Dynamiczne właściwości elektryczne lekkich zapraw cementowych z dodatkiem grafitu odpadowego

• Autorzy: Pichór W.

Warianty tytułu

EN

Dynamic electrical properties of lightweight cement mortars with waste graphite additive

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przedstawiono wyniki badań dynamicznych właściwości elektrycznych lekkich zapraw budowlanych z dodatkiem grafitu odpadowego. Niską gęstość pozorną zapraw cementowych uzyskano poprzez dodatek mikrosfer glinokrzemianowych pozyskiwanych jako uboczny produkt spalania węgla kamiennego, zastępując nimi część piasku. Jako dodatek przewodzący wykorzystano grafitowy pył powstający w czasie szlifowania elektrod przeznaczonych dla przemysłu metalurgicznego w ilości 35% wag. w stosunku do cementu. Dodatek grafitu w ilości przekraczającej próg perkolacji spowodował zmianę charakteru przewodnictwa elektrycznego z bardzo słabego jonowego na elektronowy, czego konsekwencją jest obniżenie oporu właściwego o kilka rzędów wielkości. Oprócz znacznego zwiększenia przewodnictwa elektrycznego w zaprawach tych zaobserwowano efekt generacji napięcia termoelektrycznego (efekt Seebecka). Napięcie termoelektryczne generowane poprzez zaprawy z dodatkiem grafitu mierzono w zakresie temperatur od -10 do 50°C względem temperatury odniesienia 20°C. Wpływ zawartości mikrosfer na wartość współczynnika Seebecka jest pomijalnie mały. Przeprowadzono badania dynamicznych odpowiedzi zapraw na wymuszone bodźce zewnętrzne - różnice temperatur (pomiar napięcia termoelektrycznego) oraz cykliczne obciążanie ze stosunkowo dużym przyrostem siły (pomiar rezystancji zapraw). W przypadku dynamicznych pomiarów termoelektrycznych realizowanych metodą tzw. skoku temperaturowego zaobserwowano wpływ współczynnika przewodzenia ciepła zapraw na szybkość ustalania się napięcia Seebecka proporcjonalnego do wymuszonej różnicy temperatur. Zaprawy o zmniejszonym współczynniku przewodzenia ciepła znacznie szybciej reagowały na zmiany temperatury zewnętrznej. W przypadku badań zmian oporu elektrycznego w funkcji cyklicznego obciążania zapraw względna zmiana oporu była największa dla zapraw z dużą zawartością mikrosfer glinokrzemianowych. Lekkie zaprawy cementowe z dodatkiem pyłu grafitowego dzięki swojej wielofunkcyjności mogą znaleźć zastosowanie w konstrukcjach tzw. domów inteligentnych, np. do monitoringu temperatury przegród budowlanych czy do oceny stanu naprężeń konstrukcji. Dzięki małej gęstości objętościowej uzyskanej przez wprowadzenie mikrosfer glinokrzemianowych uzyskuje się wzrost czułości zapraw cementowych z dodatkiem grafitu na zmienne bodźce zewnętrzne oddziałujące na materiał.

EN

This paper presents the results of investigation dynamic electrical and thermoelectric properties of lightweight cement mortars with cenospheres from coal ash and waste graphite powder additive. Quartz sand was replaced by aluminosilicate cenospheres up to 60% of mass. The replacement sand led to significant reduction of bulk density and thermal conductivity of cement mortars. The waste graphite powder obtained during mechanical treatment of metallurgical electrodes production was used as the conductive filler. Graphite powder was added up to 35% of cement mass. The main physical properties: bulk density and thermal conductivity were investigated. Addition of graphite powder above percolation threshold changed the character of electrical conductivity of cement mortars. Reduction of resistivity is very strong. In case of mortars with 35% cement replacement by graphite powder the Seebeck voltage was measured. Addition of graphite powder to mortars led to moderate detoriation of main properties but cement mortars but got possibility of reaction due to the temperature changes. The Seebeck coefficients calculated for all investigated mortars were similar (in error range) and weak dependence of temperature gradient was in each case. But in typical application the thickness of used mortars were very small (about 1-2 cm) and the changes were to small to induce measurable level of thermoelectric force. The point is that in case of lightweight mortars the low thermal conductivity caused much higher temperature gradient and consequence the Seebeck voltage increased. The dynamic measurements of electrical conductivity and Seebeck effect were done. The electrical resistivity of mortars during cyclic load were changed up to 28% for mortars with maximal amount of aluminosilicate cenospheres. The changes were reversible. In case of Seebeck voltage the effect of time constants of reaction on the immediately temperature change were measured. The effect of thermal conductivity was visible. Lightweight cement mortars with conductive particles as graphite powder are multifunctional materials and may be used to monitor the temperature of building's wall.

Słowa kluczowe

PL

kompozyty cementowe; zaprawa izolacyjna; grafit; efekt Seebecka; materiał wielofunkcyjny

EN

cement composites; lightweight mortars; graphite; Seebeck effect; smart material

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2010
• Tom: R. 10, nr 2
• Strony: 175--180
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Pichór W.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków,

Bibliografia

• [1] Patent USA nr 5447564 Conductive cement-based compositions, 1995.
• [2] Nishikawa T., Takatsu M., Fracture behavior of hardened cement paste incorporating mineral additions, Cement and Concrete Research 1995, 25, 1218-1224.
• [3] Guan H., Liu S., Duan Y., Cheng J., Cement based electromagnetic shielding and absorbing building materials, Cement and Concrete Composites 2006, 28, 468-474.
• [4] Sun M., Li Z., Mao Q., Shen D., Study on the hole conduction phenomenon in carbon fiber-reinforced concrete, Cement and Concrete Research 1998, 28, 549-554.
• [5] Wen S., Chung D.D.L., Seebeck effect in carbon fiber-reinforced cement, Cement and Concrete Research 1999, 29, 1989-1993.
• [6] Wen S., Chung D.D.L., Seebeck effect in steel fiber reinforced cement, Cement and Concrete Research 2000, 30, 661-664.
• [7] Gołek Ł., Pichór W., Modyfikowane zaprawy izolacyjne na bazie perlitu, Mat. konf. Dni Betonu, Wisła 2006, 555-568.
• [8] Siva L.M., Ribeiro R.A., Labrincha J.A., Ferreira V.M., Role of lightweight fillers on the properties of a mixedbinder mortar, Cement and Concrete Composites 2010, 32, 19-24.
• [9] Demirboğa R., Gül R., The effects of expanded perlite aggregate, silica fume and fly ash on the thermal conductivity of lightweight concrete, Cement and Concrete Research 2003, 33, 723-727.
• [10] Pichór W., Petri M., Właściwości kompozytów cementowo-włóknistych z dodatkiem mikrosfer, Kompozyty (Composites) 2004, 4, 319-325.
• [11] Suryavanshi A.K., Swamy R.N., Development of lightweight mixes using ceramic microspheres as fillers, Cement and Concrete Research 2002, 32, 1783-1789.
• [12] Matsunaga T., Kim J.K., Hardcastle S., Rohatgi P.K., Crystallinity and selected properties of fly ash particles, Materials Science and Engineering A 2002, 325, 333-343.
• [13] Chiarello M., Zinno R., Electrical conductivity of self-monitoring CFRC, Cement and Concrete Composites 2005, 27, 463-469.
• [14] Wen S., Chung D.D.L., Effect of fiber content on the thermoelectric behavior of cement, Journal of Material Science 2004, 39, 4103-4106.
• [15] Michalski L., Eckersdorf K., Pomiary temperatury, WNT, Warszawa 1986.
• [16] Chung D.D.L., Damage in cement-based materials, studied by electrical resistance measurement, Materials Science and Engineering R, 2003, 42, 1-40.
• [17] Bontea D., Chung D.D.L., Lee G.C., Damage in carbon fiber- reinforced concrete, monitored by electrical resistance measurement, Cement and Concrete Research 2000, 30, 651-659.