基于离子导电的水泥基复合材料性能研究

发布时间：2020-03-20 23:12

【摘要】：传统的导电混凝土大多基于电子导电的原理,以钢纤维、碳纤维、石墨、炭黑等作为导电相材料,依靠混凝土内部自由电子的运动迁移形成导电。而传统导电相材料的一些固有缺陷极大地影响了其实际应用。不同于传统导电混凝土,离子导电砂浆基于离子导电的原理,利用电解质溶液中各种离子在外加电场作用下的定向移动而实现导电。离子导电砂浆的原材料廉价易得,制备工艺较简单,导电性能良好,具有良好的应用前景。在本课题组前期的研究基础上,本文围绕离子导电砂浆试件,从其导电原理出发,系统考察了引气剂和水灰比对离子导电砂浆力学性能、孔隙率、电阻率、微观形貌和宏观孔结构的影响;基于渗透原理,对离子导电砂浆的渗透方式做了对比和优化,并利用电化学工作站对砂浆试件开展了开路电位测试,对其渗透性能做了定性分析;同时利用电化学交流阻抗技术系统探究了试件孔隙率、电解质溶液浓度以及电解质溶液种类对砂浆试件交流阻抗特性的影响;基于上述大量试验,最后对砂浆试件的升温性能和密封材料进行了研究,为离子导电砂浆的实际应用奠定了基础。具体研究工作包括:(1)从离子导电砂浆的导电原理出发,孔隙率对砂浆试件渗透过程及最终的导电性能有至关重要的影响,本文系统考察了引气剂和水灰比两个因素对砂浆试件力学性能、孔隙率、宏观孔结构、微观形貌以及后期电阻率(导电性能)的影响。试验结果表明,改变水灰比和外掺引气剂均会对砂浆试件的导电性能产生影响。其中,当铝粉和SJ-2的掺量分别为水泥质量的0.075%和0.02%,水灰比为0.7时,试件在150 d龄期的电阻率仅为5.385Ω·m,导电性能在所有试件中最优。(2)渗透过程的有效性决定了离子导电砂浆的导电性。在前章系统优化了试件孔隙率和孔隙结构的前提下,从试件的渗透过程入手,对试件的渗透方式进行优化,以提高试件的渗透程度和渗透效率。本文综合对比了自然浸泡和真空渗透两种方式,结果表明,当试件处于真空状态中时,电解质溶液在压差梯度的作用下更多地渗入试件中,渗透的效率比自然状态下更高。并且,在真空渗透的条件下,试件电阻率的保持率要优于自然浸泡。另一方面,采用电化学工作站对试件渗透过程中开路电位的变化进行测试,以探明试件的渗透规律,研究表明,孔隙率越大,越有利于试件渗透;在一定范围内,电解质溶液的浓度越大,越有利于试件渗透并提高试件的导电性,但超过某个浓度值后,过大的浓度反而会对试件的导电性能产生不利影响。因此,在能满足离子导电砂浆相应的导电性能要求下,电解质溶液的浓度不宜过大。(3)本文创新性地利用电化学工作站对离子导电砂浆试件的交流阻抗谱特性进行了研究,以建立离子导电砂浆的电路模型。试验结果表明,随着砂浆试件孔隙率及渗透进砂浆试件电解质溶液浓度的增大,溶液电阻R_S和电荷传递电阻R_(ct)均呈减小趋势,界面电容CPE呈增大趋势;在渗透的三种不同种类的电解质溶液中,溶液电阻R_S和电荷传递电阻R_(ct)的大小关系是:CuSO_4CaCl_2NaCl,而界面电容CPE则呈相反趋势,NaCl最大,而CuSO_4最小。(4)本文对离子导电砂浆试件在不同电压类型和不同电压大小下的升温性能进行了研究,试验结果表明,在30V的较高电压下,试件的温度上升较高,也因此蒸发丧失了试件内部大量的电解质溶液,这对砂浆试件后期的导电性不利;而在10V的较低电压下,试件升温幅度较合理,电解质溶液的保持相对较理想,试件后期的导电性能也更优异。不同于交流电,砂浆试件在直流电的条件下存在极化效应,这将导致试件的电阻增大,导电性能减弱。因此,在对砂浆试件进行升温试验时,应选用较低的交流电压。而针对试件的密封材料,本文对不涂抹密封材料和分别涂抹环氧树脂AB胶和融化固体石蜡的试件进行密封效果对比,结果表明,密封材料对试件电阻率的保持至关重要,未涂抹任何密封材料的试件电阻率增长极快,而在环氧树脂AB胶和融化固体石蜡的对比中,则是融化的固体石蜡效果更佳。
【图文】：

导电混凝土,石墨粉,抗压强度,龄期

图 1-2 石墨粉导电混凝土抗压强度随龄期的变化[7]Fig. 1-2 Changes in compressive strength of graphite powder conductive concrete w）炭黑材料材料是以含碳原料经不完全燃烧而产生的微细粉末或颗粒。是一种重泛应用于各领域。炭黑的种类和用途很多，用于导电混凝土的炭黑主导电炭黑等。炭黑虽然在价格上比石墨低廉，但在成粒上也有很大难泥浆的胶结力，影响混凝土的强度。李滨等[8]在混凝土中加入炭黑制土，当探究炭黑体积掺量与抗压强度关系的时候，发现当炭黑体积掺随着掺量的增加而降低，当炭黑体积掺量达到 2.5%时，抗压强度从Pa 降到了 9 MPa 左右，，降低幅度较大，也限制了其在导电混凝土中的）钢渣具有良好的抗水性和抗冻性，因此，其非常适合应用在寒冷地区的混

混凝土电阻,碳纤维,养护龄期,复掺

1-3、图 1-3 所示。由表 1-3 可以明显看出，复掺 0.5%质量分数的碳电阻率急剧下降，到了 28 d 时，电阻率由 1.17×106Ω cm 降至 1708 数量级，可见复掺碳纤维后对混凝土的导电性能有了极大的提升。继 1-3 可以发现，当增大碳纤维的质量分数时，电阻率依然呈现出较明表明炭黑导电混凝土在复掺碳纤维后，电阻率随着碳纤维掺量的增加表 1-3 不同养护龄期下碳纤维炭黑导电混凝土电阻率[10]ble 1-3 Resistivity of conductive concrete with carbon fiber carbon black under differages维质量（%）电阻率（Ω cm）1d 3d 7d 14d 20 273000 306000 691000 767000 110.5 2764.8 2662.4 1840.6 1361.9 171 981.5 970.7 544.1 355.1 3
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU528

【参考文献】