水泥基石墨钢纤维混凝土电热性能研究*

洪雷 龚龙

0 引言

水泥基钢纤维复合材料,又称钢纤维混凝土,是为改善混凝土脆性而生产的一种特种混凝土。根据其制备工艺可分为普通钢纤维混凝土和渗浇钢纤维混凝土。普通钢纤维混凝土是按普通混凝土的生产工艺,在搅拌过程中加入一定量的钢纤维经振捣成型而成,但由于在搅拌成型过程中,高掺量钢纤维会严重导致纤维离析、成团及混凝土含气量过大,实际钢纤维体积掺量很难超过2%。所谓的渗浇纤维混凝土(Slurry Infiltrated Fiber Concrete,简称SIFCON),即是将具有一定流动性的砂浆或净浆注入事先放置在模具中的纤维骨架中而成型的纤维混凝土。其钢纤维体积含量最高可达27%,一般为5%～20%,钢纤维长度可达30 mm～40mm[1]。

SIFCON材料的力学性能与普通混凝土相比有了极大的提高。SIFCON吸收能量的能力与普通混凝土相比相差三个数量级,抗拉强度可达普通混凝土抗压强度同一数量级。钢纤维体积含量8%的SIFCON,抗弯强度比普通混凝土抗弯强度高500%。

从20世纪80年代SIFCON的出现至今,研究主要集中在力学性能方面,而对其力学性能之外的电、磁、热等功能性性能的研究还未见报导。本文利用钢纤维和石墨作为导电相,采用渗浇成型工艺,成功的配制出了GSISFCON材料,并对GSISFCON的导电性能及通电升温性能进行了研究。结果表明,GSISFCON材料既具有普通SIFCON材料优良的力学性能,同时又具有良好的电、磁等多项功能性性能,该复合材料可广泛应用在高速公路坡段、机场跑道等处,冬季通电加热融雪除冰,建筑地面采暖,建筑物避雷设备,防磁地面,电阻器等方面,可大大延伸水泥基钢纤维复合材料的使用范围。

1 试验方法

1)原材料。见文献[2]。

2)试验装置。见文献[2]。

2 试验结果与分析

2.1 石墨掺量对复合材料电阻率的影响

单掺石墨的混凝土及砂浆材料的导电性能研究,国内已有许多报导,本文研究了钢纤维掺量为4%,6%,8%的GSISFCON材料,石墨不同掺量对电阻率的影响。其结果见图1。

从图1可见,三种不同钢纤维含量的GSISFCON材料的电阻率,随石墨掺量的增加,其电阻率下降,并且石墨掺量均存在明显的渗滤阈值。当石墨掺量超过6%时,GSISFCON电阻率均小于10Ω·cm。

2.2 GSISFCON升温性能分析

试验结果表明,试件通电后,随着温度的升高GSISFCON的电阻率均呈下降趋势,但下降的幅度并不明显(见图2)。图2中A,B,C分别代表钢纤维含量4%,6%,8%,石墨含量4.5%。

图3是试件的温升与时间的关系曲线,试件电压为10 V(电压降为66.66 V/m)。从图3可以看出,随通电时间的增加,试件的温升速度加快,GSISFCON的温升速度可达10℃/h左右。

3 结语

1)掺入石墨导电相后,GSISFCON材料的电阻率明显下降。当钢纤维掺量为4%,6%和8%时,石墨掺量超过6%左右,GSISFCON电阻率低于10Ω·cm。2)随着温度的增加,GSISFCON的电阻率随之降低,但降低的幅度很小。材料升温效果明显,在66.66 V/m电压降的绝热条件下,GSISFCON的温升速度可达10℃/h左右。3)GSISFCON材料优良的力学性能和良好的导电性能预示该复合材料应具有广阔的应用前景。

[1]赵国藩,黄承逵.纤维混凝土的研究与应用[M].北京:中国建筑工程出版社,2002:18-22.

[2]洪 雷,孙维才,黄园园.GSIFCON材料特性及对钢筋混凝土梁损伤监控试验研究[J].土木工程学报,2008,41(7):7-13.