摘 要 对碳纤维导电混凝土的国内外研究现状、导电机理及应用进行了论述,展望了它的研究动态和应用前景。
关键词 混凝土,碳纤维, 导电, 研究动态, 应用前景
普通混凝土的电阻率一般在105～109Ω ·m 范围内,它既不属于绝缘体,也不属于良导体。在普通混凝土中加入导电相(如导电颗粒或导电纤维) 后,可以使其电阻率大大降低。这使得混凝土不仅可以作为一种建筑承载材料使用,而且可以在诸如电工电子、电磁干扰屏蔽、防静电、钢筋阴极保护、建筑地面采暖等多方面发挥重要作用。
导电混凝土是指由胶凝材料、导电相、介电骨料和水等组分,按照一定配比混合凝结而成的多相复合材料,是由导电相部分或全部取代混凝土中的普通骨料配制而成,具有规定的电性能和一定力学性能的混凝土。目前,各国研究的导电混凝土已有多种,所用的原料及用途也各不相同。根据胶凝材料的不同,可将导电混凝土大体分为三类[1 ] ,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) 。常用的导电组分也分为三类:聚合物类、碳类和金属类。各种导电填料及其特点见表1 所示。
碳纤维是一种抗折强度高,空气中耐氧化、耐高温、耐低温、高模量轻质非金属新型材料。既具有元素碳的各种优良性能,如比重小、耐热性极好、热膨胀系数小、导热系数大、耐腐蚀性和导电性良好等,同时,它又可进行编织加工和缠绕成型,此外还具有良好的耐磨性、润滑性和吸附性,是导电混凝土中作为导电相非常理想的材料。因此近年来关于碳纤维导电混凝土的研究受到广泛关注。
1 碳纤维导电混凝土研究现状
碳纤维水泥基导电混凝土因其良好的导电性和力学性能受到了人们的青睐,国内外对此都进行广泛深入的研究。
1999 年Wen Sihai 等在水泥基添加质量比为015 %的碳纤维以及15 %的硅粉,使机敏混凝土作为一种高效的电热器,并指出碳纤维的掺入能显著改善Seebeck 效应的线性和可逆性,且微硅粉和树脂对碳纤维水泥基复合材料的Seebeck 效应有影响[2 ] 。Chung[3 ]等研究了碳纤维含量以及其他外加填料对碳纤维水泥基复合材料的电极化影响,发现:当增加碳纤维的含量或添加硅粉时,可以起到降低电极化程度的作用;对碳纤维水泥基复合材料施加压应力,对电极化的强度和极化完成时间都有显著的影响;施加的压应力越大,电极化强度就越弱,并且可以缩短其电极化最终完成的时间;碳纤维水泥基复合材料的电极化还受养护龄期、含水量以及其他导电填料的影响。另外他们还发现,碳纤维混凝土的电阻率随温度升高而减小[4 ] 。2001 年Farhad Reza 等也研究了温度对碳纤维水泥基复合材料体积电阻率的影响[5 ] 。
武汉理工大学的李卓球等[6 ,7 ] 于1998 年首次报道了碳纤维混凝土的Seebeck 效应。2001 年孙明清、李卓球[8 ] 等系统地研究了碳纤维混凝土和素混凝土的力电机敏性,研究了力电效应机理、力电效应与其它效应(压阻效应、Seebeck 效应等) 的耦合关系、基于力电效应的混凝土电学模型、混凝土电磁发射现象、混凝土力电效应的数学模型等,开展了基于力电效应的机敏混凝土结构应用研究。2002 年,武汉理工大学的唐祖全[9 ]研究了碳纤维混凝土的电阻2温度特性,结果表明:在纤维掺量< 016 %时,碳纤维混凝土电阻对温度变化很敏感,且随纤维含量的增加,碳纤维混凝土电阻温敏性的稳定性提高;含015 %和016 %纤维的碳纤维混凝土同时具有较高的敏感性和稳定性;当纤维含量超过018 %时,碳纤维混凝土没有明显的温敏性。
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。通过在碳纤维水泥导电混凝土中加入短切碳纤维,使得混凝土结构具有机敏性和类生物材料的自感知、自诊断、自感应、自修复等功能,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。但是,碳纤维导电混凝土的研究还存在着很多不足,主要表现在: (1) 碳纤维水泥导电混凝土制作工艺还不够成熟,电阻测试值离散性较大,甚至出现几倍的差距,说明在物相配比、搅拌过程、电极选用上都有待于提高; (2) 导电机理的解释还不完善; (3) 还未建立碳纤维混凝土的应力2应变2电阻率之间的本构关系; (4) 对于不同纤维含量的电阻率差异,仍需要从工艺入手,做大量的工作。
2 碳纤维混凝土的应用及发展前景
由于碳纤维混凝土具有高强、轻质、抗裂性强、收缩变形小、抗震性和耐久性好等显著特点,可广泛应用于道路桥梁、海洋工程、水工结构、船坞、高层建筑、大跨结构及其他轻型制品(如轻型屋面板、幕墙) 等结构物中。实验证明,PAN 基碳纤维的加入可使混凝土的耐磨性提高1 倍以上,使得在每天115万辆车的行车密度下,公路的耐磨性可达10 年。
1982 年,碳纤维混凝土复合板首次用于巴格达市的一座纪念碑上,至今已有40 多座大型建筑使用碳纤维混凝土外墙墙板[10 ] 。1986 年日本东京的ARK大厦一次使用碳纤维混凝土幕墙板(碳纤维3 %) 32000m2 , 每块的尺寸为1147m ×3176m。可承受63MPa 的风压,外墙减轻了40 %的重量,使大楼钢架的重量减轻400t ,在使用中,表现出良好的耐久性和体积安定性。东京医科大学的一个建筑中用碳纤维混凝土做大型幕墙,厚度小,接缝少,轻质高墙,使用效果理想。日本的小林美龟雄、大谷阳等用碳纤维毡代替铁氧体块作吸波材料,这种幕墙对电磁波的能量吸收均在90 %以上,吸收电磁波的频率较宽,壁薄质轻,并己在东京、广岛等地的5 幢高楼上安装这种幕墙[11 ] 。挪威奥斯陆集装箱码头,为防止海水对建筑物的腐蚀,提高码头抗集装箱的撞击破坏能力,并防止严寒冰冻对混凝土的渗透膨胀破坏,较早地采用了碳纤维混凝土。美国在巴拿马海军港口码头,为保护原码头钢筋混凝土抗海水侵蚀能力,用碳纤维混凝土进行加固[12 ] 。
在国内,碳纤维混凝土的智能结构已经在长江三峡工地的围堰上使用,并取得了较好的效果。侯作富[13 ] 报道了碳纤维导电混凝土大板的研制,结果表明制作的碳纤维导电混凝土大板的输入功率达到500W/ m2 ,满足了融血化冰的要求。苏健波、李志思[14 ] 介绍了自1996 年开始,碳纤维混凝土在我国的广泛应用,如广州市的东环、西环、南环等高速公路的路面,不仅解决了收费站的无磁性要求问题, 而且有效满足了路面的抗裂、抗磨、抗冲击等要求。重庆世界贸易中心在特大型转换层大粱中,应用PAN 基碳纤维增强混凝土成功地解决了高标号大体积混凝土施工中的抗裂和提高韧性等问题。
随着科学技术的发展,碳纤维导电混凝土作为一种新型的复合材料得到了人们的普遍重视。这种新型复合材料除了具有优越的力学性能外,还具有良好的机敏特性,在结构健康监测、交通监测、电磁波屏蔽等方面有着广泛的应用前景。碳纤维水泥基导电混凝土同其它导电材料相比有很多优越性:①碳纤维导电混凝土具有极佳的机械性能和导电性; ②重量比常规混凝土轻的多; ③易于生产,且不需任何特殊设备便可进行生产; ④不必再撒盐就可除去路面结冰和积雪,仅此一项,就可节省数百万美元; ⑤行人走在带电的混凝土路面上是很安全的; ⑥可以使建筑物免受静电和闪电的威胁,并能加固钢筋层,保护混凝土结构里的钢材免受腐蚀; ⑦可吸收90 %以上的的电磁能,而且比现行的任何一种屏蔽电磁能的方法都要便宜、方便的多。
目前对碳纤维混凝土的应用研究主要集中在4 方面: ①应力和损伤监测; ②交通监测; ③融雪化冰; ④制成温度湿度传感器。对碳纤维水泥基导电混凝土智能化的研究和开发将进一步拓宽它的应用领域,为社会带来更大的经济效益。
但是,碳纤维导电混凝土作为一种新型的功能材料,在实际工程应用中还有很多问题需要进一步地研究,如(1) 碳纤维与基休的界面粘结强度和碳纤维在基休中的分散程度。由于碳纤维直径细小、表面憎水所造成的无法较好均匀分散而导致的混凝土电阻率波动的问题,在很大程度上限制了此类材料的工程应用。(2) 混凝土基碳纤维机敏材料的研究还基本处于空白阶段[15 ] ,骨料石子的加入,对碳纤维混凝土的导电性能影响较大,而碳纤维混凝土压敏规律的研究目前还主要停留在水泥基和砂浆基的阶段,所以加速研究带有粗骨料的碳纤维混凝土的机敏性能具有非常重要的意义。(3) 碳纤维相对于其它建筑材料仍然价格昂贵,目前难以在实际工程中大规模应用。
我国的碳纤维混凝土在实际工程建设中的应用还处于起步阶段,随着国家经济建设的不断发展和人们对工程质量要求的日益提高,碳纤维混凝土将展示出它超群的优势。
参考文献
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