导电功能集料及其复相水泥基材料技术原理与制备研究

导电水泥基材料在工程结构智能化、安全监测、道路除冰以及电磁屏蔽等方面有重要作用和广阔应用前景。已有导电功能是通过在材料水泥石相中加入一定量导电相形成导电网络实现，均布性和整体性较差；采用的碳系、金属系两大类导电相在使用时也存在性能不稳定、或性价比低、影响水泥基材料性能等问题。本项目基于混凝土结构特征，提出以导电功能集料与水泥石中导电相复合的材料完整导电体系设计思路，设计制备可大幅度提高导电性、稳定性和可控性的新型导电水泥基材料。研究导电功能集料组成、烧成、结构与其导电性能之间的关系，探明导电集料微结构形成机理及制备原理；研究导电集料与导电水泥基材料所形成的复合材料结构与性能特点，探明其电流逾渗特征、力-电和电-热特性，揭示其导电机理和应用技术原理，为材料制备和应用提供理论指导。且创新性利用高碳粉煤灰和高铁钢渣为主要原料烧成制备导电功能集料，降低导电水泥基材料制备使用成本，促进其发展应用。

导电水泥基材料在工程结构智能化、安全监测、道路融雪除冰以及电磁屏蔽等方面有重要作用和广阔应用前景。已有导电功能是通过在水泥石相中加入一定量导电相形成导电网络实现，均布性和整体性较差；导电相包括金属和碳系两大类，目前存在电性能不稳定或性价比低，以及影响水泥基材料性能等突出问题。本项目提出以导电功能集料与水泥石中导电相复合的材料完整导电体系设计思路，设计制备出可显著提高导电性、稳定性和可控性的新型水泥基导电材料。进行了导电相掺量、煅烧制度、粘土组成、混料和成型工艺等因素对导电功能集料性能影响的实验研究，制备得到体积电阻率低于10Ωcm导电功能集料。研究证明，对于导电相存在最佳体积掺量（10%左右），且该值随导电相粒度降低而降低。探明集料最佳烧成制度为弱还原气氛下，预热温度500℃，预热时间10min，烧成温度1040℃~1200℃，烧成时间20min。同时探索了利用高碳粉煤灰和高铁钢渣为原料制备导电功能集料。利用制备的导电功能集料和碳纤维作为主要导电相制备得到复相导电水泥基复合材料。采用正交实验方法对碳纤维掺量和分散方法、导电功能集料掺量等因素对复相导电水泥基复合材料性能影响进行了研究。结果表明，羟丙基甲基纤维素可显著改善碳纤维分散性；当导电水泥基材料配合比为：碳纤维掺量为水泥体积的0.6%，导电集料掺量约为总体积的1/3时，导电性能达到最佳，同时具备良好的工作性能。通过电阻率测试和SEM等微观测试方法，并结合理论分析探索了导电功能集料-碳纤维复相导电水泥基材料的导电机理。结果表明，导电功能集料的掺入明显降低了碳纤维的逾渗阈值掺量，在30%导电功能集料体积掺量下，碳纤维掺量为0.3%时电阻率降低了一个数量级以上，同时材料中自由水对电阻率的影响减小；表明导电功能集料对水泥基材料中导电网络完整性和连续性有显著改善作用。分析认为其导电机理是导电通路效应、隧道效应以及电场发射效应共同作用的结果。研究了导电功能集料-碳纤维复相导电水泥基材料的压敏性能。通过循环加载实验，研究了复相导电水泥基材料在不同应力水平、加载速率、碳纤维掺量和导电功能集料含量等因素下的电阻变化。结果表明，该材料表现出应力与电阻率变化的良好线性相关性；与普通集料-碳纤维水泥基导电材料相比有更优良的压敏性能。研究了复相导电水泥基材料的电热效应，实验结果表明该材料具备显著的电热性能，可实际用于融雪除冰。