用于犧牲陽極法的碳纖維導(dǎo)電砂漿的導(dǎo)電性能研究

摘要：本文對不同摻量的碳纖維導(dǎo)電砂漿電阻率進行了試驗，分析了齡期、摻量對碳纖維導(dǎo)電砂漿電阻率的影響機理，并得出碳纖維的上閾值點和下閾值點。從理論上分析了犧牲陽極法中導(dǎo)電砂漿的工作原理，并結(jié)合試驗結(jié)果確定出適用于大氣混凝土建筑的犧牲陽極法中導(dǎo)電砂漿的碳纖維最佳摻量為0.6%。

關(guān)鍵詞：犧牲陽極法 碳纖維 導(dǎo)電砂漿 電阻率

引言

每年，由于氯離子對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞而導(dǎo)致的經(jīng)濟損失極其巨大。盡管各地都相繼出臺了建筑工程中海砂的淡化及使用的相關(guān)政策，然而每年仍有大量含有氯離子的海砂被用于沿海的實際工程中。

陰極保護法是國際上公認(rèn)的金屬防腐蝕技術(shù)，已有一百多年的歷史，在土建行業(yè)中的應(yīng)用主要在土壤和水中鋼結(jié)構(gòu)的保護。陰極保護法分為犧牲陽極法和外加電流法兩種。其中犧牲陽極法有后期維護簡單、成本低的特點，在國內(nèi)各類建筑的氯離子腐蝕防護有著廣闊的應(yīng)用前景。

在大氣中混凝土建筑的犧牲陽極法中，混凝土需要充當(dāng)電解質(zhì)的作用，在其中進行的離子交換是犧牲陽極系統(tǒng)回路中不可或缺的一環(huán)。然而由于犧牲陽極法的驅(qū)動電位差直接與陽極材料相關(guān)，能夠提供的電位差是有限的，而大氣中混凝土的電阻率較大，因此犧牲陽極法應(yīng)用在大氣混凝土建筑中往往會因保護電流不足而起不到保護鋼筋的作用。正是大氣中混凝土的電阻率與海水和土壤的電阻率存在的巨大差異，使得犧牲陽極法在大氣中混凝土建筑物中的應(yīng)用受到了極大的限制。因此如何降低混凝土的電阻率，使其能夠勝任犧牲陽極法中陰陽極之間離子交換的任務(wù)，是犧牲陽極法應(yīng)用于大氣混凝土建筑中的關(guān)鍵所在。

本文針對的是已建房屋的修補加固，因此研究的基體材料均采用修補砂漿。在修補砂漿中摻入碳纖維以降低砂漿的電阻率，使其能夠在大氣混凝土建筑的犧牲陽極法中充當(dāng)電解質(zhì)的作用，從而形成完整的陰極保護電流回路。

原材料

1、碳纖維

碳纖維是由經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。其層狀結(jié)構(gòu)可以讓電子自由通過，因此具有很好的導(dǎo)電性。

大量文獻(xiàn)表明，長度為5-10mm的短切碳纖維摻入混凝土中能使其達(dá)到不錯的導(dǎo)電效果，長度過長會導(dǎo)致相互纏繞、難以分散良好，長度過短會影響其導(dǎo)電性能。本文采用鹽城市翔力碳纖維制品廠生產(chǎn)的6mmPAN基短切碳纖維（性能參數(shù)見表1）。

2、其他原料

水泥采用的是42.5級普通硅酸鹽水泥，砂采用廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)砂，分散劑采用甲基纖維素，電極采用尺寸為的不銹鋼片。

試驗方法

本文所用砂漿的配合比為水泥：砂：水=3：9：2，碳纖維摻量為砂漿體積分?jǐn)?shù)的0%，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%和1%，共六組。摻碳纖維的試件參考文獻(xiàn)[4]中濕拌法，將碳纖維放入燒杯中，加水?dāng)噭颍尤敕稚┘谆w維素，摻量為水泥用量的0.5%，再將砂、水泥、水等加入攪拌鍋，攪拌3分鐘，成型的試件，并將4片不銹鋼片電極埋入試件中（如圖1），保證測試過程中測試工具與砂漿之間的接觸電阻較小。每兩個電極之間間距50mm。

本文采用北京斯創(chuàng)爾建筑技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的SR-4000型混凝土電阻率測試儀對試塊電阻率進行測試，并輔以鴻昌牌HC710型萬用表進行校核。

試驗結(jié)果

1、電阻率隨時間的變化

圖2為碳纖維各摻量下，砂漿的電阻率隨齡期變化的規(guī)律曲線。由圖中可以看出，各摻量下的砂漿隨著齡期增大，電阻率不斷升高，這是由于新拌試塊含有大量自由水，這為離子的自由移動提供了較好的環(huán)境，因此電阻率較低；隨著時間的推移，自由水逐漸參與水化反應(yīng)，砂漿試塊的離子導(dǎo)電能力大大降低，電阻率隨之升高；在28天后，水化作用相對減弱，砂漿試塊的電阻率也漸漸趨于穩(wěn)定。

在齡期為3天時，六組試塊的電阻率差距較小，而齡期為28天時，各組之間電阻率差距明顯變大。這是由于早期離子導(dǎo)電所占的比重較大，電阻率主要與拌合時的用水量相關(guān)，本文試驗中各組水灰比相同，因此各組早期電阻率差距較小；隨著水化的進行，離子導(dǎo)電所占比重越來越小，碳纖維的電子導(dǎo)電性能逐漸占據(jù)主導(dǎo)，碳纖維摻量相對較小的砂漿主要依靠孔隙液中的離子進行電荷傳導(dǎo)，水化作用消耗的水使得砂漿導(dǎo)電能力迅速下降，而碳纖維摻量較大的砂漿試塊由于其導(dǎo)電更多的依靠碳纖維的電子導(dǎo)電，水的消耗對其電阻率影響相對較小。因此隨時間推移，碳纖維摻量較小的砂漿電阻率增大明顯，而碳纖維摻量較大的砂漿電阻率變化較小，各摻量下砂漿試塊電阻率差距越來越明顯。

2、電阻率隨摻量的變化

圖2中可以看出，摻加碳纖維后，砂漿的電阻率明顯降低。圖3和圖4分別為齡期為7天和28天時，砂漿試塊的電阻率與碳纖維體積摻量的關(guān)系曲線。由圖中可以看出，當(dāng)碳纖維摻量體積分?jǐn)?shù)小于0.2%時，電阻率提高并不明顯；進一步提高摻量，在體積分?jǐn)?shù)為0.2%～0.8%之間時，碳纖維對砂漿試塊電阻率影響明顯增大；當(dāng)摻量體積分?jǐn)?shù)超過0.8%后，進一步提高摻量對砂漿電阻率的影響又重新變小。這是由于當(dāng)碳纖維摻量較小時，碳纖維之間彼此基本完全孤立，此時碳纖維復(fù)合砂漿的電阻率主要取決于基體；當(dāng)摻量超過一定量A1時，碳纖維之間部分連續(xù)，在這一階段電阻率隨碳纖維摻量的增加急劇變小；當(dāng)摻量超過A2時，碳纖維間彼此連續(xù)，形成網(wǎng)絡(luò)，此時砂漿的電阻率取決于導(dǎo)電組分的導(dǎo)電性。A1與A2兩點就是滲濾閾值，其中A1為上閾值點，A2為下閾值點。由圖3和圖4可以看出，上閾值點在0.2%附近，而下閾值點在0.8%附近。

3、碳纖維導(dǎo)電砂漿在犧牲陽極法中應(yīng)用的原理分析

大氣中混凝土建筑物中的犧牲陽極法原理如圖5（a）所示，其中鋼筋作為陰極，活潑金屬（本文以鋅為例）作為陽極，鋼筋和鋅塊之間的砂漿作為電解質(zhì)，鋅塊和鋼筋之間用導(dǎo)線連接形成整個犧牲陽極保護電流回路。這個回路的電流驅(qū)動力來自于鋼筋和鋅塊的電位差。鋅塊作為陽極放出電子，電子就順著外電路（導(dǎo)線）向陰極移動，而陰極的鋼筋因為不斷得到電子，因而電位降低，這個過程就叫做極化。同時陰極得到的電子與水和氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成氫氧根離子。在電解質(zhì)環(huán)境中，陰陽極分別產(chǎn)生的鋅離子和氫氧根離子定向移動，使得兩極保持電中性。由于大氣中砂漿的電阻率較大，阻礙了離子在砂漿中的定向移動，鋼筋和鋅塊的電位差不足以在整個犧牲陽極系統(tǒng)中產(chǎn)生足夠的保護電流，因此犧牲陽極法很難在大氣中的混凝土建筑物中得到廣泛應(yīng)用。

在砂漿中摻入一定量的碳纖維有助于降低砂漿的電阻率。碳纖維的導(dǎo)電機理類似于石墨，其層狀結(jié)構(gòu)能形成電子自由移動的通道，屬于電子導(dǎo)電材料。當(dāng)碳纖維摻量超過下閾值點時，碳纖維彼此搭接形成網(wǎng)絡(luò)（如圖5（b））。可以將聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)的碳纖維看做一條金屬導(dǎo)線，此時由于碳纖維的電阻率遠(yuǎn)低于砂漿本身，因此電荷將不會以砂漿中離子的形式進行傳導(dǎo)，因此此時砂漿不能充當(dāng)犧牲陽極法中電解質(zhì)的作用，導(dǎo)致犧牲陽極系統(tǒng)失效。

而當(dāng)碳纖維摻量在上閾值點和下閾值點之間時，碳纖維彼此之間未完全聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)（如圖5（c））。此時電荷以離子的形式在砂漿基體中傳遞，在碰到碳纖維時，離子放出電荷，以電子的形式在碳纖維內(nèi)部傳遞，傳遞到碳纖維另一端處即放出電荷，重新以離子形式在砂漿基體中傳遞。這樣一方面碳纖維的摻入降低了砂漿的電阻率，保證了足夠的保護電流，另一方面碳纖維之間沒有彼此聯(lián)通，仍保證了砂漿內(nèi)部的離子交換，因此此時砂漿可以充當(dāng)犧牲陽極系統(tǒng)中電解質(zhì)的作用。

將碳纖維導(dǎo)電砂漿應(yīng)用于犧牲陽極法應(yīng)是在保證碳纖維摻量未達(dá)到下閾值點的前提下，盡可能的降低砂漿的電阻率，從而提高保護電流，提高犧牲陽極系統(tǒng)的整體效率。由圖4可以看出，碳纖維摻量達(dá)到0.8%后，再繼續(xù)摻入碳纖維對砂漿電阻率的影響較小，因此可以判定碳纖維的下閾值點在0.8%附近。因此理想的碳纖維摻量應(yīng)在0.6%。此時碳纖維降低砂漿電阻率的效果較好，砂漿的離子導(dǎo)電部分也能發(fā)揮作用，充當(dāng)犧牲陽極保護系統(tǒng)中電解質(zhì)的作用。

結(jié)論

砂漿電阻率隨著時間推移而變大，并隨著水化反應(yīng)的進行逐漸趨于穩(wěn)定。

碳纖維的摻入能降低砂漿的電阻率，當(dāng)摻量小于上閾值點（體積分?jǐn)?shù)0.2%左右）時，電阻率下降較小；當(dāng)摻量在上閾值點（體積分?jǐn)?shù)0.2%左右）和下閾值點（體積分?jǐn)?shù)0.8%左右）之間時，電阻率隨摻量增加而下降得較多；當(dāng)摻量超過下閾值點后，砂漿的電阻率又重新趨于穩(wěn)定。

砂漿在大氣混凝土建筑中的犧牲陽極法中充當(dāng)電解質(zhì)的作用，為使既能滿足電阻較小又能勝任離子交換的任務(wù)，碳纖維的摻量應(yīng)取上閾值點與下閾值點之間，并盡量接近下閾值點以保證電阻率最小，根據(jù)本文試驗結(jié)果，碳纖維的最佳摻量應(yīng)為0.6%。

（作者單位：浙江大學(xué)）