碳纤维水泥净浆试块渗流现象分析

测试试样中间两电极间的体积电阻和电阻率由下述公式计算：

式中：L—电压电极间的距离，即试块电阻率测试部分的长度，L=11mm。

　　　S—试块横截面积，S=40×40mm2。

由于电阻值出现一定的波动，为便于研究，对每组试样的电阻值取其平均值。电阻率的测试结果如图3-3所示。

图3-3　碳纤维掺量与碳纤维水泥净浆试块电阻率的关系(www.xing528.com)

从图3-3可以看出，随着碳纤维加入量的增加，碳纤维水泥净浆试块电阻率大幅度下降。当碳纤维掺量较少（碳纤维掺量为0.2%）时，碳纤维会孤立地分散在水泥基体中，相邻碳纤维之间距离较大，电子不能穿越其间势垒，导电作用不大，试块的电阻率为727.3Ω·m；当碳纤维掺量为1%和1.2%时，碳纤维间距减小，在电场力作用下电子可以穿越相邻两根碳纤维之间的势垒运动传导电荷，形成隧道效应导电，试块的电阻率分别为94.5Ω·m和1.8Ω·m，电阻率与碳纤维掺量为0.2%时相比分别下降了87.1%和99.7%，下降幅度很大；随碳纤维掺量的增加，碳纤维之间间距很小，并形成连通的导电网络，电阻率继续降低；继续增加碳纤维掺量为2%时，仅使导电通路增加，导电链的数目更多，试块的电阻率仍继续下降，但是下降比例逐渐减小。上述研究结果表明，该体系下的渗流区域为碳纤维掺量为相对水泥质量分数的1.0%～1.2%。

上述现象可用碳纤维渗流结构来解释。碳纤维水泥基复合材料的电导率是由水泥中的碳纤维的分散性和碳纤维网络所决定的。图3-4为碳纤维水泥净浆试块中碳纤维及基体的扫描电镜照片。从中可见，碳纤维能较好地分散于基体中。当碳纤维掺量较低时，碳纤维均匀地分布在水泥基体中，彼此相互不搭接，见图3-4（a），依靠隧道效应进行导电传输；随着碳纤维掺量的增加，碳纤维彼此之间出现局部的相互搭接，见图3-4（b），形成导电“簇”，试件导电率逐步提高，当碳纤维掺量达到渗流临界值时，碳纤维相互搭接并在水泥基体内部形成连通的导电网络，试件的导电率迅速增加。此时试件的导电主要由相互搭接的碳纤维来完成，此后碳纤维掺量继续增大，试件的导电率变化不甚明显。本体系的碳纤维水泥净浆试块在碳纤维含量为1.2%时，碳纤维分散均匀，已经形成良好的导电网络，这时再增加碳纤维含量已对导电网络影响不大。由于目前碳纤维价格还比较昂贵，不宜掺量过多。

图3-4（a）碳纤维不搭接

图3-4（b）碳纤维相互搭接