導(dǎo)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(huán)境中,普遍存在水汽凝結(jié)問題。水汽和溶解在水中的侵蝕性介質(zhì)進入混凝土結(jié)構(gòu)中,易引起混凝土中鋼筋發(fā)生腐蝕,從而導(dǎo)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(jié)構(gòu)的服役性能,嚴重時還會導(dǎo)致坍塌等事故[1-3]。有效降低結(jié)構(gòu)內(nèi)部濕度對緩解鋼筋腐蝕、提升地下工程結(jié)構(gòu)耐久性和使用性能具有十分重要意義。

采用導(dǎo)電混凝土電熱除濕可控制地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(dǎo)電砂漿的除濕效果,發(fā)現(xiàn)含水量和通電時間會影響導(dǎo)電砂漿的除濕效率,但該試驗探究因素較少,也未建立系統(tǒng)的溫敏關(guān)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(fā)現(xiàn)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(dǎo)電材料用于地下混凝土結(jié)構(gòu),得到了良好的防滲效果,降低了地下工程內(nèi)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(jié)果發(fā)現(xiàn),增大電壓、水灰比和硫酸鹽溶液含量,會使?jié)B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(jié)構(gòu)處于干燥狀態(tài),同時保護鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)完整性,其作用原理是在地下工程墻體內(nèi)側(cè)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(cè)方向遷移,實現(xiàn)除濕排水功能[12-13]。近幾年來,關(guān)于導(dǎo)電功能聚合物水泥基復(fù)合材料已有不少研究報道[14-17],但采用具有導(dǎo)電功能的聚合物水泥基復(fù)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(dǎo)電填料,通過提高混泥土導(dǎo)電性能達到降低其濕度的目的,研究了聚合物含量和導(dǎo)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(jié)構(gòu)濕度,防止鋼筋銹蝕開裂、提升地下工程結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(huán)氧樹脂和苯丙乳液,其中環(huán)氧樹脂和苯丙的固含量分別為50%和45%。導(dǎo)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(yǎng)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(dǎo)電填料,最后加入消泡劑,通過超聲波分散,得到導(dǎo)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(guī)定的時間,得到導(dǎo)電聚合物復(fù)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(yǎng)護室養(yǎng)護1 d后拆模,得到導(dǎo)電聚合物復(fù)合混凝土試件,將試件移到標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護到規(guī)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(yù)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(zhì)量分數(shù))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(zhì)量Q0;然后,將試件與電滲設(shè)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(zhì)量Q,電流I,電壓U和溫度傳感器讀數(shù)T。最后,按式(1)計算除濕率H。

(1)

2 結(jié)果與討論

2.1 強度和導(dǎo)電性能

2.1.1 導(dǎo)電填料含量的影響

導(dǎo)電填料含量對試件強度與導(dǎo)電性能的影響如圖2所示。由圖2可見:當導(dǎo)電填料質(zhì)量分數(shù)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(dǎo)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(dǎo)電填料含量對試件強度和導(dǎo)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(dǎo)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(jié)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(dǎo)電填料含量越高,水泥與碳纖維間的結(jié)合力越大,拉斷纖維所需要的外部荷載也越大;同時隨導(dǎo)電填料含量增加,導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)會更加完整,從而進一步降低電阻率,提高試件的導(dǎo)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(dǎo)電性能的影響如圖4所示。由圖4可見,當聚合物質(zhì)量分數(shù)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(dǎo)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(chǎn)生裂縫時,跨越裂縫的薄膜發(fā)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(dǎo)電填料和水泥基體能夠更有效地搭接,形成更加良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),降低電阻率,使試件的導(dǎo)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(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)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(jié)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(dǎo)電填料和水泥基體能更有效地搭接,因此導(dǎo)電性能提高。

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

2.2 除濕效果

除濕試驗結(jié)果表明,經(jīng)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%?？梢?導(dǎo)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(guān)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(guān);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(nèi)部水分在短時間內(nèi)得到有效排除,且效率較普通砂漿大大提升,導(dǎo)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(nèi)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(guān)系Fig.6 Relationship between resistivity and dehumidification rate for sample

3 結(jié)論

(1) 在混凝土中添加適宜的導(dǎo)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(zhì)量分數(shù))導(dǎo)電填料,可使混泥土的除濕率較未添加導(dǎo)電填料時提升了33.6%,電阻率越低,除濕效率越好,導(dǎo)電材料除濕性能與其電阻率呈負相關(guān)。

(5) 導(dǎo)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。