導電混凝土的制備及其強度和除濕效果

許陽富,趙明哲,李浩然,李景松,韓東磊,高培偉

(1.江西贛粵高速公路股份有限公司,南昌 330025;2.中交第三公路工程有限公司，北京 101304; 3.南京航空航天大學土木工程系,南京 210016)

地下隧道混凝土工程長期處于潮濕環境中,普遍存在水汽凝結問題。水汽和溶解在水中的侵蝕性介質進入混凝土結構中,易引起混凝土中鋼筋發生腐蝕,從而導致混凝土開裂及其耐久性下降,這不僅降低了鋼筋混凝土結構的服役性能,嚴重時還會導致坍塌等事故[1-3]。有效降低結構內部濕度對緩解鋼筋腐蝕、提升地下工程結構耐久性和使用性能具有十分重要意義。

采用導電混凝土電熱除濕可控制地下鋼筋混凝土結構中的濕度,降低鋼筋銹蝕[4-6]。彭月飛等[5]研究了安全電壓下石墨基導電砂漿的除濕效果,發現含水量和通電時間會影響導電砂漿的除濕效率,但該試驗探究因素較少,也未建立系統的溫敏關系。王本臻等[7]研究了濕度和時間等對混凝土中氯離子擴散影響,發現混凝土的毛細吸附能力隨相對濕度降低而增強。RONG等[8-11]將導電材料用于地下混凝土結構,得到了良好的防滲效果,降低了地下工程內濕度,并通過自制電滲防潮試驗裝置模擬了脈沖下混凝土防潮過程,研究了不同脈沖電壓、離子含量及各混凝土配合比對滲水量的影響。結果發現,增大電壓、水灰比和硫酸鹽溶液含量,會使滲水量增加,改善混凝土除濕排水效果。

基于電滲理論提出的除濕防腐蝕方法可有效保持地下結構處于干燥狀態,同時保護鋼筋混凝土結構完整性,其作用原理是在地下工程墻體內側施加正電脈沖,通過引起陽離子和水分子沿毛細孔道逆水力梯度向墻外側方向遷移,實現除濕排水功能[12-13]。近幾年來,關于導電功能聚合物水泥基復合材料已有不少研究報道[14-17],但采用具有導電功能的聚合物水泥基復合材料進行除濕防腐蝕的研究報道不多。

本工作在混凝土中添加了導電填料,通過提高混泥土導電性能達到降低其濕度的目的,研究了聚合物含量和導電填料含量、灰砂比對砂漿混凝土力學性能和除濕效果的影響,以期為降低地下鋼筋混泥土結構濕度,防止鋼筋銹蝕開裂、提升地下工程結構耐久性提供借鑒。

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥為南京某有限公司生產的P·II42.5普通硅酸鹽水泥,性能符合GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求。聚合物為水性環氧樹脂和苯丙乳液,其中環氧樹脂和苯丙的固含量分別為50%和45%。導電填料為市購炭黑和碳纖維按一定比例混合的混合材料,碳纖維和炭黑的性能指標見表1和表2。

表1 碳纖維的物理性能Tab.1 Physical properties of carbon fibers

表2 炭黑的物理性能Tab.2 Physical properties of carbon black

1.2 試件制備和養護

將分散劑置于60 ℃水中攪拌使其充分溶解,接著在燒杯中加入導電填料,最后加入消泡劑,通過超聲波分散,得到導電填料分散液;將水泥及硅灰等材料干拌,然后加入分散液、減水劑和水,攪拌形成漿體,再將聚合物乳液加入漿體中拌勻,再依照不同時速攪拌規定的時間,得到導電聚合物復合砂漿,將砂漿分兩次均勻倒入模具中振動成型,然后在標準養護室養護1 d后拆模,得到導電聚合物復合混凝土試件,將試件移到標準養護室內養護到規定的齡期。試件成型期間,在距試件兩端10 mm處和距中心40 mm處預埋4片30 mm×50 mm銅片作為電極。試件中各組分的配比如表3所示。

表3 試件中各組分的配比Tab.3 Proportion of the components in samples

1.3 測試方法

參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》測試件的抗壓強度與抗折強度;采用四電極法測試件的電阻率,試驗裝置見圖1。

圖1 電阻率測試裝置Fig.1 Resistivity test device

采用電滲除濕法對試件進行除濕。試驗開始前,先將試件置于2.5%(質量分數)NaCl溶液中浸泡30 d使其完全飽和,擦去試件表面水分,稱量,記錄此時試件質量Q0;然后,將試件與電滲設備連接并放置在電子秤上,接通電源,電滲時間為3 h,每隔3 min記錄試件的實時質量Q,電流I,電壓U和溫度傳感器讀數T。最后,按式(1)計算除濕率H。

(1)

2 結果與討論

2.1 強度和導電性能

2.1.1 導電填料含量的影響

導電填料含量對試件強度與導電性能的影響如圖2所示。由圖2可見:當導電填料質量分數從0%(試件A1)升高至0.8%(試件A2)與1.2%(試件A3)時,試件的抗折強度分別提高了13.3%和28.3%, 抗壓強度分別提高了5.7%和15.2%,電阻率分別降低了83.6%和91.0%。由此可見,在相同條件下,隨導電填料含量的增加,試件強度逐漸提高,電阻率逐漸降低。

圖2 導電填料含量對試件強度和導電性能的影響Fig.2 Effects of conductive filler content on strength and conductivity of sample

因為碳纖維具有較好的延展性和抗拉強度,可有效改善導電混凝土的力學性能。從圖3試件斷面形貌可見,試件拉斷處碳纖維從水泥基體中拉出[18],碳纖維與水泥基體的結合力以及碳纖維本身的高強度特性能夠吸收斷裂能,起到增韌作用。導電填料含量越高,水泥與碳纖維間的結合力越大,拉斷纖維所需要的外部荷載也越大;同時隨導電填料含量增加,導電網絡會更加完整,從而進一步降低電阻率,提高試件的導電性能。

圖3 試件A3的斷面形貌Fig.3 Fracture morphology of sample A3

2.1.2 聚合物含量的影響

聚合物含量對試件強度和導電性能的影響如圖4所示。由圖4可見,當聚合物質量分數從0%(試件A4)提高到15%(試件A3),試件的抗壓強度降低了5.5%,電阻率降低了25.3%,抗折強度提高了18.5%。隨聚合物含量增加,試件的抗壓強度和電阻率均逐漸降低,但抗折強度逐漸提高。

圖4 聚合物含量對試件強度和導電性能的影響Fig.4 Effects of polymer content on strength and conductivity of sample

從圖5所示試件A3表面形貌中可見,聚合物在水泥水化時形成一層薄膜,當混凝土產生裂縫時,跨越裂縫的薄膜發揮了類似纖維的作用,抵抗裂縫擴展,顯著改善了混凝土的抗折強度[19],薄膜使導電填料和水泥基體能夠更有效地搭接,形成更加良好的導電網絡,降低電阻率,使試件的導電性能提高。

圖5 試件A3的表面形貌Fig.5 Surface morphology of sample A3

2.1.3 灰砂比的影響

對比試件A3和A5的強度和電阻率(表4)可見,試件A3的總體性能不及試件A5,尤其是電阻率。隨灰砂比從1∶3(試件A3)升高至1∶0(試件A5)時,抗壓強度提高了55%,抗折強度提高了23.4%, 電阻率降低了98.9%。這是因為砂阻隔了導電網絡的有效搭建,但隨著灰砂比提高,水泥用量逐漸增加,試件的黏結強度呈增大趨勢,抗折與抗壓強度也隨之提高。同時水泥用量的增加使試件更加密實,導電填料和水泥基體能更有效地搭接,因此導電性能提高。

表4 試件的性能參數Tab.4 Physical properties of samples

2.2 除濕效果

除濕試驗結果表明,經3 h除濕后,試件A1、A2、A3、A4、A5的除濕率分別為11.1%、17.3%、24.3%、 18.2%、33.5%。與試件A1相比,試件A2與A3的除濕率分別提高了55.5%和118.4%。可見,導電填料含量的增加對試件除濕率有明顯的促進作用。在飽水條件下,試件A3的除濕率較試件A4的除濕率提高了33%,這說明聚合物含量增加有助于提升試件的除濕率。試件A5的除濕率比試件A3的除濕率提高了37.9%,這說明提高灰砂比可提高試件的除濕效果。

圖6為試件的電阻率與除濕率的關系。由圖6可見:試件電阻率越高,除濕率越低,電阻率與除濕率呈明顯的負相關;同時隨電阻率增加,除濕率先迅速下降再趨于平緩。這說明試件內部水分在短時間內得到有效排除,且效率較普通砂漿大大提升,導電填料和聚合物對電滲除濕促進作用較大。其機理主要是通過降低試件電阻率,提升生熱性能和電滲能力[8],加快試件內分子在液相下遷移速率,從而提升除濕防腐蝕效果。

圖6 試件電阻率與除濕率的關系Fig.6 Relationship between resistivity and dehumidification rate for sample

3 結論

(1) 在混凝土中添加適宜的導電填料可提高混凝土的抗壓強度和抗折強度,降低其電阻率。

(2) 在混凝土中添加聚合物可降低混凝土的抗壓強度和電阻率,提高其抗折強度。

(3) 提高混凝土的灰砂比,混凝土的抗壓強度與抗折強度均得到提高,但電阻率降低。

(4) 在混凝土中添加1.2%(質量分數)導電填料,可使混泥土的除濕率較未添加導電填料時提升了33.6%,電阻率越低,除濕效率越好,導電材料除濕性能與其電阻率呈負相關。

(5) 導電填料和聚合物可通過降低材料電阻進一步改善材料除濕效率,高灰砂比混泥土的除濕效果明顯高于低灰砂比混泥土。