menu

不銹鋼材料

您的當(dāng)前位置:網(wǎng)站首頁(yè) > 不銹鋼材料 > 雙鋪層不銹鋼纖維導(dǎo)電砼性能試驗(yàn)及應(yīng)用研究

雙鋪層不銹鋼纖維導(dǎo)電砼性能試驗(yàn)及應(yīng)用研究

來(lái)源:至德鋼業(yè) 日期:2020-02-07 14:08:52 人氣:1162

  一種新型的雙層不銹鋼纖維導(dǎo)電混凝土在路面除冰研究中被提出,并在不同的條件下進(jìn)行測(cè)試。雙層不銹鋼纖維混凝土的設(shè)計(jì)是一種多層結(jié)構(gòu),在2個(gè)不同的層中放置不銹鋼纖維,用石墨顆粒或鋼纖維對(duì)混凝土基體進(jìn)行改性。雙層不銹鋼纖維混凝土在不同的功率輸入下的電阻率測(cè)試和溫度測(cè)試在烤箱或者冰箱內(nèi)完成,包括有冰層覆蓋或者無(wú)冰層覆蓋。結(jié)果表明,雙層不銹鋼纖維導(dǎo)電混凝土具有較低的電阻率,其適用于除冰的目的。不銹鋼纖維不會(huì)在其表面上形成鈍化膜,因此電阻率穩(wěn)定。由于隧道效應(yīng)和顆粒的縱橫比,石墨顆粒比鋼纖維更為有效地降低電阻率,融冰時(shí)間延長(zhǎng),而總能量消耗沒有明顯減少。


  除冰技術(shù)是道路工程和材料科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要的研究方向,通過(guò)此研究可有效降低冬季交通安全隱患,保障交通安全。大多數(shù)情況下,使用化學(xué)融雪劑或鹽操作較為簡(jiǎn)單且成本低,故常被用于道路除冰。然而,這些化學(xué)品和鹽通常會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)性能的劣化。因此,尋找新的技術(shù)來(lái)取代傳統(tǒng)的除冰鹽在過(guò)去的十年中迅速發(fā)展,包括使用電纜加熱、管道流體加熱、微波加熱以及紅外加熱燈加熱等。對(duì)混凝土路面通電是一種新型的技術(shù),將其與道路交通配套功能相結(jié)合,融冰要求近乎完美。傳統(tǒng)混凝土本身是一種非導(dǎo)電材料,如果加入鋼纖維或石墨,材料的導(dǎo)電性能將大大增強(qiáng)。當(dāng)混凝土道路被充上交流電或直流電時(shí),其表面上的積雪或冰層會(huì)因?yàn)闊崃康脑黾佣诨4顺到y(tǒng)不會(huì)中斷交通的連續(xù)運(yùn)行,另外,鋼纖維作為增強(qiáng)材料存在混凝土基體中,可有效提高路面的承載能力。據(jù)此設(shè)計(jì)研發(fā)出一種新型的雙層不銹鋼纖維導(dǎo)電混凝土,并開展了不同條件下雙層不銹鋼纖維混凝土試件導(dǎo)電性能測(cè)試。


  導(dǎo)電混凝土由波特蘭水泥,砂,礫石,石墨,硅灰和鋼纖維配置而成。表列出了不銹鋼纖維的技術(shù)性能,鋼纖維表面形貌與整體特征如圖所示。選用不銹鋼纖維替代普通的碳纖維,目的是減少纖維表面形成的鈍化膜,能有效提高電阻率。石墨的技術(shù)性能見表,用于制備導(dǎo)電混凝土的水泥是波特蘭水泥,由華新水泥股份有限公司生產(chǎn)。其硅灰中無(wú)定形二氧化硅重量占89%。石英砂的細(xì)度模數(shù)為2.3,骨料是由直徑在5~16mm之間的石灰石組成。在混合物中使用清潔的自來(lái)水。溫升試驗(yàn)在室溫25℃下進(jìn)行。測(cè)試系統(tǒng)如圖所示。每隔5分鐘記錄一次電源電壓和電流。通過(guò)圖可以看出,相比其他3種試樣,普通混凝土的電阻率是最高的。當(dāng)基體混凝土摻加導(dǎo)電材料時(shí),雙鋪層不銹鋼纖維混凝土電阻率相對(duì)于普通混凝土有一個(gè)數(shù)量級(jí)的降低。在沒有導(dǎo)電相摻入到混凝土基體中時(shí),其電阻率隨著齡期穩(wěn)步增加。導(dǎo)電材料為不銹鋼纖維時(shí),“峰值”在21天左右時(shí)達(dá)到,而導(dǎo)電材料為石墨時(shí),混凝土電阻率在7天時(shí)就達(dá)到“峰值”。最好的導(dǎo)電性能在中實(shí)現(xiàn),表明在基體混凝土中使用石墨能最有效的降低電阻率。


  上述結(jié)果可以通過(guò)導(dǎo)電模型來(lái)解釋。雙鋪層不銹鋼纖維導(dǎo)電混凝土的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)模型見圖,基體混凝土中未摻加導(dǎo)電集料時(shí),體系的導(dǎo)電能力由鋪層鋼纖維提供,如圖所示,鋪層不銹鋼纖維間部分連續(xù),只能形成局部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),彼此不能連通,其電阻率較高;在基體內(nèi)加入導(dǎo)電集料(不銹鋼纖維與石墨)后,這些導(dǎo)電材料在部分連續(xù)的鋪層鋼纖維間形成了局部的“橋梁”,使原本形成的局部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)成為連續(xù)貫通的導(dǎo)電鏈,導(dǎo)電通路形成,電阻率明顯降低;對(duì)于混凝土基體相的導(dǎo)電,主要有兩種方式:一種是通過(guò)自由的可蒸發(fā)水的離子導(dǎo)電,即通過(guò)水泥石孔隙溶液中的等離子在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的定向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電,這種導(dǎo)電方式與液相中離子的濃度、種類及溫度有關(guān);另一種是通過(guò)凝膠、凝膠水和未反應(yīng)的水泥顆粒的電子導(dǎo)電,主要有鐵、鋁及鈣的化合物;而在復(fù)合導(dǎo)電混凝土中,除了上述兩種導(dǎo)電方式外,還存在導(dǎo)電材料間的電子導(dǎo)電。


  在試驗(yàn)初期,試件內(nèi)部含有大量的自由水,孔隙溶液中的離子濃度較高,材料的導(dǎo)電主要由離子導(dǎo)電完成,隨著齡期增長(zhǎng)、水化反應(yīng)的進(jìn)行,基體內(nèi)的液相逐漸減少,離子導(dǎo)電能力減弱,使得電阻率呈現(xiàn)出隨齡期增長(zhǎng)的趨勢(shì),并在某一齡期時(shí)達(dá)到“峰值”。此后,導(dǎo)電混凝土材料的導(dǎo)電能力主要由導(dǎo)電材料來(lái)承擔(dān),隨著齡期的增長(zhǎng),基體內(nèi)部逐漸密實(shí),導(dǎo)電材料間的接觸面積逐漸增大,因此又出現(xiàn)電阻率隨齡期逐漸減小的現(xiàn)象,直到混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本固定,此過(guò)程伴隨著電阻率值的逐漸穩(wěn)定。但是對(duì)于摻加石墨的基體,由于石墨長(zhǎng)徑比遠(yuǎn)小于不銹鋼纖維,單位體積內(nèi)石墨的數(shù)量較多,隨著齡期增長(zhǎng),基體逐漸密實(shí),石墨之間有更多的接觸,形成較多的導(dǎo)電短鏈,因此所對(duì)應(yīng)的“峰值”到來(lái)的更早。


  待56天導(dǎo)電混凝土的電阻率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,在基體中分別摻加了不銹鋼纖維和石墨導(dǎo)電相材料的雙鋪層不銹鋼纖維導(dǎo)電混凝土,進(jìn)行不同外加電壓下電阻率的變化試驗(yàn)測(cè)試。圖分別是兩組試件的電阻率隨電壓的變化曲線圖。從圖中可以看出,對(duì)于雙鋪層不銹鋼纖維導(dǎo)電混凝土,當(dāng)基體中摻加不銹鋼纖維與石墨時(shí),電阻率隨電壓的變化曲線有相同的走勢(shì),主要特征是電壓值達(dá)到某一臨界上限后,電阻率急劇減小,而在某一臨界下限時(shí)達(dá)到最小值,其后變化微弱。對(duì)于不銹鋼纖維基體。上述現(xiàn)象是電場(chǎng)發(fā)射電流作用的結(jié)果。雙鋪層不銹鋼纖維導(dǎo)電混凝土作為一種導(dǎo)電復(fù)合材料,是通過(guò)在絕緣體系中添加導(dǎo)電材料(不銹鋼纖維、石墨)而產(chǎn)生導(dǎo)電行為,除了形成連通的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)提供導(dǎo)電外,還存在部分導(dǎo)電材料被絕緣相隔開,相互不接觸,之間存在著一定的勢(shì)壘,只有克服彼此間的勢(shì)壘障礙才能相互發(fā)生作用進(jìn)行導(dǎo)電。當(dāng)兩極施加電壓達(dá)到一定程度后,每個(gè)導(dǎo)電粒子形成一個(gè)獨(dú)立的電場(chǎng)發(fā)射點(diǎn),它們通過(guò)相互間發(fā)射電場(chǎng)聯(lián)系形成電流。彼此分離的兩個(gè)導(dǎo)電材料與介于其間的絕緣相構(gòu)成一個(gè)電容器,通電開始后電容器逐漸充電,但由于中間絕緣介質(zhì)的阻隔,并不導(dǎo)電,當(dāng)施加電壓增大到某一“突破電壓”時(shí)電容被擊穿,電容器變?yōu)閷?dǎo)體,電流急劇增大,電阻率急劇減小。


  分離的導(dǎo)電相不能直接導(dǎo)電,因?yàn)樗鼈冎g的勢(shì)壘阻止電子遷移通過(guò)。當(dāng)石墨顆粒的溫度到達(dá)一定程度時(shí),內(nèi)部電子會(huì)獲得額外的能量,從而使大量高能電子能通過(guò)表面勢(shì)壘和逃逸。這種現(xiàn)象稱為熱電子發(fā)射。兩個(gè)石墨顆粒之間盡管沒有直接接觸,隧道效應(yīng)使得電子也能在它們之間轉(zhuǎn)移。當(dāng)金屬中的電子加熱到蒸發(fā)點(diǎn)時(shí),自由電子總數(shù)的一小部分也能夠逃逸但并不能形成電流。因此,隧道效應(yīng)對(duì)不銹鋼纖維的影響是微弱的,可以忽略不計(jì)。溫度升高對(duì)鋼纖維改性混凝土的電阻率的影響不顯著。結(jié)果表明,將冰層的厚度從3mm增大兩倍到6mm,除冰試驗(yàn)完成所需要的時(shí)間僅僅延長(zhǎng)了20分鐘,成倍增厚的冰層并沒有顯著增加除冰時(shí)間,這進(jìn)一步說(shuō)明導(dǎo)電混凝土試件表面的冰層融化所需能量?jī)H僅占整個(gè)除冰過(guò)程能量消耗的一小部分,主要的能量則是在加熱混凝土試件的過(guò)程中消耗的。


  所需時(shí)間及能量消耗列于表中,結(jié)合表與上述除冰試驗(yàn)結(jié)果可以看出:在同一條件下,采用不同的功率融冰所消耗的能量相差較小,但是采用較大的功率可以提高融冰效率,因此在實(shí)際工程應(yīng)用中,加大輸出功率是有利的;環(huán)境溫度是影響除冰過(guò)程的關(guān)鍵因素,降低環(huán)境溫度會(huì)顯著地延長(zhǎng)除冰時(shí)間,并消耗更多的能量;冰層厚度對(duì)除冰過(guò)程的影響最小,冰層的融化能耗占整個(gè)除冰過(guò)程能耗的比例很小。以不銹鋼纖維和石墨為導(dǎo)電相材料,制成的雙鋪層不銹鋼纖維導(dǎo)電混凝土具有良好的融雪除冰功能。根據(jù)以上試驗(yàn)可以得到以下結(jié)論:雙鋪層不銹鋼纖維導(dǎo)電混凝土具有低電阻率,使其適用于除冰的目的。鋼纖維在混凝土中的水平分布,能有效防止鋼纖維暴露的風(fēng)險(xiǎn)。不銹鋼纖維不易在表面形成鈍化膜,因此電阻率穩(wěn)定。通過(guò)不銹鋼纖維或石墨顆粒對(duì)混凝土基體進(jìn)行改性,進(jìn)一步降低混凝土的電阻率。由于隧道效應(yīng)和顆粒的小長(zhǎng)徑比,石墨顆粒比鋼纖維能更有效地降低電阻率。


本文標(biāo)簽:不銹鋼纖維 

發(fā)表評(píng)論:

◎歡迎參與討論,請(qǐng)?jiān)谶@里發(fā)表您的看法、交流您的觀點(diǎn)。

北京 天津 河北 山西 內(nèi)蒙 遼寧 吉林 黑龍江 上海 江蘇 浙江 安徽 福建 江西 山東 河南 湖北 湖南 廣東 廣西 海南 重慶 四川 貴州 云南 西藏 陜西 甘肅 青海 寧夏 新疆 臺(tái)灣 香港 澳門