水泥基石墨鋼纖維混凝土電熱性能研究*

洪雷 龔龍

0 引言

水泥基鋼纖維復合材料,又稱鋼纖維混凝土,是為改善混凝土脆性而生產的一種特種混凝土。根據其制備工藝可分為普通鋼纖維混凝土和滲澆鋼纖維混凝土。普通鋼纖維混凝土是按普通混凝土的生產工藝,在攪拌過程中加入一定量的鋼纖維經振搗成型而成,但由于在攪拌成型過程中,高摻量鋼纖維會嚴重導致纖維離析、成團及混凝土含氣量過大,實際鋼纖維體積摻量很難超過2%。所謂的滲澆纖維混凝土(Slurry Infiltrated Fiber Concrete,簡稱SIFCON),即是將具有一定流動性的砂漿或凈漿注入事先放置在模具中的纖維骨架中而成型的纖維混凝土。其鋼纖維體積含量最高可達27%,一般為5%～20%,鋼纖維長度可達30 mm～40mm[1]。

SIFCON材料的力學性能與普通混凝土相比有了極大的提高。SIFCON吸收能量的能力與普通混凝土相比相差三個數量級,抗拉強度可達普通混凝土抗壓強度同一數量級。鋼纖維體積含量8%的SIFCON,抗彎強度比普通混凝土抗彎強度高500%。

從20世紀80年代SIFCON的出現至今,研究主要集中在力學性能方面,而對其力學性能之外的電、磁、熱等功能性性能的研究還未見報導。本文利用鋼纖維和石墨作為導電相,采用滲澆成型工藝,成功的配制出了GSISFCON材料,并對GSISFCON的導電性能及通電升溫性能進行了研究。結果表明,GSISFCON材料既具有普通SIFCON材料優良的力學性能,同時又具有良好的電、磁等多項功能性性能,該復合材料可廣泛應用在高速公路坡段、機場跑道等處,冬季通電加熱融雪除冰,建筑地面采暖,建筑物避雷設備,防磁地面,電阻器等方面,可大大延伸水泥基鋼纖維復合材料的使用范圍。

1 試驗方法

1)原材料。見文獻[2]。

2)試驗裝置。見文獻[2]。

2 試驗結果與分析

2.1 石墨摻量對復合材料電阻率的影響

單摻石墨的混凝土及砂漿材料的導電性能研究,國內已有許多報導,本文研究了鋼纖維摻量為4%,6%,8%的GSISFCON材料,石墨不同摻量對電阻率的影響。其結果見圖1。

從圖1可見,三種不同鋼纖維含量的GSISFCON材料的電阻率,隨石墨摻量的增加,其電阻率下降,并且石墨摻量均存在明顯的滲濾閾值。當石墨摻量超過6%時,GSISFCON電阻率均小于10Ω·cm。

2.2 GSISFCON升溫性能分析

試驗結果表明,試件通電后,隨著溫度的升高GSISFCON的電阻率均呈下降趨勢,但下降的幅度并不明顯(見圖2)。圖2中A,B,C分別代表鋼纖維含量4%,6%,8%,石墨含量4.5%。

圖3是試件的溫升與時間的關系曲線,試件電壓為10 V(電壓降為66.66 V/m)。從圖3可以看出,隨通電時間的增加,試件的溫升速度加快,GSISFCON的溫升速度可達10℃/h左右。

3 結語

1)摻入石墨導電相后,GSISFCON材料的電阻率明顯下降。當鋼纖維摻量為4%,6%和8%時,石墨摻量超過6%左右,GSISFCON電阻率低于10Ω·cm。2)隨著溫度的增加,GSISFCON的電阻率隨之降低,但降低的幅度很小。材料升溫效果明顯,在66.66 V/m電壓降的絕熱條件下,GSISFCON的溫升速度可達10℃/h左右。3)GSISFCON材料優良的力學性能和良好的導電性能預示該復合材料應具有廣闊的應用前景。

[1]趙國藩,黃承逵.纖維混凝土的研究與應用[M].北京:中國建筑工程出版社,2002:18-22.

[2]洪 雷,孫維才,黃園園.GSIFCON材料特性及對鋼筋混凝土梁損傷監控試驗研究[J].土木工程學報,2008,41(7):7-13.