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(jìn)行了試驗(yàn)，分析了齡期、摻量對碳纖維導(dǎo)電砂漿電阻率的影響機(jī)理，并得出碳纖維的上閾值點(diǎn)和下閾值點(diǎn)。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(yàn)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(jì)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(shí)際工程中。

陰極保護(hù)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(hù)。陰極保護(hù)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(hù)簡單、成本低的特點(diǎn)，在國內(nèi)各類建筑的氯離子腐蝕防護(hù)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(jìn)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(hù)電流不足而起不到保護(hù)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(bǔ)加固，因此研究的基體材料均采用修補(bǔ)砂漿。在修補(bǔ)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(hù)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(yàn)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(gè)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(jìn)行測試，并輔以鴻昌牌HC710型萬用表進(jìn)行校核。

試驗(yàn)結(jié)果

1、電阻率隨時(shí)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(shí)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(shí)，六組試塊的電阻率差距較小，而齡期為28天時(shí)，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(shí)的用水量相關(guān)，本文試驗(yàn)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(shí)，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(shí)，電阻率提高并不明顯；進(jìn)一步提高摻量，在體積分?jǐn)?shù)為0.2%～0.8%之間時(shí)，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(jìn)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(shí)，碳纖維之間彼此基本完全孤立，此時(shí)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(shí)，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(shí)，碳纖維間彼此連續(xù)，形成網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)砂漿的電阻率取決于導(dǎo)電組分的導(dǎo)電性。A1與A2兩點(diǎn)就是滲濾閾值，其中A1為上閾值點(diǎn)，A2為下閾值點(diǎn)。由圖3和圖4可以看出，上閾值點(diǎn)在0.2%附近，而下閾值點(diǎn)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(gè)犧牲陽極保護(hù)電流回路。這個(gè)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?yàn)椴粩嗟玫诫娮樱蚨娢唤档停@個(gè)過程就叫做極化。同時(shí)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(gè)犧牲陽極系統(tǒng)中產(chǎn)生足夠的保護(hù)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(jī)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(diǎn)時(shí)，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(shí)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(jìn)行傳導(dǎo)，因此此時(shí)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(diǎn)和下閾值點(diǎn)之間時(shí)，碳纖維彼此之間未完全聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)（如圖5（c））。此時(shí)電荷以離子的形式在砂漿基體中傳遞，在碰到碳纖維時(shí)，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(hù)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(shí)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(diǎn)的前提下，盡可能的降低砂漿的電阻率，從而提高保護(hù)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(diǎn)在0.8%附近。因此理想的碳纖維摻量應(yīng)在0.6%。此時(shí)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(hù)系統(tǒng)中電解質(zhì)的作用。

結(jié)論

砂漿電阻率隨著時(shí)間推移而變大，并隨著水化反應(yīng)的進(jìn)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(diǎn)（體積分?jǐn)?shù)0.2%左右）時(shí)，電阻率下降較小；當(dāng)摻量在上閾值點(diǎn)（體積分?jǐn)?shù)0.2%左右）和下閾值點(diǎn)（體積分?jǐn)?shù)0.8%左右）之間時(shí)，電阻率隨摻量增加而下降得較多；當(dāng)摻量超過下閾值點(diǎn)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(diǎn)與下閾值點(diǎn)之間，并盡量接近下閾值點(diǎn)以保證電阻率最小，根據(jù)本文試驗(yàn)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)）