摘要：通過在碳纖維混凝土中加入硅灰， 研究了硅灰對碳纖維混凝土抗壓強度、抗折強度和劈裂強度的影響規律， 同時研究了硅灰對碳纖維混凝土電阻率的影響作用。結果表明：碳纖維混凝土相對素混凝土， 抗壓強度降低了5.9%, 抗折強度提高了25.8%, 劈裂強度增加了了21.1%;加入硅灰后， 碳纖維混凝土抗壓強度、抗折強度和劈裂強度都有所增加；10%硅灰摻量時， 抗壓強度增加了39%, 抗折強度提高了40.6%, 劈裂強度提高了34.3%.加入硅灰后碳纖維混凝土電阻率也明顯降低， 3 d時兩者電阻率降低了8.6Ω， 隨著時間的推移， 差值越來越小。說明硅灰對碳纖維混凝土的電阻率也有明顯作用， 進一步證明了加入硅灰可以有效提高碳纖維在混凝土中的分散性。
關鍵詞：硅灰； 碳纖維混凝土； 強度； 電阻率；
水泥混凝土是目前應用最為廣泛的建筑材料， 但是由于各組成材料都是非導電介質， 所以水泥混凝土其本身是一種電絕緣材料[1,2].碳纖維混凝土就是在普通混凝土中加入短切碳纖維而形成的新型復合材料。由于碳纖維是由碳元素組成的一種新型材料， 具有比重小、強度高等特性[3-8], 可以用于橋梁加固、混凝土材料增加韌性的地方。同時， 可以利用碳纖維材料的導電性， 將短切碳纖維加入混凝土中制成碳纖維混凝土， 使碳纖維混凝土具有導電發熱性能， 利用其導電發熱性能可應用于道路、機場的融雪化冰， 具有廣泛的應用前景。
目前最常見的碳纖維有瀝青基和PAN基兩種， PAN基由于生產工藝簡單， 價格低， 切制短切碳纖維工藝簡單， 分散性好、導電性能佳等優點， 從而被廣泛應用。加入了短切碳纖維組成的碳纖維混凝土可以提高混凝土的抗折強度和抗裂性能， 但是抗壓性能反而出現一定程度的降低[9].
碳纖維混凝土的導電性由混凝土的性能、纖維的性能、纖維的摻量、纖維的分散性等因素共同決定， 碳纖維混凝土發熱量的性能可以直接由導電性反應， 而導電性則可以通過電阻率來表示， 所以電阻率反應了碳纖維混凝土導電的性能。碳纖維混凝土的強度由混凝土的性能、碳纖維的性能等共同決定， 碳纖維在其中可以起到增加抗拉強度的作用， 但是碳纖維混凝土中加入硅灰后， 硅灰對碳纖維混凝土的增強作用主要有二次水化和填充作用。
本文通過在碳纖維混凝土中加入硅灰， 研究了硅灰對碳纖維混凝土電阻率及強度的影響作用。應用濕拌法制作碳纖維導電混凝土， 采用兩電極法測試碳纖維混凝土的電阻率[10-14].首先測試硅灰對碳纖維混凝土抗壓強度和抗折強度的影響， 隨后測試了硅灰對碳纖維混凝土電阻率和發熱性能的影響規律。
1 實驗部分
1.1 原材料和主要測量儀器
水泥：海螺牌PO32.5普通硅酸鹽水泥， 陜西禮泉海螺水泥有限責任公司；
砂：砂為河砂， 中砂， 細度模數為2.7, 陜西五華縣浮湖河砂有限公司；
碎石：碎石為5~20 mm碎石， 陜西省驪山石料廠；
PAN基pu涂層短切碳纖維：圖靈科技碳纖維有限責任公司， 主要技術指標見表1.
甲基纖維素：天津市福晨化學試劑廠；
磷酸三丁酯：天津市亞泰聯合化工有限公司；
德力西TDGC2-3單相接觸調壓器， 浙江省德力西電氣有限公司；
?，擜T380型紅外線測溫儀， 廣東省東莞市萬創電子制品有限公司；
優利德UT890C型萬用表， 廣東省東莞市優利德科技有限公司；
聚羧酸高效減水劑：山東省萊陽市宏祥建筑外加劑廠；
WDW-100E型萬能實驗機：濟南試金集團有限公司；
TSY-2000B型壓力機：浙江路達機械儀器有限公司。
1.2 試件制作工藝
碳纖維混凝土的配合比為水泥∶砂∶石∶水=420∶556∶1 270∶180, 聚羧酸高效減水劑摻量2.0%, 碳纖維摻量為水泥質量1.5% （根據硅灰摻量的不同單位用水量響應變化） .為保證碳纖維混凝土的工作性、強度及碳纖維分散的均勻性， 首先將分散劑、消泡劑、碳纖維分散在水中 （60℃熱水） , 然后加入水泥、硅灰攪拌均勻， 用混凝土攪拌器反復攪拌越7 min, 最后加入砂、碎石充分攪拌均勻， 注入水泥混凝土抗壓、抗折試模中 （安置好電極） , 成型后脫模， 碳纖維混凝土抗壓和劈裂試塊體積為150 mm×150 mm×150 mm, 抗折試塊體積為150mm×150 mm×550 mm, 測定電阻率和發熱量的試塊采用抗折試塊， 電極采用內埋50 mm×50 mm銅網。放入標準養護箱養護， 隨后測定強度和電阻率， 根據相關規范要求和實驗需要， 以抗壓強度、劈裂強度、抗折強度作為強度測定指標， 每組試件為3個， 取三個試件的平均值作為代表值， 抗折強度測定如圖1所示。
2 實驗結果與分析
2.1 硅灰摻量對強度的影響
抗壓強度和抗折強度是水泥混凝土最重要的檢測指標， 由于硅灰的微骨料效應、火山灰效應， 硅灰對水泥混凝土的工作性、強度等影響非常大。按照1.2的試件制作工藝， 分別制作素混凝土、碳纖維混凝土、10%硅灰摻量和20%硅灰摻量的碳纖維混凝土。
2.1.1 抗壓強度影響規律
按照上述實驗方案測定抗壓強度， 具體實驗數據見表2.
表2 28 d抗壓強度對比Table 2 Compressive strength comparison after 28 d
由表2可以看出， 對于素混凝土， 參加了碳纖維的混凝土28 d抗壓強度不僅沒有增加， 反而從30.4 MPa降低到28.6 MPa, 降低了5.9%, 主要原因是由于碳纖維的摻入， 引入了較多的氣泡， 雖然加入了分散劑和消泡劑， 碳纖維仍然難于完全分散， 必然有碳纖維凝聚成堆， 在這雙重作用下， 碳纖維混凝土抗壓強度就必然低于素混凝土的抗壓強度。在摻入10%硅灰后， 碳纖維混凝土的抗壓強度有了大幅度的提高， 比素混凝土強度提高了9.4 MPa, 提高了約31%, 比碳纖維混凝土強度提高了約39%.說明硅灰的作用非常明顯。分析認為硅灰對碳纖維混凝土提高的原因主要有兩點：
（1） 微骨料效應和火山灰效應， 硅灰顆粒極細， 可以填充混凝土中的空隙， 同時硅灰可以和水泥水化產物繼續反應， 生產水化硅酸鈣；
（2） 同時， 硅灰在碳纖維混凝土中還可以起到提高碳纖維分散性的作用， 由于硅灰都是圓形顆粒， 形態效應可以提高碳纖維的分散性。
在這兩個原因的綜合影響下， 摻加硅灰的碳纖維混凝土強度得到極大的提高。當硅灰摻量為20%時， 強度相對于10%硅灰摻量有所降低， 原因是由于硅灰摻量過多， 硅灰的比表面積太大， 雖然添加了高效減水劑， 但是過多的硅灰對碳纖維混凝土的工作性產生了較大的影響， 這從實驗過程中拌合的碳纖維混凝土也可以觀察出來。
2.1.2 抗折強度影響規律
按照上述實驗方案測定抗折強度， 具體實驗數據見表3.
由表3可以觀察出， 和素混凝土相比較， 碳纖維混凝土的抗折強度有了較大提高， 從4.14 MPa增加到5.21 MPa, 抗折強度提高了25.8%;在參加10%硅灰后， 碳纖維混凝土的抗折強度有提高了0.61MPa, 相比較素混凝土抗折強度提高了1.68 MPa, 提高了40.6%, 也可以說明硅灰可以提高碳纖維在混凝土中的分散性， 在摻加20%硅灰后抗折強度還有所提高， 但是提高的幅度已經大大減小， 只提高了0.14 MPa, 原因和抗壓強度一樣， 是由于加了過量的硅灰， 碳纖維混凝土的工作性變差引起的。
2.1.3 劈裂強度影響規律
按照上述實驗方案測定劈裂強度， 具體實驗數據見表4.
由表4可以觀察出， 和素混凝土相比較， 碳纖維混凝土的劈裂強度有了較大提高， 從2.42 MPa增加到2.93 MPa, 劈裂強度提高了21.1%;在參加10%硅灰后， 碳纖維混凝土的劈裂強度又提高了0.32MPa, 相比較素混凝土抗折強度提高了0.83 MPa, 提高了34.3%, 也證明了硅灰可以提高碳纖維在混凝土中的分散性， 在摻加20%硅灰后劈裂強度有所降低， 相比摻10%硅灰的碳纖維混凝土， 劈裂強度降低了0.28 MPa, 原因和是由于加了過量的硅灰， 碳纖維混凝土的工作性變差， 混凝土試件不能完全密實， 從而造成劈裂強度降低。
由以上三個強度實驗可以看出， 水泥混凝土中加入碳纖維可以改善混凝土的力學性能， 在加入硅灰后， 混凝土的各項強度指標又有所提高， 特別是劈裂強度和抗折強度提高明顯。這是由于加入硅灰后可以提高碳纖維在混凝土中的分散性， 增加了碳纖維的阻裂效應， 當混凝土出現裂縫時， 碳纖維可以有效緩解裂縫的應力作用， 同時還可以將應力傳遞給未開裂混凝土， 使混凝土的整體性大大增加， 因此隨著碳纖維和硅灰的增加， 混凝土的力學性能就隨著增加。但是當硅灰含量增加太大時， 強度又會降低， 這是由于硅灰比表面積太大， 加入過量的硅灰， 需水量太大， 導致混凝土干澀， 流動性變差， 混凝土已經無法有效成型， 從而測定的各種強度反而變小。
2.2 硅灰摻量對電阻率的影響
由強度實驗結果可知， 硅灰摻量為10%時， 對碳纖維混凝土的作用較好， 無論是相對于普通混凝土還是普通碳纖維混凝土， 抗壓強度、抗折強度和劈裂強度都有不同程度的增加。當硅灰摻量達到20%時， 由于硅灰摻量過多， 雖然增加了部分用水量， 但是還是對碳纖維混凝土的工作性造成了不良影響， 從而使碳纖維混凝土無法密實成型， 碳纖維無法分散均勻， 從而使各種強度反而降低。根據強度實驗規律， 分別制作10%硅灰摻量和20%硅灰摻量的碳纖維混凝土試件， 測定其電阻率， 以分析碳碳纖維混凝土的導電性能。
2.2.1 10%硅灰摻量碳纖維混凝土電阻率測定
按照1.2試件制作工藝， 制作10%硅灰摻量碳纖維混凝土試件， 測定電阻率， 具體實驗結果如圖2所示。
由圖2可以觀察出， 無論是碳纖維混凝土還是加入了硅灰的碳纖維混凝土， 隨著時間的推移， 電阻率都會逐漸降低；普通碳纖維混凝土電阻率第3天到第6 d電阻率從31.7Ω降低到26.8Ω， 降低了4.9Ω， 而從第6 d到第9 d降低了2.6Ω， 說明隨著齡期的增加， 不僅電阻率逐漸降低， 同時降低速率也在逐漸縮小。普通碳纖維和添加了硅灰的碳纖維混凝土相比較， 摻加了硅灰的碳纖維混凝土電阻率明顯低于普通碳纖維混凝土， 特別是在3 d時， 兩者相差8.6Ω， 隨著時間的推移， 差值越來越小。分析認為， 碳纖維導電混凝土的導電形式主要有混凝土內部的離子導電和碳纖維組成的纖維網絡導電， 當碳纖維混凝土齡期較短時， 碳纖維混凝土的導電主要由以上兩種導電形式共同作用， 隨著齡期的增加， 碳纖維混凝土中水分的不斷損失與蒸發， 碳纖維混凝土的導電形式則主要由碳纖維混凝土網絡導電。在碳纖維混凝土中加入硅灰可以使碳纖維在混凝土中的分散性增加， 促進了碳纖維網絡的形成， 從而可以有效降低碳纖維混凝土的電阻率。
2.2.2 20%硅灰摻量碳纖維混凝土電阻率測定
按照1.2試件制作工藝， 制作20%硅灰摻量碳纖維混凝土試件， 測定電阻率， 具體實驗結果如圖3所示。
由圖3可以看出， 摻20%硅灰后， 碳纖維導電混凝土的電阻率只有早期有所下降， 其他齡期幾乎成一條直線， 電阻率沒有明顯的變化， 這和普通碳纖維混凝土、10%硅灰摻量的碳纖維混凝土有明顯的區別， 沒有隨著齡期的增加電阻率降低， 而電阻率幾乎成一恒定值。分析認為， 20%硅灰摻量已經嚴重影響到碳纖維混凝土的和易性， 由于硅灰的比表面積太大， 雖然增加了相應的水量和高效減水劑， 但是相對的用水量還是太少， 碳纖維在混凝土中的分散性已經降低， 從而電阻率不會隨著齡期的增加而變化。
3 結論
通過在碳纖維混凝土中加入硅灰， 研究了硅灰對碳纖維混凝土抗壓強度和抗折強度的影響， 發現硅灰對碳纖維混凝土抗壓強度、抗折強度和劈裂強度都有明顯的作用， 進一步研究了硅灰對碳纖維混凝土電阻率的影響， 所得的主要結論如下：
（1） 加入10%硅灰后， 碳纖維混凝抗壓強度提高了39%, 加入20%硅灰后， 碳纖維混凝土抗壓強度反而下降， 說明20%硅灰摻量過多， 已經影響了碳纖維混凝抗壓強度。
（2） 碳纖維混凝土抗折強度比素混凝土抗折強度提高了25.8%, 加入10%硅灰后， 碳纖維混凝土抗折有提高了11.7%, 進一步說明硅灰對碳纖維混凝土強度的增強作用。
（3） 加入10%硅灰后， 碳纖維混凝土電阻率比普通碳纖維混凝土電阻率降低， 且隨著時間的增加， 電阻率不斷降低， 大約在24 d后， 電阻率基本穩定。說明硅灰對碳纖維的分散性有明顯的作用。加入20%硅灰后， 碳纖維不能有效分散， 使得碳纖維混凝土電阻率值比普通碳纖維混凝土的電阻率大， 且隨著時間的推移， 電阻率幾乎不變。
參考文獻
[1]Chung D D L.Dispersion of Short Fibers in Cement[J].Journal of Materials in Civil Engineering, 2005, 17 （4） :379-383.
[2]楊元霞， 劉寶舉。導電砼及機敏砼電阻測試中電極的研制[J].混凝土與水泥制品， 1997 （2） :8-10.
[3]Wu Junhua, Chung D D L.Pastes for electromagnetic interference shielding[J].Journal of Electronic Materials, 2005, 34 （9） :1225-1258.
[4]侯作富， 李卓球， 王建軍。碳纖維導電混凝土融雪化冰的實驗研究[J].混凝土與水泥制品， 2004 （5） :42-44.
[5]張其穎。碳纖維增強水泥混凝土導電機理研究[J].硅酸鹽通報， 2003, 22 （3） :22-24.
[6]Wen S, Chung D D L.Electrical-resistancebased damage self-sensing in carbon fiber reinforced cement[J].Carbon, 2007, 45:710-716.
[7]孫進。碳纖維混凝土導電性能及應用研究[D].大連理工大學， 2006.
[8]韋文兵， 謝慧才， 張巍。不同摻料的碳纖維水泥砂漿的壓敏性研究[J].混凝土與水泥制品， 2002, 12:44.
[9]佟鈺， 田鑫， 朱長軍， 等。短切碳纖維混凝土的力學強度實驗與分析[J].硅酸鹽通報， 2015, 34 （8） :2281-2285.
[10]魏建強。甲基纖維素對碳纖維分散性研究[J].水利與建筑工程學報， 2015, 4:148-151.
[11]魏建強。攪拌工藝對碳纖維分散性研究[J].江西建材， 2015, 9:12-13.
[12]楊洪生， 趙國才。碳纖維混凝土[J].黑龍江交通科技， 2006, 29 （9） :28-29.
[13]龍春梅。纖維對C50防水混凝土抗裂及防滲性能的影響研究[J].公路交通科技 （應用技術版） , 2011, 2:111-113.
[14]馬琳。外加劑對混凝土收縮與開裂性能影響的試驗研究[J].當代化工， 2017, 46 （2） :233-236.
關鍵詞：硅灰； 碳纖維混凝土； 強度； 電阻率；
水泥混凝土是目前應用最為廣泛的建筑材料， 但是由于各組成材料都是非導電介質， 所以水泥混凝土其本身是一種電絕緣材料[1,2].碳纖維混凝土就是在普通混凝土中加入短切碳纖維而形成的新型復合材料。由于碳纖維是由碳元素組成的一種新型材料， 具有比重小、強度高等特性[3-8], 可以用于橋梁加固、混凝土材料增加韌性的地方。同時， 可以利用碳纖維材料的導電性， 將短切碳纖維加入混凝土中制成碳纖維混凝土， 使碳纖維混凝土具有導電發熱性能， 利用其導電發熱性能可應用于道路、機場的融雪化冰， 具有廣泛的應用前景。
目前最常見的碳纖維有瀝青基和PAN基兩種， PAN基由于生產工藝簡單， 價格低， 切制短切碳纖維工藝簡單， 分散性好、導電性能佳等優點， 從而被廣泛應用。加入了短切碳纖維組成的碳纖維混凝土可以提高混凝土的抗折強度和抗裂性能， 但是抗壓性能反而出現一定程度的降低[9].
碳纖維混凝土的導電性由混凝土的性能、纖維的性能、纖維的摻量、纖維的分散性等因素共同決定， 碳纖維混凝土發熱量的性能可以直接由導電性反應， 而導電性則可以通過電阻率來表示， 所以電阻率反應了碳纖維混凝土導電的性能。碳纖維混凝土的強度由混凝土的性能、碳纖維的性能等共同決定， 碳纖維在其中可以起到增加抗拉強度的作用， 但是碳纖維混凝土中加入硅灰后， 硅灰對碳纖維混凝土的增強作用主要有二次水化和填充作用。
本文通過在碳纖維混凝土中加入硅灰， 研究了硅灰對碳纖維混凝土電阻率及強度的影響作用。應用濕拌法制作碳纖維導電混凝土， 采用兩電極法測試碳纖維混凝土的電阻率[10-14].首先測試硅灰對碳纖維混凝土抗壓強度和抗折強度的影響， 隨后測試了硅灰對碳纖維混凝土電阻率和發熱性能的影響規律。
1 實驗部分
1.1 原材料和主要測量儀器
水泥：海螺牌PO32.5普通硅酸鹽水泥， 陜西禮泉海螺水泥有限責任公司；
砂：砂為河砂， 中砂， 細度模數為2.7, 陜西五華縣浮湖河砂有限公司；
碎石：碎石為5~20 mm碎石， 陜西省驪山石料廠；
PAN基pu涂層短切碳纖維：圖靈科技碳纖維有限責任公司， 主要技術指標見表1.
表1 短切碳纖維主要技術指標Table 1 Chopped carbon fiber main technical indicators
甲基纖維素：天津市福晨化學試劑廠；
磷酸三丁酯：天津市亞泰聯合化工有限公司；
德力西TDGC2-3單相接觸調壓器， 浙江省德力西電氣有限公司；
?，擜T380型紅外線測溫儀， 廣東省東莞市萬創電子制品有限公司；
優利德UT890C型萬用表， 廣東省東莞市優利德科技有限公司；
聚羧酸高效減水劑：山東省萊陽市宏祥建筑外加劑廠；
WDW-100E型萬能實驗機：濟南試金集團有限公司；
TSY-2000B型壓力機：浙江路達機械儀器有限公司。
1.2 試件制作工藝
碳纖維混凝土的配合比為水泥∶砂∶石∶水=420∶556∶1 270∶180, 聚羧酸高效減水劑摻量2.0%, 碳纖維摻量為水泥質量1.5% （根據硅灰摻量的不同單位用水量響應變化） .為保證碳纖維混凝土的工作性、強度及碳纖維分散的均勻性， 首先將分散劑、消泡劑、碳纖維分散在水中 （60℃熱水） , 然后加入水泥、硅灰攪拌均勻， 用混凝土攪拌器反復攪拌越7 min, 最后加入砂、碎石充分攪拌均勻， 注入水泥混凝土抗壓、抗折試模中 （安置好電極） , 成型后脫模， 碳纖維混凝土抗壓和劈裂試塊體積為150 mm×150 mm×150 mm, 抗折試塊體積為150mm×150 mm×550 mm, 測定電阻率和發熱量的試塊采用抗折試塊， 電極采用內埋50 mm×50 mm銅網。放入標準養護箱養護， 隨后測定強度和電阻率， 根據相關規范要求和實驗需要， 以抗壓強度、劈裂強度、抗折強度作為強度測定指標， 每組試件為3個， 取三個試件的平均值作為代表值， 抗折強度測定如圖1所示。
圖1 抗折強度測定Fig.1 Bending strength determination
2 實驗結果與分析
2.1 硅灰摻量對強度的影響
抗壓強度和抗折強度是水泥混凝土最重要的檢測指標， 由于硅灰的微骨料效應、火山灰效應， 硅灰對水泥混凝土的工作性、強度等影響非常大。按照1.2的試件制作工藝， 分別制作素混凝土、碳纖維混凝土、10%硅灰摻量和20%硅灰摻量的碳纖維混凝土。
2.1.1 抗壓強度影響規律
按照上述實驗方案測定抗壓強度， 具體實驗數據見表2.
表2 28 d抗壓強度對比Table 2 Compressive strength comparison after 28 d
由表2可以看出， 對于素混凝土， 參加了碳纖維的混凝土28 d抗壓強度不僅沒有增加， 反而從30.4 MPa降低到28.6 MPa, 降低了5.9%, 主要原因是由于碳纖維的摻入， 引入了較多的氣泡， 雖然加入了分散劑和消泡劑， 碳纖維仍然難于完全分散， 必然有碳纖維凝聚成堆， 在這雙重作用下， 碳纖維混凝土抗壓強度就必然低于素混凝土的抗壓強度。在摻入10%硅灰后， 碳纖維混凝土的抗壓強度有了大幅度的提高， 比素混凝土強度提高了9.4 MPa, 提高了約31%, 比碳纖維混凝土強度提高了約39%.說明硅灰的作用非常明顯。分析認為硅灰對碳纖維混凝土提高的原因主要有兩點：
（1） 微骨料效應和火山灰效應， 硅灰顆粒極細， 可以填充混凝土中的空隙， 同時硅灰可以和水泥水化產物繼續反應， 生產水化硅酸鈣；
（2） 同時， 硅灰在碳纖維混凝土中還可以起到提高碳纖維分散性的作用， 由于硅灰都是圓形顆粒， 形態效應可以提高碳纖維的分散性。
在這兩個原因的綜合影響下， 摻加硅灰的碳纖維混凝土強度得到極大的提高。當硅灰摻量為20%時， 強度相對于10%硅灰摻量有所降低， 原因是由于硅灰摻量過多， 硅灰的比表面積太大， 雖然添加了高效減水劑， 但是過多的硅灰對碳纖維混凝土的工作性產生了較大的影響， 這從實驗過程中拌合的碳纖維混凝土也可以觀察出來。
2.1.2 抗折強度影響規律
按照上述實驗方案測定抗折強度， 具體實驗數據見表3.
表3 28 d抗折強度對比Table 3 Flexural strength comparison after 28 d
由表3可以觀察出， 和素混凝土相比較， 碳纖維混凝土的抗折強度有了較大提高， 從4.14 MPa增加到5.21 MPa, 抗折強度提高了25.8%;在參加10%硅灰后， 碳纖維混凝土的抗折強度有提高了0.61MPa, 相比較素混凝土抗折強度提高了1.68 MPa, 提高了40.6%, 也可以說明硅灰可以提高碳纖維在混凝土中的分散性， 在摻加20%硅灰后抗折強度還有所提高， 但是提高的幅度已經大大減小， 只提高了0.14 MPa, 原因和抗壓強度一樣， 是由于加了過量的硅灰， 碳纖維混凝土的工作性變差引起的。
2.1.3 劈裂強度影響規律
按照上述實驗方案測定劈裂強度， 具體實驗數據見表4.
表4 28 d劈裂強度對比/Mpa Table 4 Splitting strength comparison after 28 d
由表4可以觀察出， 和素混凝土相比較， 碳纖維混凝土的劈裂強度有了較大提高， 從2.42 MPa增加到2.93 MPa, 劈裂強度提高了21.1%;在參加10%硅灰后， 碳纖維混凝土的劈裂強度又提高了0.32MPa, 相比較素混凝土抗折強度提高了0.83 MPa, 提高了34.3%, 也證明了硅灰可以提高碳纖維在混凝土中的分散性， 在摻加20%硅灰后劈裂強度有所降低， 相比摻10%硅灰的碳纖維混凝土， 劈裂強度降低了0.28 MPa, 原因和是由于加了過量的硅灰， 碳纖維混凝土的工作性變差， 混凝土試件不能完全密實， 從而造成劈裂強度降低。
由以上三個強度實驗可以看出， 水泥混凝土中加入碳纖維可以改善混凝土的力學性能， 在加入硅灰后， 混凝土的各項強度指標又有所提高， 特別是劈裂強度和抗折強度提高明顯。這是由于加入硅灰后可以提高碳纖維在混凝土中的分散性， 增加了碳纖維的阻裂效應， 當混凝土出現裂縫時， 碳纖維可以有效緩解裂縫的應力作用， 同時還可以將應力傳遞給未開裂混凝土， 使混凝土的整體性大大增加， 因此隨著碳纖維和硅灰的增加， 混凝土的力學性能就隨著增加。但是當硅灰含量增加太大時， 強度又會降低， 這是由于硅灰比表面積太大， 加入過量的硅灰， 需水量太大， 導致混凝土干澀， 流動性變差， 混凝土已經無法有效成型， 從而測定的各種強度反而變小。
2.2 硅灰摻量對電阻率的影響
由強度實驗結果可知， 硅灰摻量為10%時， 對碳纖維混凝土的作用較好， 無論是相對于普通混凝土還是普通碳纖維混凝土， 抗壓強度、抗折強度和劈裂強度都有不同程度的增加。當硅灰摻量達到20%時， 由于硅灰摻量過多， 雖然增加了部分用水量， 但是還是對碳纖維混凝土的工作性造成了不良影響， 從而使碳纖維混凝土無法密實成型， 碳纖維無法分散均勻， 從而使各種強度反而降低。根據強度實驗規律， 分別制作10%硅灰摻量和20%硅灰摻量的碳纖維混凝土試件， 測定其電阻率， 以分析碳碳纖維混凝土的導電性能。
2.2.1 10%硅灰摻量碳纖維混凝土電阻率測定
按照1.2試件制作工藝， 制作10%硅灰摻量碳纖維混凝土試件， 測定電阻率， 具體實驗結果如圖2所示。
圖2 10%硅灰對電阻率的影響Fig.2 Effect of 10%silica fume on resistivity
由圖2可以觀察出， 無論是碳纖維混凝土還是加入了硅灰的碳纖維混凝土， 隨著時間的推移， 電阻率都會逐漸降低；普通碳纖維混凝土電阻率第3天到第6 d電阻率從31.7Ω降低到26.8Ω， 降低了4.9Ω， 而從第6 d到第9 d降低了2.6Ω， 說明隨著齡期的增加， 不僅電阻率逐漸降低， 同時降低速率也在逐漸縮小。普通碳纖維和添加了硅灰的碳纖維混凝土相比較， 摻加了硅灰的碳纖維混凝土電阻率明顯低于普通碳纖維混凝土， 特別是在3 d時， 兩者相差8.6Ω， 隨著時間的推移， 差值越來越小。分析認為， 碳纖維導電混凝土的導電形式主要有混凝土內部的離子導電和碳纖維組成的纖維網絡導電， 當碳纖維混凝土齡期較短時， 碳纖維混凝土的導電主要由以上兩種導電形式共同作用， 隨著齡期的增加， 碳纖維混凝土中水分的不斷損失與蒸發， 碳纖維混凝土的導電形式則主要由碳纖維混凝土網絡導電。在碳纖維混凝土中加入硅灰可以使碳纖維在混凝土中的分散性增加， 促進了碳纖維網絡的形成， 從而可以有效降低碳纖維混凝土的電阻率。
2.2.2 20%硅灰摻量碳纖維混凝土電阻率測定
按照1.2試件制作工藝， 制作20%硅灰摻量碳纖維混凝土試件， 測定電阻率， 具體實驗結果如圖3所示。
圖3 20%硅灰對電阻率的影響Fig.3 Effect of 20%silica fume on resistivity
由圖3可以看出， 摻20%硅灰后， 碳纖維導電混凝土的電阻率只有早期有所下降， 其他齡期幾乎成一條直線， 電阻率沒有明顯的變化， 這和普通碳纖維混凝土、10%硅灰摻量的碳纖維混凝土有明顯的區別， 沒有隨著齡期的增加電阻率降低， 而電阻率幾乎成一恒定值。分析認為， 20%硅灰摻量已經嚴重影響到碳纖維混凝土的和易性， 由于硅灰的比表面積太大， 雖然增加了相應的水量和高效減水劑， 但是相對的用水量還是太少， 碳纖維在混凝土中的分散性已經降低， 從而電阻率不會隨著齡期的增加而變化。
3 結論
通過在碳纖維混凝土中加入硅灰， 研究了硅灰對碳纖維混凝土抗壓強度和抗折強度的影響， 發現硅灰對碳纖維混凝土抗壓強度、抗折強度和劈裂強度都有明顯的作用， 進一步研究了硅灰對碳纖維混凝土電阻率的影響， 所得的主要結論如下：
（1） 加入10%硅灰后， 碳纖維混凝抗壓強度提高了39%, 加入20%硅灰后， 碳纖維混凝土抗壓強度反而下降， 說明20%硅灰摻量過多， 已經影響了碳纖維混凝抗壓強度。
（2） 碳纖維混凝土抗折強度比素混凝土抗折強度提高了25.8%, 加入10%硅灰后， 碳纖維混凝土抗折有提高了11.7%, 進一步說明硅灰對碳纖維混凝土強度的增強作用。
（3） 加入10%硅灰后， 碳纖維混凝土電阻率比普通碳纖維混凝土電阻率降低， 且隨著時間的增加， 電阻率不斷降低， 大約在24 d后， 電阻率基本穩定。說明硅灰對碳纖維的分散性有明顯的作用。加入20%硅灰后， 碳纖維不能有效分散， 使得碳纖維混凝土電阻率值比普通碳纖維混凝土的電阻率大， 且隨著時間的推移， 電阻率幾乎不變。
參考文獻
[1]Chung D D L.Dispersion of Short Fibers in Cement[J].Journal of Materials in Civil Engineering, 2005, 17 （4） :379-383.
[2]楊元霞， 劉寶舉。導電砼及機敏砼電阻測試中電極的研制[J].混凝土與水泥制品， 1997 （2） :8-10.
[3]Wu Junhua, Chung D D L.Pastes for electromagnetic interference shielding[J].Journal of Electronic Materials, 2005, 34 （9） :1225-1258.
[4]侯作富， 李卓球， 王建軍。碳纖維導電混凝土融雪化冰的實驗研究[J].混凝土與水泥制品， 2004 （5） :42-44.
[5]張其穎。碳纖維增強水泥混凝土導電機理研究[J].硅酸鹽通報， 2003, 22 （3） :22-24.
[6]Wen S, Chung D D L.Electrical-resistancebased damage self-sensing in carbon fiber reinforced cement[J].Carbon, 2007, 45:710-716.
[7]孫進。碳纖維混凝土導電性能及應用研究[D].大連理工大學， 2006.
[8]韋文兵， 謝慧才， 張巍。不同摻料的碳纖維水泥砂漿的壓敏性研究[J].混凝土與水泥制品， 2002, 12:44.
[9]佟鈺， 田鑫， 朱長軍， 等。短切碳纖維混凝土的力學強度實驗與分析[J].硅酸鹽通報， 2015, 34 （8） :2281-2285.
[10]魏建強。甲基纖維素對碳纖維分散性研究[J].水利與建筑工程學報， 2015, 4:148-151.
[11]魏建強。攪拌工藝對碳纖維分散性研究[J].江西建材， 2015, 9:12-13.
[12]楊洪生， 趙國才。碳纖維混凝土[J].黑龍江交通科技， 2006, 29 （9） :28-29.
[13]龍春梅。纖維對C50防水混凝土抗裂及防滲性能的影響研究[J].公路交通科技 （應用技術版） , 2011, 2:111-113.
[14]馬琳。外加劑對混凝土收縮與開裂性能影響的試驗研究[J].當代化工， 2017, 46 （2） :233-236.
