t h e l a t e s ts t u d ys h o w e dt h a te l e c t r i c a lp e r f o r m a n c ec o u l db eu s e df o rs e l f - i n s p e c t e di n c o n c r e t es t r u c t u r e w h i l el i t t l ek n o w l e d g eh a v eb e e n g o ty e t ，t h u s ，i ti si n d i s p e n s a b l e t os t u d yt h ee l e c t r i c a lp e r f o r m a n c ew i t hs y s t e mb e f o r ew ec a nu s ee l e c t r i c i t yt e s ta sa n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o no fc o n c r e t e s u c c e s s f u l l y t h es t u d y o fe l e c t r i c a l p e r f o r m a n c ea n d s t r a i ns e n s i n gw o u l ds e i n et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lf o u n d a t i o n f o rt h es m a r tc o n c r e t ew h i c hc o u l db ei n t e g r a t e dw i t ht h ep e r f o r m a n c eo f l o a d i n g ， s e n s i n ga n dt r a n s m i s s i o n t h es t u d yw a sag r e a to f f s h o o to fs m a r tm a t e r i a la n d s t r u c t u r er e s e a r c h t h i st h e s i sr e v i e w e dp a p e r so nt h ee l e c t r i c a l l yc o n d u c t i v ec o n c r e t ea n ds t r a i n s e n s i n g c o n c r e t ei n s i d ea n do u t s i d et h e c o u n t r y a n ds t u d i e dt h ee l e c t r i c a l p e r f o r m a n c ea n ds t r a i ns e n s i n go fs t e e l s l a gc o n c r e t es y s t e m i c a l l yb y t e s ta n a l y s i s ， t h e p a p e r s t u d i e dt h e p r e p a r ec r a f t w o r k ，p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ，e l e c t r i c a l p e r f o r m a n c e ， s t r a i n s e n s i n g a n dt h ef a c t o r sa f f e c t e d t h em e c h a n i s m so f c o n d u c t i v i t ya n ds t r a i ns e n s i n gw e r ed i s c u s s e da s w e l l t h eg a i nw a sl i s t e da s f o l l o w i n g ： ( 1 ) an e wk i n do f e l e c t r i c a l l yc o n d u c t i v ec o n c r e t eh a sb e e np r e p a r e dw i t h s t e e ls l a g t h en e wc o n c r e t ed e c r e a s e dt h ec o s tl a r g e l yw h i l ew i t hg o o dp e r f o r m a n c e i nc o n d u c t i v i t ya n dm e c h a n i c s ，c u tan e ww a yo fu t i l i t yf o rs t e e ls l a g ，a c h i v e d n o t a b l ee c o n o m i c 、s o c i e t ya n dn a t u r eb e n e f i t ( 2 ) b yc o m p a r e dt h ep e r f o r m a n c eo f c o n c r e t ew i t hd i f f e r e n tp r o p o r t i o no f c o n c r e t e ，t h eb e t t e rm i xw a sf o u n db e t w e e n1 4b yc e m e n t t os t e e ls l a g a r e r w a r d s ， m a n y f a c t o r st h a ta f f e c t e dt h ec o n d u c t i v i t yh a db e e nc o n c e m e d ( 3 ) t h e p a p e r r e v e a l e dt h a ts t e e l - s l a gc o n c r e t eh a dg o o ds t r a i ns e n s i n ga n d t h a tt h e r ew a sac o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t w e e ns t r a i na n dt h ef r a c t i o nc h a n g eo f i i l 重庆大学硕士学位论文 e l e c t r i c a lr e s i s t i v i t y i tw a sp o i n t e do u tt h a tt h et r e n df o rt h ec h a n g eo fr e s i s t i v i t y d u r i n gl o a d i n gw a sa c c o r d e dw i t hq u a d r a t i ce q u a t i o n ，w h i c hc o u l db eu s e d f o r f o r e c a s tt h er e a l t i m er e s i s t i v i t y t h e r e f o r e ，s t r a i ns e n s i n gc o u l db eu s e df o rs t r e s s e v a l u a t i o ni nc o n c r e t e ，a n dt h e nc u tan e w w a y f o rt h er e a l i z a t i o no fs m a r ts t r u c t u r e ( 4 ) t h ef a c t o r st h a ta f f e c t e dt h es t r a i ns e n s i n gw e r es t u d i e db a s e do nt h e s t u d y o ft h ec o n d u c t i v i t yo f s t e e l - s l a gc o n c r e t e ( 5 ) t h e p a p e rs h o w e d t h a ts t r a i ns e n s i n gh a d “s i z ee f f e c t ”w i t ht h ei n c r e a s e o fs i z eo f s p e c i m e n ，r e s i s t i v i t yi sm o r e s e n s i t i v ew i t hs t r a i n r e s i s t i v i t yo fs p e c i m e n a l s oh a ds i z ee f f e c t ，w h i c hw o u l db er e l a t e dw i t ht h ec o n t a c tr e s i s t i v i t yb e t w e e n e l e c t r o d ea n dc o n c r e r e ( 6 ) t h es t u d ys h o w e dt h a tr e s i s t i v i t yb e c a m em o r es e n s i t i v et o s t r a i na f t e r i n t e g r a t e dw i t hf l ya s ho rs i l i c af u m e ，w h i c h w o u l db er e s u l t e db yt h em e l i o r a t i o no f a g g r e g a t ei n t e r f a c e ( 7 ) c u r i n g u n d e rh o tw a t e rw o u l ds p e e du ph y d r a t i o n ，w h i c hw o u l dr e s u l t e d i nt h a tt h er e s i s t i v i t yi n c r e a s e d ，b yt h ew a y , t h es t r a i ns e n s i n g ，w h i l et h em e c h a n i s m n e e d e df u r t h e rd i s c u s s i o n ( 8 ) t h em e c h a n i s mt h a tr e s i s t i v i t yw a sa f f e c t e db yt e m p e r a t u r ea n dm o i s t u r e w a sr e v e a l e df r o mm i c r ov i s i o n t h ep a p e ra n a l y z e dt h ee f f e c to fc a p i l l a r yw a t e r a n d g e lw a t e ro n t h er e s i s t i v i t ya n dp u tf o r t ho ns t r a i ns e n s i n ga n dt h er a t i oo f t u n n e l p e n e t r a t i o n o fe l e c t r o n k e y w o r d ：s t e e ls l a g ，e l e c t r i c a l c o n d u c t i v ec o n c r e t e ，s t r a i ns e n s i n g ，r e s i s t i v i t y , s m a r tc o n c r e t e i v 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景与意义 2 1 世纪，混凝土一方面向高性能发展，另一方面向功能、智能材料方向发展， 导电混凝土即是功能混凝土的一种，也可作为智能材料，未来可广泛用于电热电 器、电力工业、工业防静电、机敏材料等领域f l j 。 开发电热混凝土采暖地面材料是建筑采暖的革命性研究。众所周知，建筑采 暖是北方寒冷地区的一个重要问题，传统的热水、热汽采暖一次性投资大：另外 冬季供暖需要大量燃料，集中在冬季燃烧，对城市大气造成较为严重的污染；此 外，由于热源在室内最下方并分布整个地面，换热效果好，符合人体对采暖的生 理需求，使居者感觉更舒适。采用导电混凝土采暖地面具有良好的应用前景。另 外，在寒冷的冬季，导电混凝土也可用于道路、桥梁、港口码头及飞机跑道的关 键位置进行融雪化冰p 5 1 ，从而避免传统撒盐除雪而引起钢筋锈蚀【6 】保证了道路 畅通和行路安全。 随着三峡大坝、跨海桥梁、南水北调、西气东送等涉及国计民生的重大基础 建设的兴建，如何保证这些工程处于一种良好的工作状态，是摆在工程界的重大 技术阎题。目前结构的安全监洳和控制主要是借助外加的传感器来实现的。这些 器件的引入增加了结构设计和制造工艺的复杂程度，其成本大大提高。而如果所 用混凝土本身就是传感嚣，便可能实行自我监控。混凝土通过复合某些复台导电 成分，使得混凝土结构具有机敏性，从而不需借助外加的传感器和执行器即可实 现结构智能监控。 鉴于导电混凝土可用于采暖地面、融雪化冰以及智能监控等领域，本文以开 辟综合利用工业废渣为切入点，采用钢渣作为导电相材料制备导电混凝土，开展 关于开展钢渣导电混凝土的配合比组成、制备工艺、力学性能、导电性能、电热 特性、机敏性及经济性等内容的研究本文的研究成果，不仅开辟了制备导电混 凝土的新方法，而且还提供了一条新的钢渣利用途径。本项目所开发的钢渣导电 混凝土，是一种集功能性与结构性为一体、高性价比的新型建筑材料，对促进钢 渣的综合利用和生态环境的改善具有重要意义，并可进一步带动导电混凝土、机 敏混凝土材料的研究，为以后水泥基材料在这些领域进行研发奠定良好的基础。 1 2 智能混凝土的研究与概况 智能材料是集感知、驱动和信息处理于一体，具有类生物材料的自感知、 自诊断、自感应、自修复等功能的材料体系。它是继复合材料、功能材料发展 重庆大学硕士学位论文 之后，材料发展的另一个重要阶梯。它是伴随着材料合成技术以及微电子和计 算机技术的发展和航空、航天以及军用高技术的发展而产生的，是材料发展的 一个飞跃，也是材料发展的重要方向。 自从2 0 世纪7 0 年代，美国弗吉尼亚理工学院州立大学的的c l a u s 等人将 光纤埋入复合材料中，使材料具有感知断裂损伤的能力，从而提出智能材料( 当 时叫自适应材料，a d a p t i v em a t e r i a l ) 的概念，至此概念提出以来，智能材料取 得了飞速的发展。从1 9 8 5 年开始，在r o g e r s 和c l a u s 等人的努力下，智能材料 系统逐渐受到每个各部门和世界各国研究学者重视，先后提出了机敏材料、机 敏材料与结构、自适应材料与结构、智能材料系统与结构等。 智能混凝土智能材料的一个研究分支，是研究从航空应用转向民用领域的 结果。现代电子信息技术而后材料科学的迅猛发展，促使社会及其各个组成部 分，如交通系统、办公场所、居住社区等向智能化方向发展。8 0 年代末，日本 土木工程界的研究人员设想并着手开发构筑高智能结构的所谓“对环境变化具 有感知和控制功能”的智能建筑材料。1 9 9 3 年，美国开办了与土木建筑有关的智 能材料与智能结构的工厂。正如上面所述，智能混凝土是自感知、自适应、自 修复等多种功能的综合，以目前的科技水平，制备完善的智能混凝土材料是相 当困难的，但至9 0 年代中期国内外在机敏混凝土材料的研究方面作了一些有益 的探讨并取得了一些有价值的成果。损伤自诊断混凝土、温度自调节混凝土、 仿生自愈合混凝土等一系列机敏混凝土的相继出现为智能混凝土的研究和发展 打下了坚实的基础。作为混凝土材料发展的高级阶段，智能混凝土的研究和开 发正方兴未艾。 1 2 1 自感应混凝土 在混凝土基材中复合部分导电相可使混凝土具备本征自感应功能。目前常用 的导电组分可分为三类：聚合物类、碳类和金属类，其中最常用的导电组分：包括 石墨、碳纤维及碳黑，金属类材料则有金属粉末、金属纤维、金属片、金属网等。 还有人联合应用碳类和金属类的导电组分，例如复合碳纤维和钢纤维。自感应混 凝土一方面利用压敏效应实现内部应力、应变和损伤程度的自感知，我们将在后 面重点阐述；一方面利用热电或电热效应来实现结构温度分布的自诊断1 6 】。目前 在自感应混凝土方面研究较多的是碳纤维混凝土。研究表明【”，在水泥净浆掺入 0 5 的碳纤维时，它作为应变传感器的灵敏度可达7 0 0 ，远高于一般的电阻应变 片。含有碳纤维的混凝土还会产生熟电效应。在最高温度为7 0 。c 、最大温差为 1 5 0 c 的范围内，温差电动势与温差之间具有良好的线性关系。 1 2 2 自调节机敏混凝土 混凝结构除了正常负荷外，人们还希望它在受到台风、地震等自然灾害 1 绪论 期间能够调整承载能力和减缓结构振动。混凝土本身是惰性材料，要达到自调 节的目的，必须复合具有驱动功能的组件材料。9 0 年代初，日本建设省建筑研 究所曾与美国国家科学基金会合作研制了具有调整建筑结构承载能力的自调节 混凝土材料。其基本方法是在混凝土中埋入记忆合金。利用形状记忆合金对温 度的敏感性和不同温度下恢复响应形状的功能，在混凝土结构受到异常荷载干 扰下，通过记忆合金形状的变化，使混凝土内部应力重分布并产生一定的预应 力，从而提高混凝土结构的承载能力。近年来，同济大学混凝土材料研究国家 重点实验室也曾尝试在混凝土中复合压电陶瓷了来研制自调节混凝土材料。而 碳纤维机敏混凝土具有电热( 由电产生热) 、电力( 电流与应力的对应关系) 等 效应，这样，由机敏混凝土所组成的结构可对自身进行温度调节，可针对由于 温度所产生的应力和变形进行调节，可在一定范围内对自身结构的变形进行调 节。例如，对于平整度要求极高的特殊钢筋混凝土桥梁( 如磁浮列车桥梁) 而 言，可通过机敏混凝土的电热和电力自调节功能进行调节由于温度、自重所引 起的蠕交；机敏混凝土的电热效应使其可以方便地实时监测建筑物内部和周围 环境温度变化，并利用电热效应在冬季控制建筑物内部环境的温度，可极大地 促进智能化建筑的发展。 1 2 3 自修复机敏混凝土 混凝土等工程材料虽无生命可言，但在使用阶段，当其承受荷载和遭受损 伤时，也是一种形式的开放体系。含有微裂纹的混凝土在特定的环境条件下能 够进行愈合的现象曾较早引起研究者的注意。国外有关资料【8 j 记载龄期为三年 的混凝土裂缝愈合后，强度恢复了百分之百，国内的研究结果例也表明，掺有 活性掺合料或微细有机纤维的混凝土破坏后其抗拉强度存在自愈合现象。然而 这些零星的自愈合现象长期以来并未得到研究者的足够重视，因而并没有形成 研究热点。近年来，随着民航难题和仿生混凝土研究热的兴起，混凝土裂缝的 自诊断、自修复问题越来越引起人们的关注和重视【l ”1 2 l 。国外研究混凝土裂缝 自愈合的方法主要在水泥基材料中掺入特殊的修复材料，如美国伊利诺伊斯大 学的c a r o l y nd r y i l 3 l 采用的技术路线是将空心玻璃纤维中注入缩醛高分子溶液 作为粘结剂，埋入混凝土中。当材料在受载过程中发生损伤，空心玻璃纤维中 的粘结剂流出愈合损伤，恢复甚至提高材料性能。日本学者h h i r a i s h i i t 4 采用的 方法是在水泥基材料的基材内符合内含粘结剂的微胶囊( 称为液芯胶囊) 。一旦 材料出现损伤裂纹时，部分胶囊破裂，凝结液流出，使损伤处重新粘合，达到 自愈合的效果。然而，无论是依赖混凝土材料的自然愈合方法。还是掺入液芯 胶囊的修复方法，都有本身无法克服的缺陷和诸多亟待研究和解挟的技术问题。 如前者的自然愈合受混凝土龄期、裂纹尺寸、数量和分布以及特定的环境影响 重庆大学硕士学位论文 较大，而且愈合期较长。通常较晚期的混凝土或混凝土裂缝宽度超过了一定的 界限，混凝土的裂缝很难愈合。而后者存在空心纤维或胶囊的制各、与混凝土 原材料共同搅拌而不破碎、修复材料的时效和多次愈合的可行性等一系列的问 题。迄今为止上述问题尚未有实质性进展，国内外尚处于实验室探索阶段。 1 3 导电混凝土的研究与进展 1 3 1 导电混凝土的概念、分类及性能 普通混凝土在干燥条件下是电的不良导体，其电阻率一般在1 0 4 一1 0 7 t 2 n l 范围内【l 。在混凝土中掺加一定量的导电介质，可以使混凝土的导电性大大改 善，从而使其成为具有良好导电性的导电材料。 导电混凝是指由胶凝材料、导电相、介电骨料和水等组分，按照一定配 合比混合凝结而成的多相复合材料。导电混凝土是由导电相部分或全部取代混 凝土中的普通骨科配制面成，具有规定的电性能和一定力学性能的特种混凝土。 导电材料可以取代粗骨料、也可以取代细骨料。或两者皆有之。导电相也可以 纤维的形式掺入混凝土中配制导电混凝士。 目前，各国研制的导电混凝土已有许多种，所用的原材料及其用途也各不 相同。根据胶凝材料不同，可将导电混凝土大体分为三类1 1 7 l ，即无机类如水泥 导电混凝土及水玻璃导电混凝土) ：有机类( 如沥青导电混凝土和树脂导电混凝 土) 和复合类( 如聚合物导电混凝土和浸渍导电混凝土) 。当然，这种分类并不 是绝对的。以下是几种常用的导电相材料i l 非晶碳和焦炭 非晶碳( 包括乙炔碳黑、烟墨和灯墨等) 具有较小的电阻率，且价格低廉， 但自身强度低，吸水性大，体积稳定性也差，对水灰比、强度和收缩有不良影 响。 焦炭具有电阻率小、重量轻、价廉等优点，虽然有一定的空隙率和吸水性， 但其吸水率稳定，且吸水后体积不膨胀，不足之处是其自身强度较低。 2 、石墨 石墨是一种较易获取的无机材料，它不仅具有良好的导电性、导热性，而 且有良好的化学惰性。它几乎与极大多数的酸、碱、盐都不起反应，不溶于有 机和无机溶剂，且有较好的抗氧化性，因此，在不少工业制品中常被用来作导 电材料。 浙江大学周浩【博1 等对石墨导电混凝土的导电性能、以及在电热电器、电力 工业( 断路器的合闸电阻、变压器中性点的接地电阻) 和工业防静电等方面的 应用前景进行了研究。导电混凝土的电阻率随石墨含量的改变在1 0 4 1 0 。n + c m 4 1 绪论 范围内变化；石墨混凝土具有热容量大、允许通过的极限电流大( 高达2 0 0 a c m 2 ) 和易成型等优点。 哈尔滨建筑大学的李仁福 1 9 1 等人所测得掺石墨导电混凝土的导电性与石墨 含量之间的关系见表1 1 。要使混凝土具有良好的导电性，石墨的含量一般应大 于2 5 。 表1 1 石墨导电混凝土的导电性能 水泥，石墨 l o 09 s f 0 59 0 ，1 o8 5 1 1 58 0 2 o7 5 2 57 0 ，3 o 电阻率 8 4 67 0 74 3 63 4 7 8 2 02 4 7 6 ( n c m ) ( x 1 0 8 )( 1 0 7 )( x 1 0 6 )( x 1 0 3 )( l o )( 1 0 ) 浙江工业大学的叶青和长沙铁道学院的杨元霞等人研究发现，掺石墨砂浆 的抗压强度随石墨掺量的增规呈急剧下降趋势。 尽管石墨具有优良的物理化学性能，但必须掺加较高含量才能使混凝土具有 良好的导电性，然两这却使混凝土的强度急剧降低。因此，石墨导电渥凝土只适 合用于对强度要求不高的领域，如断路器的合闸电阻、变压器中性点的接地电阻、 及动植物养殖( 种植) 场建造温室等。 3 钢纤维 钢纤维同时还具有良好的导电性，其电阻率约为( 1 3 3 2 4 4 ) 1 0 5 q c m 。 在混凝土中掺入体积含量为1 2 的钢纤维，将使混凝土的抗拉、抗弯、抗 煎强度等较普通混凝土显著提高，其抗冲击、抗疲劳、裂后韧性和耐久性也有 较大改善【2 们。当然在混凝土中加入钢纤维也可显著降低混凝土的电阻率。 n b a n t h i a l 2 1 1 和x i cp i n g t 2 2 】等对钢纤维水泥复合材料的导电性进行了研究，钢纤 维的平均直径为2 5 胛左右，体积掺基为1 5 ，养护28 天的电阻率为( 7 4 3 1 9 ) 1 0 3 q c m 。而美国s h c r i f y e h i a 等对同时掺加钢纤维和钢屑混凝土的导电 性进行了研究。但是通过实验发现，随时间的延长，钢纤维( 钢屑) 混凝土的 电阻率明显增大，这主要是由于钢纤维在水泥的碱性环境中，表面上会产生氧 化钝化层所致。钢纤维具有阻滞基体混凝土裂缝开展的能力，在混凝土中掺入 体积含量为1 2 的钢纤维，将使混凝土的抗拉、抗弯、抗剪强度等较普通 混凝土显著提高，其抗冲击、抗疲劳、裂后韧性和耐久性也有较大改善。因此 钢纤维混凝土在建筑、公路路面、桥梁、隧道、水工等工程中得到广泛的应用j 。 4 、碳纤维 重庆大学硕士学位论文 碳纤维是二十世纪五六十年代发展起来的一种纤维状碳材料，具有高比强 度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、导电、传热和热膨胀系数小等一系 列优异性能，已广泛应用于航天、航空、交通、化工、文工、文体器材及建筑 材料等领域。 碳纤维分为p a n ( 聚丙烯腈) 、粘胶和沥青为基础的三大类碳纤维，其中， p a n 基碳纤维的强度和模量极高，应用广泛，但价格高；粘胶基碳纤维在新材 料领域已被p a n 代替；沥青基碳纤维的强度仅次于p a n 基碳纤维，且价格低， 近年来随着价格的下降，也越来越多地用于代替石棉制作增强水泥，而且显示 了一定的优越性。 总之，碳纤维虽然价格较高，但在较小掺量下就可得到较低的电阻率，具 有较好的力学性能，更重要的是其配制的混凝土的电阻率会随着应力的变化而 有规律的变化。可用于自应力、自监控等智能混凝土中。 1 3 2 导电混凝土压敏性 混凝土材料本身并不具备自感应功能，但在混凝土基材中复合部分导电相 可使混凝土具备本征自感应功能。碳纤维机敏混凝土是当前研究的热点，在水 泥基材料掺入少量碳纤维不仅可以显著提高强度和韧性，而且其物理性能、尤 其是电学性能也有了明最改善。近年来，通过研究发现，将一定形状、尺寸和 掺量的短切纤维掺入混凝土中，可以使材料具有自感知内部应力、应变和损伤 程度的功能。研究表明1 7 j ，低掺量、乱向分布的不连续短切碳纤维在水泥基材 中并不完全孤立，随碳纤维掺量增加，在水泥基材料中逐渐形成纤维聚集团簇， 团簇内纤维彼此连接。按渗流理论1 2 4 2 5 1 分散相在分散系中的浓度大于临界点时， 相互接触的分散相构成了无限渗流网链。因此，在碳纤维水泥基材料中，当碳 纤维掺量达到或超过临界值时，全部团簇形成渗流网络，使导电率急剧上升。 鉴于碳纤维水泥基材料中具有良好的电导特性，它可以作为传感器并以电 信号输出的形式反映自身受力状况和内部的损伤程度。美国纽约州立大学的d 。 d l c h u n g 教授的研究工作表明，碳纤维混凝土在拉应力作用下，纤维拨出， 电阻增大；在压应力作用下，纤维插入，电阻减小【2 “。碳纤维混凝土电阻的变 化与其内部结构的变化是相对应的，可逆弹性变形引起的电阻变化是可逆的一 在弹性变形阶段，纤维拨出或插入使电阻增大或减小：不可逆弹性变形和断裂 引起的电阻变化是不可逆的一在非弹性变形阶段，导电纤维断裂使电阻增大， 混凝土断裂阶段裂缝发展使电阻显著增大。通过测量碳纤维混凝土电阻的变化 可感知弹性变形、非弹性变形和断裂，从而对动力荷载作用下的结构损伤进行 评价。在小于1 0 拉伸或压缩疲劳寿命范围内，相邻纤维接触区的水泥基体在 疲劳荷载作用下产生损伤，使相邻纤维搭接的可能性增大，电阻不可逆地降低。 6 1 绪论 应力幅度越大，损伤越严重，电阻降低越明显；随应力循环增加，电阻单调减 小。于是碳纤维混凝土可自诊断轻微的疲劳损伤 2 7 】，他们还研究了养护龄期和 碳纤维表面处理对自诊断行为的影响 2 s , 2 9 1 。利用碳纤维混凝土在拉、压、弯等 静载和动态荷载作用下电阻的变化规律，可对混凝土结构内部的应力、应变和 健康状况进行实时在线自诊断和监测【3 0 3 “，还可对运动中的车辆自动称重和对 公路上的交通进行监控1 3 ”。同时，国内武汉理工大学沈大荣、李卓球、毛起熠 等教授3 8 q 9 】、西安交通大学的王秀峰【4 0 1 等人对碳纤维的机敏性都进行了基础研 究。 1 3 3 导电混凝土的温敏性 1 3 , 3 1 碳纤维混凝土的塞贝克( s e e b e e k ) 效应 塞贝克( s e e b e e k ) 效应、帕耳贴( p e l t i e r ) 效应和汤姆逊( t h o m s o n ) 效应 统称为热电效应。武汉理工大学李卓球等人于1 9 9 8 年首次报道了碳纤维混凝土 的塞贝克效应 4 1 , 4 2 1 ，温差电动势与温差成线性关系，具有重复、稳定的特点。 通过大量对比实验发现了碳纤维是影响其塞贝克效应的主要因素，在最佳纤维 掺量下，其温差电动势率可达1 8 l v c 4 3 j 。并对利用碳纤维混凝士塞贝克效应 实施混凝土结构的温度自诊断进行了研究【4 ”。随后d d l c h u n g 教授等在1 9 9 9 年也对碳纤维混凝土的塞贝克效应进行了研究m 6 1 ，并对碳纤维掺杂处理提高温 差电动势率进行了研究。如在碳纤维中掺入溴元素，溴进入碳纤维的石墨层间， 作为电子受主，提高了空穴浓度，进而提高温差电动势率。实验结果为：未掺 溴其温差电动势率从0 8 p v 。c ，掺溴后提高到1 7 1 t v c t ”。她们在研究钢纤维 混凝土的塞贝克效应【4 8 】后，发现钢纤维混凝土和碳纤维混凝土的塞贝克系数符 号相反，前者为正，相当于电子型；后者为负，相当于空穴型。将两者接触， 则在接触处形成p n 结，该处比单一的钢纤维混凝土或碳纤维混凝土对温度的敏 感性都要高，其温差电动势率可达到7 0 ：a v * c 【4 。 1 3 3 2 碳纤维涅凝土的电阻温度特性 有关碳纤维混凝士电阻与温度之间关系的研究文献较少。张跃等1 5 町( 1 9 9 2 ) 研究了碳纤维一无宏观缺陷( m d f ：m a c r o d e f e c t f r e e ) 水泥基复合材料的电阻温 度特性，在1 0 0 2 7 5 k 范围内电阻率随温度升高而下降，2 7 5 k 以后电阻率随温 度升高而上升。d 。d l c h u n g 5 1 】等在1 9 9 9 年研究发现碳纤维混凝土的电阻率 随温度升高而减小、随温度降低而增大。2 0 0 1 年f a r h a dr e z a l 5 2 等研究了温度对 碳纤维水泥体积电阻率的影响。 唐祖全的研究表明【5 3 5 4 1 ，利用碳纤维混凝土电阻随环境温度的变化规律， 通过测量电阻值可对混凝土结构进行温度自诊断。另外，由于实际结构都处于 一定的应力场和温度场中，当利用碳纤维混凝土电阻的压敏性对结构进行应力 重庆大学硕士学位论文 自诊断时，必须考虑温度对电阻的影响。 1 3 3 3 导电混凝土的焦耳效应 1 9 9 5 年，加拿大的x i ep i n g 、b e a u d o i njj 等人研究了碳纤维和钢纤维导 电混凝土的力学性能和导电性，并在实验室将它用于融雪化冰的实验【贷l 。1 9 9 9 年，美国的s h e r i fy e h i a 和c h r i s t o p h e ryt u a n 在总结了3 0 余年来采用各种方 法( 如化学法、地热管法、红外线灯照加热法、电热丝法、热液法等) 进行有 关路面化冰的研究进展后，提出利用钢纤维钢腐混凝土的导电性，开展了关于 桥梁路面除冰的实验研究【5 ”。美国w e n 等( 1 9 9 9 年) 在水泥基中添加质量比为 0 5 的碳纤维以及1 5 硅粉可使机敏混凝土作为一种高效的电热器，认为是一 种可与典型的半导体电热材料相比，而且比聚合物基碳纤维复合材料热效要高 的材料，英国费莱尔集团也宣布研制出能在很低的电压下快速变热的新型导电 混凝土材料，但该公司未透露其技术细节。利用这种新型导电混凝土建造机场 将使机场跑道的除冰工作更为简便；伦敦地铁部门还计划将这种混凝土用于一 些站台，以防止冬天乘客在结冰的站台上不慎滑倒【5 ”。x u ( 1 9 9 9 年) 等在工艺 上进一步改进了机敏混凝土的电热性能，不仅使机敏混凝土比热增加5 0 ，而 且使热导率也增加了3 8 。武汉理工大学的s u n 和l i 等( 2 0 0 0 年) 提出了利 用其热电效应进行自诊断、利用其电热效应进行自调节的机敏混凝土结构的构 想。唐祖全等( 2 0 0 1 年) 对应用导电混凝土融雪化冰进行了实验分析，试样以 轻骨料混凝土为基低上面再铺一层碳纤维混凝土，研究表明：碳纤维混凝土是 一种性能优良的导电混凝土，环境温度、湿度及固化龄期对电阻率影响小；在 通电加热过程中，通电时及通、断电次数对电阻率没有明显影响；因此，碳纤 维混凝土具有良好的电热效应，其电热功率稳定、发热均匀、电热功率水平能 满足混凝土路面、桥面和机场跑道等结构融雪化冰的需求。 1 3 4 导电混凝土的电力效应 e h w i t t m a n n 于1 9 7 3 年首次报道了水泥净浆小粱弯曲时，通过覆着在梁上 下表面的电极可检测到电压。同时对其逆效应电力效应进行了研究，发现 梁产生弯曲变形，改变电压的方向时，弯曲的方向也发生相应的变化。在水泥 净浆的水电、电力效应方面，f h w i t t m a n n 等的研究具有开创性。但由于在随 后的3 0 年阃研究极少，而少有进展。直到1 9 9 5 年，j i e f a n gl i 等较全面地研 究了水泥净浆的电力效应，给圆柱状水泥净浆试样施加0 4 5 k v c m 的交变电场 或直流电场，在电场方向上将产生微米级的膨胀变形。2 0 0 1 年，孙明清等对电 力效应进行了研究，发现在外加电场激励下，碳纤维混凝土和素混凝土均产生 变形，电力效应随外加电压升高其变形也增加；如果改变电场的方向，变形的 方向也发生改变；同时也发现碳纤维混凝土存在电力效应和电热效应的耦合效 1 绪论 应明显。机敏混凝土的力电效应、电力效应是基于电化学理论的可逆效应。因 此，将电力效应应用于混凝土结构的传感和驱动时，可以在一定范围内对它们 实施变形调节。有关水电效应与压敏效应、电力效应与电热效应之间的耦合关 系等，尚待进一步研究。 1 3 5 导电混凝土的电磁屏蔽性能 随着电子信息时代的到来，各种电器电子设备的数量爆炸式地增长，导致 电磁泄露问题越来越严重，而且电磁泄露场的频率分布极宽。从超低频( e l f ) 到毫米级，它可能干扰正常的通信，导航，甚至危害人体健康。因此电磁污染 是影响我国城市化可持续发展的灾害之一，目前日、美、英等国已在水泥基电 磁屏蔽复合材料方面开展了一些研究，日本己在某些高层建筑上应用。 张跃( 1 9 9 2 ) 等研究了碳纤维无宏观缺陷水泥基复合材料的电磁屏蔽性能， 测得在4 0 0 至1 6 0 0 m h z 频率范围内，电磁屏蔽效能为1 0 至4 0 d b 删。d d l c h u n g ( 1 9 9 6 ) 等研究了碳纤维水泥基复合材料的电磁屏蔽特性，认为用真径 为o 1 微米的碳纤维比直径为1 0 微米的碳纤维的屏蔽效果要好。 日本的小林美龟雄、大谷阳等( 1 9 9 7 ) 把铁氧化体、铁丝网等埋入维尼纶 纤维增强混凝土中( v f p c ) 制成了v f p c 电磁波吸收幕墙。在电磁场作用下， 铁丝网产生微小的表面电流并形成磁场，铁氧体吸收这部分磁场将其转换为热 能，从而实现吸收电磁波的功能。此外，他们还用碳纤维替代铁氧体块作吸收 材料进行了研究。上述两种幕墙对电磁波的能量吸收均在9 0 以上，吸收电磁 波的频率较宽，壁薄质轻，并已在东京、广岛等她的五幢高楼上安装这种幕墙。 以防止高层建筑对电磁波的反射造成电视图象严重的混乱。 1 4 本文研究的出发点 导电混凝士主要是依靠混凝土内导电相材料的相互接触来导电的，因此具 有各种不同电性能及不同粒径、长度、形状、级配和掺量的导电材料的应用是 改变混凝土导电性能的主要技术措施。目前国内外用于制作导电混凝土的导电 组分主要有石墨粉、碳粉、焦碳、碳纤维、钢纤维及钢屑等，尚未见钢渣导电 混凝土的有关研究报道。特别是目前导电混凝土存在以下两方面的问题，需要 进一步加以解决： 对颗粒状或粉末状的石墨粉、碳粉、焦碳及钢屑等导电骨料，由于其 长径比小，当掺量较小时，导电材料难以相互接触，不能形成良好的导电网络， 故其导电性能差；为了提高导电率，当掺量较大时，一方面由于碳黑、焦碳等 自身强度较低，另一方面由于导电骨料的吸水性，将加大混凝土拌和时的需水 量( 水灰比) ，使混凝土的强度大幅降低，难以满足土木工程对力学强度的需要。 9 重庆大学硕士学位论文 对碳纤维，虽然掺量较低时即可形成导电网络，但由于纤维搭接的接触面较小， 因此其电导率低，需加大纤维的掺量才能改善其导电性能。而过高的纤维含量 将使