納米碳纖維增強(qiáng)混凝土的介電特性

王志航 許金余 吳云泉 黃哲 任彪 聶良學(xué)

摘 要：為研究納米碳纖維增強(qiáng)混凝土的介電特性，發(fā)現(xiàn)納米碳纖維增強(qiáng)混凝土對電磁波的反射與損耗規(guī)律，采用波導(dǎo)法測試?yán)w維摻量為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%的納米碳纖維增強(qiáng)混凝土在1.7～2.6 GHz頻率范圍內(nèi)的介電常數(shù)。分別從相對復(fù)介電常數(shù)實(shí)部、相對復(fù)介電常數(shù)虛部、損耗角正切等方面分析了纖維摻量、頻率對納米碳纖維增強(qiáng)混凝土介電特性的影響，并對比分析0.3%纖維摻量下納米碳纖維和普通碳纖維對混凝土材料介電特性的影響。結(jié)果表明：納米碳纖維的摻加提高了混凝土材料相對復(fù)介電常數(shù)實(shí)部和虛部、損耗角正切，增強(qiáng)了混凝土材料對電磁波的損耗能力;纖維摻量越大，納米碳纖維增強(qiáng)混凝土介電特性越強(qiáng)，對電磁波的損耗能力越大;納米碳纖維對混凝土材料介電特性的提高效果強(qiáng)于碳纖維。

關(guān)鍵詞：納米碳纖維;混凝土;介電常數(shù);電磁波損耗

中圖分類號：TU528.572 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號：2096-6717（2022）01-0134-08

收稿日期：2020-06-21

基金項目：國家自然科學(xué)基金（51208507、51378497）

作者簡介：王志航（1996- ），男，主要從事混凝土防護(hù)結(jié)構(gòu)研究，E-mail：wangzhihangafeu@163.com。

許金余（通信作者），男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：xujinyuafeua@163.com。

Abstract： In order to study the dielectric properties of nano-carbon fiber-reinforced concrete， and find the law of reflection and loss of nano-carbon fiber-reinforced concrete to electromagnetic waves， the waveguide method was used to test the dielectric properties of nano-carbon fiber reinforced concrete with a fiber content of 0， 0.1%， 0.2%， 0.3%， 0.5% in the frequency range of 1.7 GHz to 2.6 GHz constant. The effects of fiber content and frequency on the dielectric properties of nano-carbon fiber-reinforced concrete were analyzed from the aspects of relative dielectric constant real part， imaginary part and loss tangent.At the same time， the effects of nano-carbon fiber and ordinary carbon fiber on the dielectric properties of concrete materials with 0.3% fiber content were compared and analyzed. The test results show that： nano-carbon fiber can increase the real part and imaginary part of the complex dielectric constant and loss tangent of the concrete material， and enhance the loss ability of the concrete material to electromagnetic waves; the greater the amount of nano-carbon fiber， the stronger the dielectric properties of nano-carbon fiber-reinforced concrete and the greater the loss of electromagnetic waves; the effect of nano-carbon fibers on the improvement of the dielectric properties of concrete materials is stronger than carbon fibers.

Keywords：nano-carbon fiber; concrete; dielectric constant; loss of electromagnetic wave

混凝土材料的介電常數(shù)[1-2]是分析其對電磁波反應(yīng)的一個重要參數(shù)，再結(jié)合電磁波傳播理論，形成了混凝土結(jié)構(gòu)的無損檢測技術(shù)，并且該技術(shù)正在逐漸取代傳統(tǒng)鉆孔取芯對混凝土結(jié)構(gòu)檢測的方法。目前電磁無損檢測技術(shù)主要包括探地雷達(dá)法（Ground Penetrating Radar，GPR）、時域反射法（Time Domain Reflectometry，TDR）和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀法（Vector Network Analyzer，VNA），基本原理為：發(fā)射天線向被測介質(zhì)發(fā)射電磁波后，電磁波在介質(zhì)表面發(fā)生反射，同時傳入介質(zhì)內(nèi)部的電磁波也會發(fā)生多次反射，然后分析接收天線收到的各類發(fā)射波信號，或者測定被測介質(zhì)的介電常數(shù)，進(jìn)而對介質(zhì)內(nèi)部的物理性質(zhì)進(jìn)行分析[3]。由此可見，對混凝土材料介電常數(shù)的分析不僅可以深入地探討其對電磁波的反射和損耗規(guī)律[4-5]，還可為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量監(jiān)控及后期的損傷檢測提供參考依據(jù)，具有十分重要的理論價值和工程意義。

納米碳纖維增強(qiáng)混凝土是以普通混凝土為基材，以納米碳纖維為增強(qiáng)材料制成的性能良好的復(fù)合型材料。同普通混凝土相比，納米碳纖維增強(qiáng)混凝土不僅力學(xué)性能[6-8]和耐久性[9-10]有明顯改善，而且電磁性能[11-12]也有大幅提升。目前，學(xué)者們針對納米碳纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能及電阻、壓敏等電學(xué)特性[13-15]做了大量研究工作，但針對納米碳纖維增強(qiáng)混凝土介電特性的研究鮮有報道。鑒于此，筆者采用波導(dǎo)法，測試了不同纖維摻量下的納米碳纖維增強(qiáng)混凝土在1.7～2.6 GHz頻率范圍內(nèi)的介電常數(shù)，通過分析相對復(fù)介電常數(shù)實(shí)部、相對復(fù)介電常數(shù)虛部、損耗角正切與電磁場頻率、纖維摻量的關(guān)系，研究了不同頻率、不同纖維摻量對納米碳纖維增強(qiáng)混凝土介電特性的影響。另外，以0.3%纖維摻量為例，對比分析了納米碳纖維和普通碳纖維對混凝土材料介電特性的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

制備納米碳纖維增強(qiáng)混凝土的原材料為：水泥、碎石、砂、添加劑（減水劑、消泡劑）、水和納米碳纖維。水泥：陜西秦嶺水泥集團(tuán)生產(chǎn)的P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)組成和物理性能如表1和表2所示;砂：產(chǎn)自灞河的潔凈中砂，級配良好，細(xì)度模數(shù)為2.8，整體含泥量1.1%，容重為2 630 kg/m3，堆積密度為1 500 kg/m3;碎石：石灰?guī)r碎石，粒徑5～20 mm，整體含泥量0.2%，容重為2 700 kg/m3，堆積密度為1 620 kg/m3;減水劑：陜西浩宇混凝土外加劑有限公司生產(chǎn)的JKPCA-02型FDN高效減水劑;消泡劑：陜西藍(lán)鑫化工有限公司生產(chǎn)的磷酸三丁酯消泡劑;水：采用符合檢測標(biāo)準(zhǔn)的自來水;納米碳纖維：北京德克島金科技有限公司生產(chǎn)的納米碳纖維（如圖1所示），其主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

圖4為配合波導(dǎo)法使用的測試夾具，該設(shè)備為混凝土相對復(fù)介電常數(shù)測試專用夾具，可選擇的頻率范圍為1.7～2.6 GHz，在該頻率范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)試件的連續(xù)掃描測試。試件填充于夾具內(nèi)部的情況如圖5所示，圖6為實(shí)測圖。

試驗(yàn)采用波導(dǎo)法測試各組納米碳纖維增強(qiáng)混凝土試件的相對復(fù)介電常數(shù)，測試的頻率范圍為1.7～2.6 GHz，測試前需先對設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)和精度檢驗(yàn)，同一批次的測試只需校準(zhǔn)一次即可。

2 結(jié)果與分析

2.1 相對復(fù)介電常數(shù)

相對復(fù)介電常數(shù)是描述材料極化性質(zhì)（介電特性）的表征參量，反映了材料在電磁場作用下的極化能力。在外加電磁場作用下，由于介質(zhì)的極化速度與外電磁場無法瞬時同步，因此介質(zhì)的介電常數(shù)ε包含有實(shí)部ε′和虛部ε″兩部分，ε′體現(xiàn)了介質(zhì)對電磁能量的存儲和釋放能力，而ε″則體現(xiàn)介質(zhì)對電磁能量的耗散能力。

普通混凝土和納米碳纖維增強(qiáng)混凝土試件在1.7～2.6 GHz頻率范圍內(nèi)的相對復(fù)介電常數(shù)測試結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，在1.7～2.6 GHz頻率范圍內(nèi)，普通混凝土和各組納米碳纖維增強(qiáng)混凝土試件的相對復(fù)介電常數(shù)受電磁場頻率的影響較小;整體上，相對復(fù)介電常數(shù)實(shí)部ε′遠(yuǎn)大于相對復(fù)介電常數(shù)虛部ε″，表明普通混凝土和納米碳纖維增強(qiáng)混凝土材料對電磁能量的存儲和釋放能力遠(yuǎn)大于損耗能力;納米碳纖維增強(qiáng)混凝土的相對復(fù)介電常數(shù)實(shí)部與虛部都比普通混凝土的相對復(fù)介電常數(shù)實(shí)部與虛部大，表明納米碳纖維的摻加提高了混凝土材料對電磁能量的存儲、釋放和損耗能力。納米碳纖維具有大比表面積、較高的導(dǎo)電性及介電常數(shù)，將其與混凝土材料復(fù)合，能夠增加混凝土材料對電磁波的反射和損耗，從而增強(qiáng)混凝土材料的介電特性。

2.2 相對復(fù)介電常數(shù)實(shí)部

相對復(fù)介電常數(shù)實(shí)部ε′表征介質(zhì)對電磁能量的存儲和釋放能力。普通混凝土和納米碳纖維增強(qiáng)混凝土試件相對復(fù)介電常數(shù)實(shí)部ε′隨電磁場頻率的變化規(guī)律如圖8所示。從圖中可以看出，在1.7～2.6 GHz頻率范圍內(nèi)，納米碳纖維增強(qiáng)混凝土試件的相對復(fù)介電常數(shù)實(shí)部遠(yuǎn)大于普通混凝土試件，說明納米碳纖維的摻入使混凝土相對復(fù)介電常數(shù)實(shí)部的值得到了大幅提升，納米碳纖維可以有效改善混凝土材料對電磁能量的存儲與釋放能力;隨著納米碳纖維摻量的增加，納米碳纖維增強(qiáng)混凝土試件的相對復(fù)介電常數(shù)實(shí)部不斷增大，即納米碳纖維增強(qiáng)混凝土對電磁能量的存儲與釋放能力隨著納米碳纖維含量的增加而不斷增強(qiáng);隨著電磁場頻率的增大，納米碳纖維增強(qiáng)混凝土試件相對復(fù)介電常數(shù)實(shí)部呈現(xiàn)出先基本平緩，隨后略有降低，最后顯著升高的趨勢。隨著頻率的增加，由于極化的慣性或滯后性，以至在不同頻率電磁場中極化來不及響應(yīng)電磁場的變化而出現(xiàn)頻響效應(yīng)，從而導(dǎo)致相對復(fù)介電常數(shù)實(shí)部出現(xiàn)先降低后升高的現(xiàn)象。

2.3 相對復(fù)介電常數(shù)虛部

相對復(fù)介電常數(shù)虛部ε″表征介質(zhì)對電磁能量的損耗能力，介質(zhì)內(nèi)部由于外電場的施加導(dǎo)致大量的束縛電荷發(fā)生移動，從而發(fā)生摩擦，產(chǎn)生熱量，進(jìn)而損耗電磁能量。普通混凝土和納米碳纖維增強(qiáng)混凝土試件相對復(fù)介電常數(shù)虛部ε″隨電磁場頻率的變化規(guī)律如圖9所示，其變化規(guī)律基本與相對復(fù)介電常數(shù)實(shí)部變化規(guī)律一致。從圖中可以看出，在1.7 ～2.6 GHz頻率范圍內(nèi)，納米碳纖維增強(qiáng)混凝土試件的相對復(fù)介電常數(shù)虛部遠(yuǎn)大于普通混凝土試件;隨著納米碳纖維摻量的增加，納米碳纖維增強(qiáng)混凝土試件的相對復(fù)介電常數(shù)虛部不斷增大;納米碳纖維可以提高混凝土材料對電磁能量的損耗能力，且納米碳纖維摻量越大，提高效果越明顯。

2.5 與碳纖維的對比分析

通過以上各指標(biāo)的分析可知，摻入納米碳纖維能增大混凝土材料的相對復(fù)介電常數(shù)實(shí)部、相對復(fù)介電常數(shù)虛部和損耗角正切，對混凝土材料存儲、釋放、損耗電磁能量的能力具有明顯的增強(qiáng)效果。以0.3%纖維摻量為例，對比分析納米碳纖維和普通3 mm短切碳纖維對混凝土材料介電特性的影響。碳纖維增強(qiáng)混凝土的制備、試驗(yàn)條件等與CNFC03組納米碳纖維增強(qiáng)混凝土一致。

碳纖維和納米碳纖維對相對復(fù)介電常數(shù)實(shí)部ε′、相對復(fù)介電常數(shù)虛部ε″的影響規(guī)律對比如圖11和圖12所示。從圖中可以看出，0.3%的纖維摻量下，碳纖維和納米碳纖維都能夠提高混凝土材料的相對復(fù)介電常數(shù)實(shí)部、相對復(fù)介電常數(shù)虛部;且納米碳纖維的增強(qiáng)效果顯著高于碳纖維。碳纖維增強(qiáng)混凝土試件的相對復(fù)介電常數(shù)實(shí)部和相對復(fù)介電常數(shù)虛部隨著電磁場頻率的增大而減小，其對高頻波的存儲和釋放能力逐漸減弱。在不同頻率的外加電磁場作用下，納米碳纖維和普通碳纖維的頻散效應(yīng)[16]不同，導(dǎo)致了納米碳纖維增強(qiáng)混凝土和碳纖維增強(qiáng)混凝土的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部、虛部隨頻率變化規(guī)律的不同。

碳纖維和納米碳纖維對損耗角正切tan δe的影響規(guī)律對比如圖13所示。從圖中可以看出，碳纖維的摻加也能提高混凝土材料的損耗角正切，且提升效果較好，但仍不及納米碳纖維對混凝土材料損耗角正切的提高。與碳纖維相比，納米碳纖維還具有尺寸小、比表面積大等納米材料的特性，這使得納米碳纖維增強(qiáng)混凝土介電特性優(yōu)于碳纖維增強(qiáng)混凝土。

2.6 分析討論

納米碳纖維不僅具備碳系材料的諸多優(yōu)異性質(zhì)，同時也具備納米材料的量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、表面界面效應(yīng)等性質(zhì)，是一種應(yīng)用前景廣闊的介電損耗型吸收材料。將納米碳纖維摻入混凝土材料內(nèi)部，制備納米碳纖維增強(qiáng)混凝土，形成納米碳纖維/混凝土復(fù)合材料，能夠充分利用納米碳纖維的優(yōu)異性能，提高混凝土材料的相對復(fù)介電常數(shù)實(shí)部和虛部，增強(qiáng)混凝土材料的極化能力和對電磁能量的損耗能力。

納米碳纖維提高混凝土材料介電特性可以從兩方面分析。一方面，納米碳纖維是一種電阻率很低的材料，能賦予水泥基材料優(yōu)異的導(dǎo)電性能，摻入混凝土材料內(nèi)部后，混凝土材料的導(dǎo)電性有所增強(qiáng)，從而促進(jìn)了混凝土材料內(nèi)部偶極子的極化運(yùn)動，提升了其對電磁能量的轉(zhuǎn)化能力，進(jìn)而提高了混凝土材料的相對復(fù)介電常數(shù)。納米碳纖維材料屬于活性納米材料，對偶極子極化的促進(jìn)作用強(qiáng)于碳纖維材料，因而使混凝土材料具有更高的相對復(fù)介電常數(shù)。另一方面，在摻有納米碳纖維的混凝土材料中，可以把納米碳纖維看作偶極子，納米碳纖維偶極子在電磁場的作用下也會發(fā)生極化運(yùn)動。摻入納米碳纖維后，混凝土材料內(nèi)部偶極子增多，極化能力增強(qiáng)，從而提高了納米碳纖維增強(qiáng)混凝土的介電特性。

3 結(jié)論

1）在1.7～2.6 GHz頻率范圍內(nèi)，納米碳纖維增強(qiáng)混凝土相對復(fù)介電常數(shù)實(shí)部大于相對復(fù)介電常數(shù)虛部。

2）在1.7 ～2.6 GHz頻率范圍內(nèi)，納米碳纖維增強(qiáng)混凝土相對復(fù)介電常數(shù)實(shí)部呈現(xiàn)出先基本平緩，隨后略有降低，最后顯著升高的趨勢。纖維摻量越大，納米碳纖維增強(qiáng)混凝土相對復(fù)介電常數(shù)實(shí)部越大。

3）隨著納米碳纖維摻量的增加，納米碳纖維增強(qiáng)混凝土相對復(fù)介電常數(shù)虛部、損耗角正切不斷增大，其對電磁波的損耗能力越強(qiáng)。

4）納米碳纖維對混凝土材料相對復(fù)介電常數(shù)的提升強(qiáng)于碳纖維。參考文獻(xiàn)：

[1] 王子敬. 瀝青混合料介電常數(shù)影響因素研究[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2016， 35（2）： 45-49.

WANG Z J. Research of the influential factors of asphalt mixture permittivity [J]. Journal of Chongqing Jiaotong University （Natural Sciences）， 2016， 35（2）： 45-49. （in Chinese）

[2] 孟美麗. 基于頻率和溫度的混凝土與瀝青混合料介電模型研究[D]. 鄭州： 鄭州大學(xué)， 2014.

MENG M L. Research on dielectric model of concrete and asphalt mixture based on frequency and temperature[D]. Zhengzhou： Zhengzhou University， 2014. （in Chinese）

[3] 鐘順時. 電磁場與波 [M]. 2版. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2015.

ZHONG S S. Electromagnetic fields and waves [M]. 2nd Edition. Beijing： Tsinghua University Press， 2015. （in Chinese）

[4] ?OZTURK M， AKGOL O， SEVIM U K， et al. Experimental work on mechanical， electromagnetic and microwave shielding effectiveness properties of mortar containing electric arc furnace slag [J]. Construction and Building Materials， 2018， 165： 58-63.

[5] ?MAZZOLI A， CORINALDESI V， DONNINI J， et al. Effect of graphene oxide and metallic fibers on the electromagnetic shielding effect of engineered cementitious composites [J]. Journal of Building Engineering， 2018， 18： 33-39.

[6] ?LUDVIG P， CALIXTO J M， LADEIRA L O， et al. Analysis of cementitious composites prepared with carbon nanotubes and nanofibers synthesized directly on clinker and silica fume [J]. Journal of Materials in Civil Engineering， 2017， 29（6）： 06017001.

[7] ?MENG W N， KHAYAT K H. Effect of graphite nanoplatelets and carbon nanofibers on rheology， hydration， shrinkage， mechanical properties， and microstructure of UHPC [J]. Cement and Concrete Research， 2018， 105： 64-71.

[8] ?ZHU X Y， GAO Y， DAI Z W， et al. Effect of interfacial transition zone on the Youngs modulus of carbon nanofiber reinforced cement concrete [J]. Cement and Concrete Research， 2018， 107： 49-63.

[9] 王騰蛟， 許金余， 彭光， 等. 納米碳纖維增強(qiáng)混凝土耐久性試驗(yàn)[J]. 功能材料， 2019， 50（11）： 11114-11121.

WANG T J， XU J Y， PENG G， et al. Durability test of carbon nanofiber reinforced concrete [J]. Journal of Functional Materials， 2019， 50（11）： 11114-11121.（in Chinese）

[10] 孟博旭， 許金余， 彭光. 納米碳纖維增強(qiáng)混凝土抗凍性能試驗(yàn)[J]. 復(fù)合材料學(xué)報， 2019， 36（10）： 2458-2468.

MENG B X， XU J Y， PENG G. Anti-freeze performance test of nano carbon fiber reinforced concrete [J]. Acta Materiae Compositae Sinica， 2019， 36（10）： 2458-2468. （in Chinese）

[11] ?MICHELI D， PASTORE R， VRICELLA A， et al. Electromagnetic characterization and shielding effectiveness of concrete composite reinforced with carbon nanotubes in the mobile phones frequency band [J]. Materials Science and Engineering： B， 2014， 188： 119-129.

[12] ?MICHELI D， VRICELLA A， PASTORE R， et al. Electromagnetic properties of carbon nanotube reinforced concrete composites for frequency selective shielding structures [J]. Construction and Building Materials， 2017， 131： 267-277.

[13] 汪暉. 環(huán)境條件對納米碳纖維水泥基材料壓阻性能的影響[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2017.

WANG H. Effect of environmental conditions on the piezoresistive properties of nano-carbon fiber cement-based materials[D]. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2017. （in Chinese）

[14] ?WANG H， GAO X J， WANG R. The influence of rheological parameters of cement paste on the dispersion of carbon nanofibers and self-sensing performance [J]. Construction and Building Materials， 2017， 134： 673-683.

[15] ?WANG H， GAO X J， LIU J Z， et al. Multi-functional properties of carbon nanofiber reinforced reactive powder concrete [J]. Construction and Building Materials， 2018， 187： 699-707.

[16] 李寶毅， 張換換， 王東紅， 等. 氧化處理對碳纖維表面碳納米管修飾效果及其電磁性能的影響研究[J]. 功能材料， 2018， 49（10）： 10075-10079.

LI B Y， ZHANG H H， WANG D H， et al. The effect of oxidation treatment on the surface modification of carbon nanotubes on carbon fiber and its electromagnetic properties [J]. Journal of Functional Materials， 2018， 49（10）： 10075-10079. （in Chinese）

（編輯 黃廷）