用于牺牲阳极法的碳纤维导电砂浆的导电性能研究

摘要：本文对不同掺量的碳纤维导电砂浆电阻率进行了试验，分析了龄期、掺量对碳纤维导电砂浆电阻率的影响机理，并得出碳纤维的上阈值点和下阈值点。从理论上分析了牺牲阳极法中导电砂浆的工作原理，并结合试验结果确定出适用于大气混凝土建筑的牺牲阳极法中导电砂浆的碳纤维最佳掺量为0.6%。

关键词：牺牲阳极法 碳纤维 导电砂浆 电阻率

引言

每年，由于氯离子对钢筋混凝土结构的破坏而导致的经济损失极其巨大。尽管各地都相继出台了建筑工程中海砂的淡化及使用的相关政策，然而每年仍有大量含有氯离子的海砂被用于沿海的实际工程中。

阴极保护法是国际上公认的金属防腐蚀技术，已有一百多年的历史，在土建行业中的应用主要在土壤和水中钢结构的保护。阴极保护法分为牺牲阳极法和外加电流法两种。其中牺牲阳极法有后期维护简单、成本低的特点，在国内各类建筑的氯离子腐蚀防护有着广阔的应用前景。

在大气中混凝土建筑的牺牲阳极法中，混凝土需要充当电解质的作用，在其中进行的离子交换是牺牲阳极系统回路中不可或缺的一环。然而由于牺牲阳极法的驱动电位差直接与阳极材料相关，能够提供的电位差是有限的，而大气中混凝土的电阻率较大，因此牺牲阳极法应用在大气混凝土建筑中往往会因保护电流不足而起不到保护钢筋的作用。正是大气中混凝土的电阻率与海水和土壤的电阻率存在的巨大差异，使得牺牲阳极法在大气中混凝土建筑物中的应用受到了极大的限制。因此如何降低混凝土的电阻率，使其能够胜任牺牲阳极法中阴阳极之间离子交换的任务，是牺牲阳极法应用于大气混凝土建筑中的关键所在。

本文针对的是已建房屋的修补加固，因此研究的基体材料均采用修补砂浆。在修补砂浆中掺入碳纤维以降低砂浆的电阻率，使其能够在大气混凝土建筑的牺牲阳极法中充当电解质的作用，从而形成完整的阴极保护电流回路。

原材料

1、碳纤维

碳纤维是由经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。其层状结构可以让电子自由通过，因此具有很好的导电性。

大量文献表明，长度为5-10mm的短切碳纤维掺入混凝土中能使其达到不错的导电效果，长度过长会导致相互缠绕、难以分散良好，长度过短会影响其导电性能。本文采用盐城市翔力碳纤维制品厂生产的6mmPAN基短切碳纤维（性能参数见表1）。

2、其他原料

水泥采用的是42.5级普通硅酸盐水泥，砂采用厦门艾思欧标准砂有限公司生产的标准砂，分散剂采用甲基纤维素，电极采用尺寸为的不锈钢片。

试验方法

本文所用砂浆的配合比为水泥：砂：水=3：9：2，碳纤维掺量为砂浆体积分数的0%，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%和1%，共六组。掺碳纤维的试件参考文献[4]中湿拌法，将碳纤维放入烧杯中，加水搅匀，加入分散剂甲基纤维素，掺量为水泥用量的0.5%，再将砂、水泥、水等加入搅拌锅，搅拌3分钟，成型的试件，并将4片不锈钢片电极埋入试件中（如图1），保证测试过程中测试工具与砂浆之间的接触电阻较小。每两个电极之间间距50mm。

本文采用北京斯创尔建筑技术开发有限公司生产的SR-4000型混凝土电阻率测试仪对试块电阻率进行测试，并辅以鸿昌牌HC710型万用表进行校核。

试验结果

1、电阻率随时间的变化

图2为碳纤维各掺量下，砂浆的电阻率随龄期变化的规律曲线。由图中可以看出，各掺量下的砂浆随着龄期增大，电阻率不断升高，这是由于新拌试块含有大量自由水，这为离子的自由移动提供了较好的环境，因此电阻率较低；随着时间的推移，自由水逐渐参与水化反应，砂浆试块的离子导电能力大大降低，电阻率随之升高；在28天后，水化作用相对减弱，砂浆试块的电阻率也渐渐趋于稳定。

在龄期为3天时，六组试块的电阻率差距较小，而龄期为28天时，各组之间电阻率差距明显变大。这是由于早期离子导电所占的比重较大，电阻率主要与拌合时的用水量相关，本文试验中各组水灰比相同，因此各组早期电阻率差距较小；随着水化的进行，离子导电所占比重越来越小，碳纤维的电子导电性能逐渐占据主导，碳纤维掺量相对较小的砂浆主要依靠孔隙液中的离子进行电荷传导，水化作用消耗的水使得砂浆导电能力迅速下降，而碳纤维掺量较大的砂浆试块由于其导电更多的依靠碳纤维的电子导电，水的消耗对其电阻率影响相对较小。因此随时间推移，碳纤维掺量较小的砂浆电阻率增大明显，而碳纤维掺量较大的砂浆电阻率变化较小，各掺量下砂浆试块电阻率差距越来越明显。

2、电阻率随掺量的变化

图2中可以看出，掺加碳纤维后，砂浆的电阻率明显降低。图3和图4分别为龄期为7天和28天时，砂浆试块的电阻率与碳纤维体积掺量的关系曲线。由图中可以看出，当碳纤维掺量体积分数小于0.2%时，电阻率提高并不明显；进一步提高掺量，在体积分数为0.2%～0.8%之间时，碳纤维对砂浆试块电阻率影响明显增大；当掺量体积分数超过0.8%后，进一步提高掺量对砂浆电阻率的影响又重新变小。这是由于当碳纤维掺量较小时，碳纤维之间彼此基本完全孤立，此时碳纤维复合砂浆的电阻率主要取决于基体；当掺量超过一定量A1时，碳纤维之间部分连续，在这一阶段电阻率随碳纤维掺量的增加急剧变小；当掺量超过A2时，碳纤维间彼此连续，形成网络，此时砂浆的电阻率取决于导电组分的导电性。A1与A2两点就是渗滤阈值，其中A1为上阈值点，A2为下阈值点。由图3和图4可以看出，上阈值点在0.2%附近，而下阈值点在0.8%附近。

3、碳纤维导电砂浆在牺牲阳极法中应用的原理分析

大气中混凝土建筑物中的牺牲阳极法原理如图5（a）所示，其中钢筋作为阴极，活泼金属（本文以锌为例）作为阳极，钢筋和锌块之间的砂浆作为电解质，锌块和钢筋之间用导线连接形成整个牺牲阳极保护电流回路。这个回路的电流驱动力来自于钢筋和锌块的电位差。锌块作为阳极放出电子，电子就顺着外电路（导线）向阴极移动，而阴极的钢筋因为不断得到电子，因而电位降低，这个过程就叫做极化。同时阴极得到的电子与水和氧气发生反应，生成氢氧根离子。在电解质环境中，阴阳极分别产生的锌离子和氢氧根离子定向移动，使得两极保持电中性。由于大气中砂浆的电阻率较大，阻碍了离子在砂浆中的定向移动，钢筋和锌块的电位差不足以在整个牺牲阳极系统中产生足够的保护电流，因此牺牲阳极法很难在大气中的混凝土建筑物中得到广泛应用。

在砂浆中掺入一定量的碳纤维有助于降低砂浆的电阻率。碳纤维的导电机理类似于石墨，其层状结构能形成电子自由移动的通道，属于电子导电材料。当碳纤维掺量超过下阈值点时，碳纤维彼此搭接形成网络（如图5（b））。可以将联成网络的碳纤维看做一条金属导线，此时由于碳纤维的电阻率远低于砂浆本身，因此电荷将不会以砂浆中离子的形式进行传导，因此此时砂浆不能充当牺牲阳极法中电解质的作用，导致牺牲阳极系统失效。

而当碳纤维掺量在上阈值点和下阈值点之间时，碳纤维彼此之间未完全联成网络（如图5（c））。此时电荷以离子的形式在砂浆基体中传递，在碰到碳纤维时，离子放出电荷，以电子的形式在碳纤维内部传递，传递到碳纤维另一端处即放出电荷，重新以离子形式在砂浆基体中传递。这样一方面碳纤维的掺入降低了砂浆的电阻率，保证了足够的保护电流，另一方面碳纤维之间没有彼此联通，仍保证了砂浆内部的离子交换，因此此时砂浆可以充当牺牲阳极系统中电解质的作用。

将碳纤维导电砂浆应用于牺牲阳极法应是在保证碳纤维掺量未达到下阈值点的前提下，尽可能的降低砂浆的电阻率，从而提高保护电流，提高牺牲阳极系统的整体效率。由图4可以看出，碳纤维掺量达到0.8%后，再继续掺入碳纤维对砂浆电阻率的影响较小，因此可以判定碳纤维的下阈值点在0.8%附近。因此理想的碳纤维掺量应在0.6%。此时碳纤维降低砂浆电阻率的效果较好，砂浆的离子导电部分也能发挥作用，充当牺牲阳极保护系统中电解质的作用。

结论

砂浆电阻率随着时间推移而变大，并随着水化反应的进行逐渐趋于稳定。

碳纤维的掺入能降低砂浆的电阻率，当掺量小于上阈值点（体积分数0.2%左右）时，电阻率下降较小；当掺量在上阈值点（体积分数0.2%左右）和下阈值点（体积分数0.8%左右）之间时，电阻率随掺量增加而下降得较多；当掺量超过下阈值点后，砂浆的电阻率又重新趋于稳定。

砂浆在大气混凝土建筑中的牺牲阳极法中充当电解质的作用，为使既能满足电阻较小又能胜任离子交换的任务，碳纤维的掺量应取上阈值点与下阈值点之间，并尽量接近下阈值点以保证电阻率最小，根据本文试验结果，碳纤维的最佳掺量应为0.6%。

（作者单位：浙江大学）