原材料组分对碱激发材料导电性能和压敏性能的影响研究

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自感应混凝土是一种集结构和传感功能于一体的混凝土材料,通过在制备时掺入具有导电性的组分,如石墨、炭黑、碳纤维等,在确保基体原有材料性能的同时,又兼备导电、压敏等性能,在外力作用下能够感应自身应力/应变/内部损伤等,可用于混凝土结构构件的健康监测。与其它传感器(如电阻应变片、光纤光栅、压电材料等)相比,具有导电性和压敏性能的自感应混凝土与传统的混凝土具有天然的相容性,其耐久性与普通混凝土相似,由其组成的智能结构材料无须再埋设传感器,是传统混凝土结构向结构材料智能化发展的一个重点方向。碱激发材料是一种低碳胶凝材料,碱激发胶凝材料(AAM)通过一种或几种硅酸盐固体粉末和碱金属原料(固体或体液)反应得到的凝胶体系,其原材料的使用及碱激发反应与水泥基相差甚远。碱激发材料的导电性和压敏性会因原材料组分不同而相差极大。本文以矿渣作为主要原材料,分别掺入25%的粉煤灰、硅粉和偏高岭土制备碱激发材料,研究不同原材料组分对碱激发净浆、砂浆和碳纤维导电砂浆的导电性能和压敏性能的影响,同时研究测试方法的不同对碳纤维导电砂浆的导电性和压敏性能的影响,得到结论如下:(1)在碱激发矿渣净浆中,掺入硅粉和粉煤灰均能提高碱激发净浆的导电性,加入偏高岭土会降低碱激发净浆的导电性。碱激发基体电阻率随着原材料中Si/Al比的增大而降低,二氧化硅含量增大会提高基体的导电性,而氧化铝含量高基体的导电性变差;碱矿渣净浆的压敏灵敏度最高,其他组分的掺入均会降低其灵敏度。(2)在碱激发矿渣砂浆中,掺入硅粉后碱激发砂浆电阻率无明显变化,掺入粉煤灰后砂浆的电阻率显著降低,掺入偏高岭土后砂浆的电阻率明显增大;在掺入标准砂后,碱激发砂浆相应电阻率明显比碱激发净浆高,并且增长幅度大,同时相应电阻变化率的最大幅值变小、压敏灵敏度降低;碱矿渣砂浆的压敏灵敏度最好,掺入其他组分灵敏度会相应的下降。(3)碳纤维掺入后可明显改善碱激发砂浆的导电性与压敏性。碳纤维掺量为0.2%时,可达到渗流阈值,碳纤维在偏高岭土基体中难以搭接形成导电网络。掺量0.3%的碳纤维在矿渣、硅粉、粉煤灰基体中分散性好,可形成较完备的导电网络,其电阻率极为稳定,具有远高于未掺碳纤维前的导电性。掺入硅粉的基体电阻率为11.72Ω·cm,比矿渣和粉煤灰两种基体的的低一个数量级,表明硅粉有助于碳纤维的分散。在碳纤维掺入后,矿渣、硅粉、粉煤灰三种基体的压敏性能,具有极好的稳定性和重复性,远优于未掺碳纤维之前。不同原材料组成的碱激发导电砂浆中,碱矿渣的压敏灵敏度最优。
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