水泥基电热模块的制备与表征

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电热混凝土是通过在普通混凝土中掺入导电发热组分而制成的一种功能性水泥基复合材料,既能保持结构材料的性能,又可具备电热材料的特性。电热混凝土不仅可以应用于冬季道路和桥梁的除冰融雪、建筑室内采暖、混凝土结构变形校正,还可运用于电磁屏蔽、接地泄流、金属阴极保护系统等工程领域,具有巨大的潜在应用前景,因此对电热混凝土的研究具有重大意义。本文选取炭黑和碳纤维作为导电相材料制备炭黑-碳纤维水泥基电热模块,通过研究搅拌工艺、集料、水及导电相材料等因素对水泥基电热模块导电性能产生的影响,优化配合比设计。结果表明:将碳纤维、水及分散剂预先搅拌混合的搅拌工艺制备出的试件导电性能最好,且导电性能保持稳定;当纤维长度大于砂石最大粒径时,砂的粒径大小对导电性能基本没有影响,但砂胶比对导电性能影响很大,当砂胶比超过0.5时,电阻率显著增长;水胶比在0.3~0.5范围内,电阻率随水胶比增加线性下降;随着导电相掺量的增加,试件电阻率变小,当炭黑掺量为0.5%,碳纤维掺量为1.0%时,试件电阻率可达到0.23?·m。在20±1℃的条件下,选取电阻率在0.27~13.1?·m范围内的水泥基电热模块进行发热效果试验。试验选用测量精度极高的PT100铂电阻温度传感器及CR1000数据采集器对试件表面温度进行采集,通过Logger Net测试系统记录实验数据,并观察温度变化。采用升温幅度和升温速率作为评价指标,分析各电阻率试件的发热效果。结果表明:电阻率在1.08~5.26?·m范围内的水泥基电热模块发热效果较为适宜,其升温幅度为6.85~26.5℃,升温速率介于0.1~0.34℃·min-1之间;电阻率为13.10?·m时,表面升温幅度低于5.0℃,发热效果较差;当电阻率为0.27?·m时,11min后试件局部升温超过60℃,升温速率高达3.22℃·min-1,易产生较大的温度应力。此外,建立了基于电阻率与通电时间的水泥基电热模块温度预测模型,分析了模型的适用范围。
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