雙鋪層不銹鋼纖維導電砼性能試驗及應用研究

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

  除冰技術(shù)是道路工程和材料科學領(lǐng)域的一個重要的研究方向，通過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，使用化學融雪劑或鹽操作較為簡單且成本低，故常被用于道路除冰。然而，這些化學品和鹽通常會導致混凝土結(jié)構(gòu)性能的劣化。因此，尋找新的技術(shù)來取代傳統(tǒng)的除冰鹽在過去的十年中迅速發(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電材料，如果加入鋼纖維或石墨，材料的導電性能將大大增強。當混凝土道路被充上交流電或直流電時，其表面上的積雪或冰層會因為熱量的增加而融化。此除冰系統(tǒng)不會中斷交通的連續(xù)運行，另外，鋼纖維作為增強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)計研發(fā)出一種新型的雙層不銹鋼纖維導電混凝土，并開展了不同條件下雙層不銹鋼纖維混凝土試件導電性能測試。

  導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)性能見表，用于制備導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)。其硅灰中無定形二氧化硅重量占89％。石英砂的細度模數(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水。溫升試驗在室溫25℃下進行。測試系統(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。當基體混凝土摻加導電材料時，雙鋪層不銹鋼纖維混凝土電阻率相對于普通混凝土有一個數(shù)量級的降低。在沒有導電相摻入到混凝土基體中時，其電阻率隨著齡期穩(wěn)步增加。導電材料為不銹鋼纖維時，“峰值”在21天左右時達到，而導電材料為石墨時，混凝土電阻率在7天時就達到“峰值”。最好的導電性能在中實現(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)果可以通過導電模型來解釋。雙鋪層不銹鋼纖維導電混凝土的導電網(wǎng)絡(luò)模型見圖，基體混凝土中未摻加導電集料時，體系的導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)加入導電集料（不銹鋼纖維與石墨）后，這些導電材料在部分連續(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電網(wǎng)絡(luò)成為連續(xù)貫通的導電鏈，導電通路形成，電阻率明顯降低；對于混凝土基體相的導電，主要有兩種方式：一種是通過自由的可蒸發(fā)水的離子導電，即通過水泥石孔隙溶液中的等離子在外加電場作用下產(chǎn)生的定向移動實現(xiàn)導電，這種導電方式與液相中離子的濃度、種類及溫度有關(guān)；另一種是通過凝膠、凝膠水和未反應的水泥顆粒的電子導電，主要有鐵、鋁及鈣的化合物；而在復合導電混凝土中，除了上述兩種導電方式外，還存在導電材料間的電子導電。

  在試驗初期，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，材料的導電主要由離子導電完成，隨著齡期增長、水化反應的進行，基體內(nèi)的液相逐漸減少，離子導電能力減弱，使得電阻率呈現(xiàn)出隨齡期增長的趨勢，并在某一齡期時達到“峰值”。此后，導電混凝土材料的導電能力主要由導電材料來承擔，隨著齡期的增長，基體內(nèi)部逐漸密實，導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，此過程伴隨著電阻率值的逐漸穩(wěn)定。但是對于摻加石墨的基體，由于石墨長徑比遠小于不銹鋼纖維，單位體積內(nèi)石墨的數(shù)量較多，隨著齡期增長，基體逐漸密實，石墨之間有更多的接觸，形成較多的導電短鏈，因此所對應的“峰值”到來的更早。

  待56天導電混凝土的電阻率達到穩(wěn)定狀態(tài)后，在基體中分別摻加了不銹鋼纖維和石墨導電相材料的雙鋪層不銹鋼纖維導電混凝土，進行不同外加電壓下電阻率的變化試驗測試。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，對于雙鋪層不銹鋼纖維導電混凝土，當基體中摻加不銹鋼纖維與石墨時，電阻率隨電壓的變化曲線有相同的走勢，主要特征是電壓值達到某一臨界上限后，電阻率急劇減小，而在某一臨界下限時達到最小值，其后變化微弱。對于不銹鋼纖維基體。上述現(xiàn)象是電場發(fā)射電流作用的結(jié)果。雙鋪層不銹鋼纖維導電混凝土作為一種導電復合材料，是通過在絕緣體系中添加導電材料（不銹鋼纖維、石墨）而產(chǎn)生導電行為，除了形成連通的導電網(wǎng)絡(luò)提供導電外，還存在部分導電材料被絕緣相隔開，相互不接觸，之間存在著一定的勢壘，只有克服彼此間的勢壘障礙才能相互發(fā)生作用進行導電。當兩極施加電壓達到一定程度后，每個導電粒子形成一個獨立的電場發(fā)射點，它們通過相互間發(fā)射電場聯(lián)系形成電流。彼此分離的兩個導電材料與介于其間的絕緣相構(gòu)成一個電容器，通電開始后電容器逐漸充電，但由于中間絕緣介質(zhì)的阻隔，并不導電，當施加電壓增大到某一“突破電壓”時電容被擊穿，電容器變?yōu)閷w，電流急劇增大，電阻率急劇減小。

  分離的導電相不能直接導電，因為它們之間的勢壘阻止電子遷移通過。當石墨顆粒的溫度到達一定程度時，內(nèi)部電子會獲得額外的能量，從而使大量高能電子能通過表面勢壘和逃逸。這種現(xiàn)象稱為熱電子發(fā)射。兩個石墨顆粒之間盡管沒有直接接觸，隧道效應使得電子也能在它們之間轉(zhuǎn)移。當金屬中的電子加熱到蒸發(fā)點時，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，隧道效應對不銹鋼纖維的影響是微弱的，可以忽略不計。溫度升高對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，除冰試驗完成所需要的時間僅僅延長了20分鐘，成倍增厚的冰層并沒有顯著增加除冰時間，這進一步說明導電混凝土試件表面的冰層融化所需能量僅僅占整個除冰過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程中消耗的。

  所需時間及能量消耗列于表中，結(jié)合表與上述除冰試驗結(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，因此在實際工程應用中，加大輸出功率是有利的；環(huán)境溫度是影響除冰過程的關(guān)鍵因素，降低環(huán)境溫度會顯著地延長除冰時間，并消耗更多的能量；冰層厚度對除冰過程的影響最小，冰層的融化能耗占整個除冰過程能耗的比例很小。以不銹鋼纖維和石墨為導電相材料，制成的雙鋪層不銹鋼纖維導電混凝土具有良好的融雪除冰功能。根據(jù)以上試驗可以得到以下結(jié)論：雙鋪層不銹鋼纖維導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險。不銹鋼纖維不易在表面形成鈍化膜，因此電阻率穩(wěn)定。通過不銹鋼纖維或石墨顆粒對混凝土基體進行改性，進一步降低混凝土的電阻率。由于隧道效應和顆粒的小長徑比，石墨顆粒比鋼纖維能更有效地降低電阻率。