导电混凝土的制备及其强度和除湿效果

许阳富,赵明哲,李浩然,李景松,韩东磊,高培伟

(1.江西赣粤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.南京航空航天大学土木工程系,南京 210016)

地下隧道混凝土工程长期处于潮湿环境中,普遍存在水汽凝结问题。水汽和溶解在水中的侵蚀性介质进入混凝土结构中,易引起混凝土中钢筋发生腐蚀,从而导致混凝土开裂及其耐久性下降,这不仅降低了钢筋混凝土结构的服役性能,严重时还会导致坍塌等事故[1-3]。有效降低结构内部湿度对缓解钢筋腐蚀、提升地下工程结构耐久性和使用性能具有十分重要意义。

采用导电混凝土电热除湿可控制地下钢筋混凝土结构中的湿度,降低钢筋锈蚀[4-6]。彭月飞等[5]研究了安全电压下石墨基导电砂浆的除湿效果,发现含水量和通电时间会影响导电砂浆的除湿效率,但该试验探究因素较少,也未建立系统的温敏关系。王本臻等[7]研究了湿度和时间等对混凝土中氯离子扩散影响,发现混凝土的毛细吸附能力随相对湿度降低而增强。RONG等[8-11]将导电材料用于地下混凝土结构,得到了良好的防渗效果,降低了地下工程内湿度,并通过自制电渗防潮试验装置模拟了脉冲下混凝土防潮过程,研究了不同脉冲电压、离子含量及各混凝土配合比对渗水量的影响。结果发现,增大电压、水灰比和硫酸盐溶液含量,会使渗水量增加,改善混凝土除湿排水效果。

基于电渗理论提出的除湿防腐蚀方法可有效保持地下结构处于干燥状态,同时保护钢筋混凝土结构完整性,其作用原理是在地下工程墙体内侧施加正电脉冲,通过引起阳离子和水分子沿毛细孔道逆水力梯度向墙外侧方向迁移,实现除湿排水功能[12-13]。近几年来,关于导电功能聚合物水泥基复合材料已有不少研究报道[14-17],但采用具有导电功能的聚合物水泥基复合材料进行除湿防腐蚀的研究报道不多。

本工作在混凝土中添加了导电填料,通过提高混泥土导电性能达到降低其湿度的目的,研究了聚合物含量和导电填料含量、灰砂比对砂浆混凝土力学性能和除湿效果的影响,以期为降低地下钢筋混泥土结构湿度,防止钢筋锈蚀开裂、提升地下工程结构耐久性提供借鉴。

1 试验

1.1 试验材料

水泥为南京某有限公司生产的P·II42.5普通硅酸盐水泥,性能符合GB175—2007《通用硅酸盐水泥》要求。聚合物为水性环氧树脂和苯丙乳液,其中环氧树脂和苯丙的固含量分别为50%和45%。导电填料为市购炭黑和碳纤维按一定比例混合的混合材料,碳纤维和炭黑的性能指标见表1和表2。

表1 碳纤维的物理性能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 试件制备和养护

将分散剂置于60 ℃水中搅拌使其充分溶解,接着在烧杯中加入导电填料,最后加入消泡剂,通过超声波分散,得到导电填料分散液;将水泥及硅灰等材料干拌,然后加入分散液、减水剂和水,搅拌形成浆体,再将聚合物乳液加入浆体中拌匀,再依照不同时速搅拌规定的时间,得到导电聚合物复合砂浆,将砂浆分两次均匀倒入模具中振动成型,然后在标准养护室养护1 d后拆模,得到导电聚合物复合混凝土试件,将试件移到标准养护室内养护到规定的龄期。试件成型期间,在距试件两端10 mm处和距中心40 mm处预埋4片30 mm×50 mm铜片作为电极。试件中各组分的配比如表3所示。

表3 试件中各组分的配比Tab.3 Proportion of the components in samples

1.3 测试方法

参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》测试件的抗压强度与抗折强度;采用四电极法测试件的电阻率,试验装置见图1。

图1 电阻率测试装置Fig.1 Resistivity test device

采用电渗除湿法对试件进行除湿。试验开始前,先将试件置于2.5%(质量分数)NaCl溶液中浸泡30 d使其完全饱和,擦去试件表面水分,称量,记录此时试件质量Q0;然后,将试件与电渗设备连接并放置在电子秤上,接通电源,电渗时间为3 h,每隔3 min记录试件的实时质量Q,电流I,电压U和温度传感器读数T。最后,按式(1)计算除湿率H。

(1)

2 结果与讨论

2.1 强度和导电性能

2.1.1 导电填料含量的影响

导电填料含量对试件强度与导电性能的影响如图2所示。由图2可见:当导电填料质量分数从0%(试件A1)升高至0.8%(试件A2)与1.2%(试件A3)时,试件的抗折强度分别提高了13.3%和28.3%, 抗压强度分别提高了5.7%和15.2%,电阻率分别降低了83.6%和91.0%。由此可见,在相同条件下,随导电填料含量的增加,试件强度逐渐提高,电阻率逐渐降低。

图2 导电填料含量对试件强度和导电性能的影响Fig.2 Effects of conductive filler content on strength and conductivity of sample

因为碳纤维具有较好的延展性和抗拉强度,可有效改善导电混凝土的力学性能。从图3试件断面形貌可见,试件拉断处碳纤维从水泥基体中拉出[18],碳纤维与水泥基体的结合力以及碳纤维本身的高强度特性能够吸收断裂能,起到增韧作用。导电填料含量越高,水泥与碳纤维间的结合力越大,拉断纤维所需要的外部荷载也越大;同时随导电填料含量增加,导电网络会更加完整,从而进一步降低电阻率,提高试件的导电性能。

图3 试件A3的断面形貌Fig.3 Fracture morphology of sample A3

2.1.2 聚合物含量的影响

聚合物含量对试件强度和导电性能的影响如图4所示。由图4可见,当聚合物质量分数从0%(试件A4)提高到15%(试件A3),试件的抗压强度降低了5.5%,电阻率降低了25.3%,抗折强度提高了18.5%。随聚合物含量增加,试件的抗压强度和电阻率均逐渐降低,但抗折强度逐渐提高。

图4 聚合物含量对试件强度和导电性能的影响Fig.4 Effects of polymer content on strength and conductivity of sample

从图5所示试件A3表面形貌中可见,聚合物在水泥水化时形成一层薄膜,当混凝土产生裂缝时,跨越裂缝的薄膜发挥了类似纤维的作用,抵抗裂缝扩展,显著改善了混凝土的抗折强度[19],薄膜使导电填料和水泥基体能够更有效地搭接,形成更加良好的导电网络,降低电阻率,使试件的导电性能提高。

图5 试件A3的表面形貌Fig.5 Surface morphology of sample A3

2.1.3 灰砂比的影响

对比试件A3和A5的强度和电阻率(表4)可见,试件A3的总体性能不及试件A5,尤其是电阻率。随灰砂比从1∶3(试件A3)升高至1∶0(试件A5)时,抗压强度提高了55%,抗折强度提高了23.4%, 电阻率降低了98.9%。这是因为砂阻隔了导电网络的有效搭建,但随着灰砂比提高,水泥用量逐渐增加,试件的黏结强度呈增大趋势,抗折与抗压强度也随之提高。同时水泥用量的增加使试件更加密实,导电填料和水泥基体能更有效地搭接,因此导电性能提高。

表4 试件的性能参数Tab.4 Physical properties of samples

2.2 除湿效果

除湿试验结果表明,经3 h除湿后,试件A1、A2、A3、A4、A5的除湿率分别为11.1%、17.3%、24.3%、 18.2%、33.5%。与试件A1相比,试件A2与A3的除湿率分别提高了55.5%和118.4%。可见,导电填料含量的增加对试件除湿率有明显的促进作用。在饱水条件下,试件A3的除湿率较试件A4的除湿率提高了33%,这说明聚合物含量增加有助于提升试件的除湿率。试件A5的除湿率比试件A3的除湿率提高了37.9%,这说明提高灰砂比可提高试件的除湿效果。

图6为试件的电阻率与除湿率的关系。由图6可见:试件电阻率越高,除湿率越低,电阻率与除湿率呈明显的负相关;同时随电阻率增加,除湿率先迅速下降再趋于平缓。这说明试件内部水分在短时间内得到有效排除,且效率较普通砂浆大大提升,导电填料和聚合物对电渗除湿促进作用较大。其机理主要是通过降低试件电阻率,提升生热性能和电渗能力[8],加快试件内分子在液相下迁移速率,从而提升除湿防腐蚀效果。

图6 试件电阻率与除湿率的关系Fig.6 Relationship between resistivity and dehumidification rate for sample

3 结论

(1) 在混凝土中添加适宜的导电填料可提高混凝土的抗压强度和抗折强度,降低其电阻率。

(2) 在混凝土中添加聚合物可降低混凝土的抗压强度和电阻率,提高其抗折强度。

(3) 提高混凝土的灰砂比,混凝土的抗压强度与抗折强度均得到提高,但电阻率降低。

(4) 在混凝土中添加1.2%(质量分数)导电填料,可使混泥土的除湿率较未添加导电填料时提升了33.6%,电阻率越低,除湿效率越好,导电材料除湿性能与其电阻率呈负相关。

(5) 导电填料和聚合物可通过降低材料电阻进一步改善材料除湿效率,高灰砂比混泥土的除湿效果明显高于低灰砂比混泥土。