雙鋪層不銹鋼纖維導(dǎo)電砼性能試驗(yàn)及應(yīng)用研究

  一種新型的雙層不銹鋼纖維導(dǎo)電混凝土在路面除冰研究中被提出，并在不同的條件下進(jìn)行測(cè)試。雙層不銹鋼纖維混凝土的設(shè)計(jì)是一種多層結(jié)構(gòu)，在２個(gè)不同的層中放置不銹鋼纖維，用石墨顆粒或鋼纖維對(duì)混凝土基體進(jìn)行改性。雙層不銹鋼纖維混凝土在不同的功率輸入下的電阻率測(cè)試和溫度測(cè)試在烤箱或者冰箱內(nèi)完成，包括有冰層覆蓋或者無(wú)冰層覆蓋。結(jié)果表明，雙層不銹鋼纖維導(dǎo)電混凝土具有較低的電阻率，其適用于除冰的目的。不銹鋼纖維不會(huì)在其表面上形成鈍化膜，因此電阻率穩(wěn)定。由于隧道效應(yīng)和顆粒的縱橫比，石墨顆粒比鋼纖維更為有效地降低電阻率，融冰時(shí)間延長(zhǎng)，而總能量消耗沒(méi)有明顯減少。

  除冰技術(shù)是道路工程和材料科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要的研究方向，通過(guò)此研究可有效降低冬季交通安全隱患，保障交通安全。大多數(shù)情況下，使用化學(xué)融雪劑或鹽操作較為簡(jiǎn)單且成本低，故常被用于道路除冰。然而，這些化學(xué)品和鹽通常會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)性能的劣化。因此，尋找新的技術(shù)來(lái)取代傳統(tǒng)的除冰鹽在過(guò)去的十年中迅速發(fā)展，包括使用電纜加熱、管道流體加熱、微波加熱以及紅外加熱燈加熱等。對(duì)混凝土路面通電是一種新型的技術(shù)，將其與道路交通配套功能相結(jié)合，融冰要求近乎完美。傳統(tǒng)混凝土本身是一種非導(dǎo)電材料，如果加入鋼纖維或石墨，材料的導(dǎo)電性能將大大增強(qiáng)。當(dāng)混凝土道路被充上交流電或直流電時(shí)，其表面上的積雪或冰層會(huì)因?yàn)闊崃康脑黾佣诨?。此除冰系統(tǒng)不會(huì)中斷交通的連續(xù)運(yùn)行，另外，鋼纖維作為增強(qiáng)材料存在混凝土基體中，可有效提高路面的承載能力。據(jù)此設(shè)計(jì)研發(fā)出一種新型的雙層不銹鋼纖維導(dǎo)電混凝土，并開(kāi)展了不同條件下雙層不銹鋼纖維混凝土試件導(dǎo)電性能測(cè)試。

  導(dǎo)電混凝土由波特蘭水泥，砂，礫石，石墨，硅灰和鋼纖維配置而成。表列出了不銹鋼纖維的技術(shù)性能，鋼纖維表面形貌與整體特征如圖所示。選用不銹鋼纖維替代普通的碳纖維，目的是減少纖維表面形成的鈍化膜，能有效提高電阻率。石墨的技術(shù)性能見(jiàn)表，用于制備導(dǎo)電混凝土的水泥是波特蘭水泥，由華新水泥股份有限公司生產(chǎn)。其硅灰中無(wú)定形二氧化硅重量占89％。石英砂的細(xì)度模數(shù)為2.3，骨料是由直徑在5～16ｍｍ之間的石灰石組成。在混合物中使用清潔的自來(lái)水。溫升試驗(yàn)在室溫25℃下進(jìn)行。測(cè)試系統(tǒng)如圖所示。每隔5分鐘記錄一次電源電壓和電流。通過(guò)圖可以看出，相比其他３種試樣，普通混凝土的電阻率是最高的。當(dāng)基體混凝土摻加導(dǎo)電材料時(shí)，雙鋪層不銹鋼纖維混凝土電阻率相對(duì)于普通混凝土有一個(gè)數(shù)量級(jí)的降低。在沒(méi)有導(dǎo)電相摻入到混凝土基體中時(shí)，其電阻率隨著齡期穩(wěn)步增加。導(dǎo)電材料為不銹鋼纖維時(shí)，“峰值”在21天左右時(shí)達(dá)到，而導(dǎo)電材料為石墨時(shí)，混凝土電阻率在7天時(shí)就達(dá)到“峰值”。最好的導(dǎo)電性能在中實(shí)現(xiàn)，表明在基體混凝土中使用石墨能最有效的降低電阻率。

  上述結(jié)果可以通過(guò)導(dǎo)電模型來(lái)解釋。雙鋪層不銹鋼纖維導(dǎo)電混凝土的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)模型見(jiàn)圖，基體混凝土中未摻加導(dǎo)電集料時(shí)，體系的導(dǎo)電能力由鋪層鋼纖維提供，如圖所示，鋪層不銹鋼纖維間部分連續(xù)，只能形成局部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，彼此不能連通，其電阻率較高；在基體內(nèi)加入導(dǎo)電集料（不銹鋼纖維與石墨）后，這些導(dǎo)電材料在部分連續(xù)的鋪層鋼纖維間形成了局部的“橋梁”，使原本形成的局部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)成為連續(xù)貫通的導(dǎo)電鏈，導(dǎo)電通路形成，電阻率明顯降低；對(duì)于混凝土基體相的導(dǎo)電，主要有兩種方式：一種是通過(guò)自由的可蒸發(fā)水的離子導(dǎo)電，即通過(guò)水泥石孔隙溶液中的等離子在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的定向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電，這種導(dǎo)電方式與液相中離子的濃度、種類及溫度有關(guān)；另一種是通過(guò)凝膠、凝膠水和未反應(yīng)的水泥顆粒的電子導(dǎo)電，主要有鐵、鋁及鈣的化合物；而在復(fù)合導(dǎo)電混凝土中，除了上述兩種導(dǎo)電方式外，還存在導(dǎo)電材料間的電子導(dǎo)電。

  在試驗(yàn)初期，試件內(nèi)部含有大量的自由水，孔隙溶液中的離子濃度較高，材料的導(dǎo)電主要由離子導(dǎo)電完成，隨著齡期增長(zhǎng)、水化反應(yīng)的進(jìn)行，基體內(nèi)的液相逐漸減少，離子導(dǎo)電能力減弱，使得電阻率呈現(xiàn)出隨齡期增長(zhǎng)的趨勢(shì)，并在某一齡期時(shí)達(dá)到“峰值”。此后，導(dǎo)電混凝土材料的導(dǎo)電能力主要由導(dǎo)電材料來(lái)承擔(dān)，隨著齡期的增長(zhǎng)，基體內(nèi)部逐漸密實(shí)，導(dǎo)電材料間的接觸面積逐漸增大，因此又出現(xiàn)電阻率隨齡期逐漸減小的現(xiàn)象，直到混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本固定，此過(guò)程伴隨著電阻率值的逐漸穩(wěn)定。但是對(duì)于摻加石墨的基體，由于石墨長(zhǎng)徑比遠(yuǎn)小于不銹鋼纖維，單位體積內(nèi)石墨的數(shù)量較多，隨著齡期增長(zhǎng)，基體逐漸密實(shí)，石墨之間有更多的接觸，形成較多的導(dǎo)電短鏈，因此所對(duì)應(yīng)的“峰值”到來(lái)的更早。

  待56天導(dǎo)電混凝土的電阻率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，在基體中分別摻加了不銹鋼纖維和石墨導(dǎo)電相材料的雙鋪層不銹鋼纖維導(dǎo)電混凝土，進(jìn)行不同外加電壓下電阻率的變化試驗(yàn)測(cè)試。圖分別是兩組試件的電阻率隨電壓的變化曲線圖。從圖中可以看出，對(duì)于雙鋪層不銹鋼纖維導(dǎo)電混凝土，當(dāng)基體中摻加不銹鋼纖維與石墨時(shí)，電阻率隨電壓的變化曲線有相同的走勢(shì)，主要特征是電壓值達(dá)到某一臨界上限后，電阻率急劇減小，而在某一臨界下限時(shí)達(dá)到最小值，其后變化微弱。對(duì)于不銹鋼纖維基體。上述現(xiàn)象是電場(chǎng)發(fā)射電流作用的結(jié)果。雙鋪層不銹鋼纖維導(dǎo)電混凝土作為一種導(dǎo)電復(fù)合材料，是通過(guò)在絕緣體系中添加導(dǎo)電材料（不銹鋼纖維、石墨）而產(chǎn)生導(dǎo)電行為，除了形成連通的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)提供導(dǎo)電外，還存在部分導(dǎo)電材料被絕緣相隔開(kāi)，相互不接觸，之間存在著一定的勢(shì)壘，只有克服彼此間的勢(shì)壘障礙才能相互發(fā)生作用進(jìn)行導(dǎo)電。當(dāng)兩極施加電壓達(dá)到一定程度后，每個(gè)導(dǎo)電粒子形成一個(gè)獨(dú)立的電場(chǎng)發(fā)射點(diǎn)，它們通過(guò)相互間發(fā)射電場(chǎng)聯(lián)系形成電流。彼此分離的兩個(gè)導(dǎo)電材料與介于其間的絕緣相構(gòu)成一個(gè)電容器，通電開(kāi)始后電容器逐漸充電，但由于中間絕緣介質(zhì)的阻隔，并不導(dǎo)電，當(dāng)施加電壓增大到某一“突破電壓”時(shí)電容被擊穿，電容器變?yōu)閷?dǎo)體，電流急劇增大，電阻率急劇減小。

  分離的導(dǎo)電相不能直接導(dǎo)電，因?yàn)樗鼈冎g的勢(shì)壘阻止電子遷移通過(guò)。當(dāng)石墨顆粒的溫度到達(dá)一定程度時(shí)，內(nèi)部電子會(huì)獲得額外的能量，從而使大量高能電子能通過(guò)表面勢(shì)壘和逃逸。這種現(xiàn)象稱為熱電子發(fā)射。兩個(gè)石墨顆粒之間盡管沒(méi)有直接接觸，隧道效應(yīng)使得電子也能在它們之間轉(zhuǎn)移。當(dāng)金屬中的電子加熱到蒸發(fā)點(diǎn)時(shí)，自由電子總數(shù)的一小部分也能夠逃逸但并不能形成電流。因此，隧道效應(yīng)對(duì)不銹鋼纖維的影響是微弱的，可以忽略不計(jì)。溫度升高對(duì)鋼纖維改性混凝土的電阻率的影響不顯著。結(jié)果表明，將冰層的厚度從3ｍｍ增大兩倍到6ｍｍ，除冰試驗(yàn)完成所需要的時(shí)間僅僅延長(zhǎng)了20分鐘，成倍增厚的冰層并沒(méi)有顯著增加除冰時(shí)間，這進(jìn)一步說(shuō)明導(dǎo)電混凝土試件表面的冰層融化所需能量?jī)H僅占整個(gè)除冰過(guò)程能量消耗的一小部分，主要的能量則是在加熱混凝土試件的過(guò)程中消耗的。

  所需時(shí)間及能量消耗列于表中，結(jié)合表與上述除冰試驗(yàn)結(jié)果可以看出：在同一條件下，采用不同的功率融冰所消耗的能量相差較小，但是采用較大的功率可以提高融冰效率，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，加大輸出功率是有利的；環(huán)境溫度是影響除冰過(guò)程的關(guān)鍵因素，降低環(huán)境溫度會(huì)顯著地延長(zhǎng)除冰時(shí)間，并消耗更多的能量；冰層厚度對(duì)除冰過(guò)程的影響最小，冰層的融化能耗占整個(gè)除冰過(guò)程能耗的比例很小。以不銹鋼纖維和石墨為導(dǎo)電相材料，制成的雙鋪層不銹鋼纖維導(dǎo)電混凝土具有良好的融雪除冰功能。根據(jù)以上試驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：雙鋪層不銹鋼纖維導(dǎo)電混凝土具有低電阻率，使其適用于除冰的目的。鋼纖維在混凝土中的水平分布，能有效防止鋼纖維暴露的風(fēng)險(xiǎn)。不銹鋼纖維不易在表面形成鈍化膜，因此電阻率穩(wěn)定。通過(guò)不銹鋼纖維或石墨顆粒對(duì)混凝土基體進(jìn)行改性，進(jìn)一步降低混凝土的電阻率。由于隧道效應(yīng)和顆粒的小長(zhǎng)徑比，石墨顆粒比鋼纖維能更有效地降低電阻率。