CFRC路面材料的温敏性研究
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第!"卷第"期
!##$年"月武汉理工大学学报
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@AB@路面材料的温敏性研究C
唐祖全李卓球徐东亮
D武汉理工大学E
摘要F研究了按特定配比和工艺条件制作的碳纤维混凝土D@AB@E路面材料的电阻率与温度之间的关
系G表明碳纤维混凝土路面材料具有温敏性和温度自诊断特性G其电阻率随温度的升高而减小G随温度的降
低而增大H分析了@AB@路面材料温敏效应的机理H利用这一性质G可将碳纤维混凝土制作成温度传感器G用于特殊混凝土路面结构的温度自诊断检测I关键词F碳纤维混凝土H电阻率H温敏性H温度自诊断
中图法分类号FJK$K
收稿日期F!###L$!L$M:作者简介F唐祖全D$NONLEG男G博士生H武汉G武汉理工大学工程结构与力学系DK"##P#E:C国家自然科学基金项目资助D项目批准号FM##PQ#K!E:高速公路R机场跑道R桥面等混凝土基础设施在冬季除冰时G面临着钢筋锈蚀R冻害和环境侵蚀等三大问
题S$TI例如北美国家在冬季常采用化学方法D撒盐E来防止机场跑道等混凝土路面结冰G结果致使钢筋锈蚀加
剧G造成了巨大的经济损失I因此G研究新型功能混凝土及其在机场跑道等路面除冰方面的应用G具有十分重
要的意义I
碳纤维机敏混凝土是一种新型的多功能路面材料I在混凝土中加入适量的短切碳纤维G不但可以提高脆
性水泥基体的抗拉强度R降低干缩R提高韧性S!TG使其具有优良的物理力学性能G而且还具有电热R压敏等多
种功能S"UOTI将碳纤维机敏混凝土用于路面结构G利用其电热功能G可为路面进行自动除冰H利用其压敏功
能G可对路面的交通流量与车辆载荷进行监控SOTI
研究了按特定配比和工艺条件制作的碳纤维混凝土D@AB@E路面材料的电阻率与温度之间的关系G表
明@AB@路面材料具有温敏性G其电阻率随温度的升高而减小G随温度的降低而增大H利用这一性质G可将
碳纤维混凝土制作成温度传感器G用于机场跑道等混凝土路面结构的温度自诊断检测I
V实验
V:V试样制备
原材料FK!M号复合硅酸盐水泥R聚丙烯腈DWX;E基碳纤维G长度MYYG性能见表$G碳纤维掺量为水泥
重量的#:MZG水灰比#:"G并含有甲基纤维素等分散剂I
制备工艺F先将甲基纤维素溶于水G然后加入短切碳纤维搅拌均匀G再加入水泥用设定速度的搅拌机搅
拌均匀G最后倒入K[Y\K[Y\K[Y钢模G同时在两相对面预埋石墨布电极G用水泥胶砂振动台振动成型
后一天脱模G在室温水浴中养护!Q]G然后从水中拿出G置于室内干燥环境中G两天后进行测试I
表V碳纤维性能
项目单丝直径^_Y拉伸强度^‘a>拉伸模量^‘a>一束线电阻^bcYd$密度^ec[Yd"指标Pf#:!g$:NMg$PM"$#g$:PM
V:h测试
测试设备F温度计Hi‘!##"j台式干燥箱D提供恒温条件EH电阻测试仪D测量试块的体积电阻k件G然
万方数据
后由!"#$%&’得到试块的电阻率()
测试项目*
+,(试块由室温放入恒温干燥箱内’测试电阻率随时间的变化规律-
+.(将试块由恒温干燥箱内拿出’放在室温下’测试电阻率随时间的变化规律-
+/(升温和降温时’试块电阻率与温度之间的关系-
+0(测试同一天中不同温度时电阻率的变化规律)
1结果及讨论
图,表示将试块由室温.23放入453恒温干燥箱内’保持/6’以及在保温/6之后’再将试块从干燥
箱内拿出’放在室温下’试块体积电阻率随时间而变化的规律+以试块未放入干燥箱之前’室温.23时的电
阻率为基准!5(’图中绘出了升温和降温阶段电阻率与时间之间关系的拟合曲线)由图,可见’当碳纤维水泥
试块从较低的室温放入较高温度的干燥箱内’随着时间的增长’其电阻率经历了逐渐减小7保持不变和慢慢
增大的变化过程-当试块从干燥箱拿出’放在室温下’随着时间的增长’其电阻率先逐渐增大’最后趋于一恒
定值而保持不变)碳纤维水泥试块的这种现象’与其导电机理有关)
图,升7降温时相对电阻率8时间+!%!589(关系碳纤维水泥基复合材料的导电机理是*分散在基体中的导
电材料形成网络’并通过隧道效应连通网络间的绝缘而传导:2;)
碳纤维属于过渡形式碳’其微观结构类似于石墨)由苯环稠合组
成平面网’构成一个无限大的
网的大
绝缘的水泥基体阻隔’形成势垒)当碳纤维水泥试块的温度升高
时’由于升温使电子受热激发而获得能量’使更多电子能克服水
泥基体阻隔形成的势垒’导致电阻率下降)反之’当温度下降时’
其电阻率增大)
因此’当将碳纤维水泥试块放入较高温度的干燥箱内时’随
着时间的延长’试块的温度逐渐升高’其电阻率减小)在试块放
入干燥箱内的初期’试块本身的温度较低’与周围环境+干燥箱(
的温差最大’试块升温速度最快’因此电阻率迅速减小-随着时
间的延长’试块与周围环境的温差逐步缩小’升温速度逐渐减
慢’试块电阻率降低的幅度也越来越小-当试块温度与周围环境
温度相同时’试块温度不再升高’电阻率保持不变-对于最后出
现的电阻率随时间增长而慢慢增大的现象’通过称量试块在升
温前后的重量’发现试块在升温之后’其重量平均减少了5=0/>’因此分析认为产生这种现象的原因是由于
水泥石中的水蒸发所引起)
对于在常温下硬化的水泥石’通常是由未水化的水泥熟料颗粒7水化水泥7水和少量的空气以及由水和
空气占有的空隙网所组成)因此’从结构上看’水泥基复合材料是由固相7液相和气相组成的三相多孔体:?;)
在液相的水中含有@A.B’CDE’FAB’GB等离子:H;’在外加电场作用下’离子将产生定向移动’从而产生导电
作用)因此’在碳纤维水泥基复合材料中也存在着离子导电机制)水泥石中的水以吸附水7结晶水和化合水
三种形态存在:?;)结晶水以中性水分子D.C的形态存在’但是它参与水化物的晶格’有固定的配位位置-化
合水也称为结构水’它并不是真正的水分子’而是以CDE离子的形式参与组成水化物的结晶结构’并且有固
定的配位位置和确定的含量比)结晶水和化合水由于与晶格结合较牢固’因此需要较高的温度才能使它从水
化物中脱去)但吸附水不参与组成水化物的结晶结构’而是在分子力或表面张力的作用下被吸附于固体粒子
的表面或孔隙之中’以中性水分子D.C的形态存在’可以随着湿度7温度7应力的变化而产生变化)当碳纤维
水泥试块的温度升高时’水泥石中的吸附水逐步蒸发’离子的导电作用减弱’使试块电阻率增大)
当把碳纤维水泥试块从干燥箱内拿出’放在室温环境中’试块的温度逐渐降低’电阻率增大’电阻率的增
长速度也是先快后慢-随着时间的增长’当试块温度与室内环境温度相同时’电阻率保持恒定而不再发生变I武汉理工大学学报.55,年/月
万方数据
化!
图"升降温时温度#时间$%#&’曲线图(升降温时电阻率#温度$)*)+#%’关系
将碳纤维水泥试块置于干燥箱内,按图"所示升降温程序对试块进行升降温处理,即每升温或降温-
.,保持/-012!测得试块的电阻率与温度之间的关系如图(所示3试块的电阻率在温度升高时减小,在温
度降低时增大4试块在经过升降温处理之后,其电阻率略有增大!另外,由图5也可得到同样的结论,即当试
块经过升温之后,再降至室温时,其电阻率比升温之前的大!文献65+7认为是由于材料热退化所引起,根据前
面的分析,我们认为这也是由于水泥石中水蒸发的结果!
表"所示为在同一天中,不同室温条件下89:8试块体积电阻率的变化情况!由表"可见,随着室温的
升高,试块的体积电阻率降低,且降低幅度较大,表明89:8路面材料具有温敏性,其电阻率能反映环境温
度的变化,当环境温度改变时,89:8的电阻率随之发生相应的改变!利用这一性质,可将89:8制作成温度
传感器,用于机场跑道等混凝土路面结构的温度自诊断检测!
表;不同温度条件下89:8试块的电阻率$)*)<’
温度*.试块编号
5"(/-=
">555555(/+?=(/+?=-(+?>+/+?=-=+?>>/+?>5//++?-"5+?-"5+?-+@+?/>@+?-A(+?-55
注3B+为">.的电阻率4B为其它温度时的电阻率!
C结论
$5’按特定配比和工艺条件制作的碳纤维混凝土路面材料具有温敏性!其电阻率随温度的升高而减小,
随温度的降低而增大4电阻率对温度的变化具有较强的敏感性!
$"’利用碳纤维混凝土路面材料的温敏性,可将其制作成温度传感器,用于机场跑道等混凝土路面结构
的温度自诊断检测!
参考文献
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$下转第55页’>第"(卷第(期唐祖全等389:8路面材料的温敏性研究
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