2. 山东省路基安全工程技术研究中心, 山东 济南 250061
2. Shandong Engineering & Technology Research Center for Subgrade Safety, Jinan 250061, Shandong, China
近年来,随着电子产品的普及以及高压输电线、信号发射塔、雷达站等基础设施大量兴建,由此引发的电磁辐射危害引起人们越来越多的关注。电磁辐射能够诱发多种人类疾病、导致植物基因突变、干扰电子设备的正常运行,在通信领域还可以导致信息泄露等一系列问题[1, 2, 3, 4]。电磁辐射已被世界卫生组织列为第三大公害[5, 6, 7]。目前在水泥机体中掺入导电材料已成为国内外普遍采用的电磁屏蔽技术,其原理是通过在普通混凝土或砂浆中掺入铁氧体、石墨、碳纤维、结晶水等材料,使外部磁场在材料内部形成涡流,从而增加电磁波的反射损耗和内部吸收损耗,以达到屏蔽电磁波的目的[3, 8]。
国内伍崇明等通过理论分析、室内试验和计算机模拟等研究方法[9, 10, 11],对密度为2 320～5 700 kg/m3的屏蔽混凝土系列的配合比设计、性能和施工技术与工艺参数等进行了系统深入的研究,建立了质量配合比法和体积配合比法相结合的屏蔽混凝土配合比设计方法;吕楠等研究了在混凝土中掺入短切纤维和铁氧体粉末[12, 13, 14, 15],试验结果表明在10 kHz～1 500 MHz波段范围内,纤维组分相同的情况下,3 mm纤维的屏蔽效能优于6 mm纤维的屏蔽效能;铁氧体含量的增加对屏蔽性能的改善情况不明显。董发勤等论述了电磁屏蔽混凝土的发展现状,同时对掺石墨/碳纤维电磁屏蔽砂浆进行了屏蔽效能的研究,结果表明在30 MHz～1.8 GHz范围内,碳纤维电磁屏蔽砂浆SEmin大于石墨电磁屏蔽砂浆SEmin,碳纤维电磁屏蔽砂浆的最大SEmin达到10 dB[2, 5]。
国外对屏蔽混凝土的研究较早,尤其是在欧美国家,在屏蔽理论、结构设计方法、屏蔽材料选择等方面都进行了深入的研究,并取得了重要进展:丹麦的Bache Hans Hiroshi 等用掺有金属或合金粉末等的导电材料生产磁性混凝土,该混凝土能够加工电磁仪器[16];美国的FU X和CHUNG D D L 等对屏蔽混凝土做了大量的研究,通过在混凝土中掺入石墨、碳纤维和钢纤维等,研究其屏蔽效能,同时还研究了粉煤灰掺量对屏蔽混凝土效能的影响[17, 18, 19, 20]。
屏蔽混凝土虽然电磁屏蔽效能较好,但是其本身自重大、成本高、配合比复杂,因此难以适用于民用建筑。据此,本研究采用特种镀铜导电纤维为导电掺入材料,研究了不同纤维掺量对砂浆的力学性能及导电性能影响规律,分析了纤维掺量、纤维长度、砂浆厚度对屏蔽效能的影响,以期为该电磁屏蔽砂浆技术在民用建筑中的推广提供借鉴。
1 试验 1.1 试验材料镀铜纤维由镀铜导电织物布破碎而成,宽度为1 mm,水泥为P.O.42.5普通硅酸盐水泥,砂体选用河砂,其级配见表 1,水灰质量比比选用0.45,灰砂质量比为1∶2。
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表1 砂体级配 Table 1 Sand grading |
为了研究不同纤维掺量对砂浆力学性能和导电性能的影响,探究纤维长度、体积分数以及砂浆厚度对屏蔽效能的影响规律,试验工况如表 2所示。
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表2 试验工况设计 Table 2 Experiment operating condition design |
砂浆抗压和抗折强度试验参照《水泥胶砂强度检测方法》(ISO法)[21],试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm立方体,抗折试验采用三点弯曲法,在折断后的试件上进行抗压强度试验。
1.3.2 电阻率试验电阻率试验采用四电极法[22, 23],试件尺寸为边长50 mm立方体试件,试件应在40 ℃恒温真空箱中烘干,直至24 h试件质量不再变化。在试件内部布置4个平行电极,如图 1所示,其中在B、C两极之间连接电压测量装置,测量时A、D两电极之间施加0.01 A稳定电流,通过电脑测定B、C两电极之间的电压。
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图 1 电阻率试验方法示意图 Fig. 1 Resistivity experiment Schematic plot |
按照式(1)计算B、C两电极之间的电阻率。
| $\rho = R\frac{A}{L}$ | (1) |
式中:ρ为B、C两电极之间电阻率,Ω·m; R为B、C两电极之间电阻,Ω ;A为通电表面面积,m2; L为B、C两电极之间长度,m。
1.3.3 屏蔽效能试验屏蔽效能用SE(shielding effectiveness)表示[24, 25],屏蔽效能为没有屏蔽时入射或发射电磁波与在同一地点经屏蔽后反射或透射电磁波的比值,即为屏蔽材料对电磁信号的衰减值,如式(2),其单位为分贝(dB):
| ${\rm{SE}} = 20 \cdot \lg \left( {{E_b}/{E_a}} \right),$ | (2) |
式中Eb, Ea分别为屏蔽前、后的电场强度。
屏蔽效能试验参照ASTM 4935,采用法兰同轴法,通过网络分析仪测定砂浆在0～3 GHz范围内屏蔽效能,夹具为圆形,试件尺寸为10 cm×10 cm、厚度2～3 cm,测试时试件超过夹具圆形边缘,试件两端固定。
2 试验结果分析 2.1 力学性能试验结果分析砂浆28 d抗折和抗压强度如图 2所示,分析图 2可知,金属纤维能够显著提高砂浆的力学强度,随着纤维机体掺量的增加,砂浆抗折强度逐渐增大,纤维砂浆抗折强度比普通砂浆增加约14.2%～17.8%;抗压强度提高约7.3%～23.1%。分析原因可知:普通砂浆为脆性破坏,即一旦出现裂纹后便迅速扩展破坏,掺入金属纤维后砂浆韧性增强,试件破坏时并没有立即断裂,金属纤维与水泥机体的粘结力承担了部分荷载,因而金属纤维能够阻止砂浆中裂缝的发展,从而提高砂浆强度。
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图 2 不同纤维掺量砂浆28天抗折和抗压强度图 Fig. 2 Compressive and flexural strengths of different fiber dosage mortar in 28 days |
图 3为实测不同纤维体积分数的砂浆B、C两电极之间的电压随时间变化规律。由图 3可知各工况电压值曲线在100 s时逐渐区域平缓,说明在100 s后电压逐渐稳定,随着金属纤维的体积分数的增加,B、C两电极之间的电压越来越小,表明其电阻值逐渐减小。图 4为根据式(1)计算得到的不同纤维体积分数砂浆的电阻率,纤维掺量为1.5%时对应的电阻率仅为普通砂浆的3.5%,由此可知金属纤维能够大大提高砂浆的导电性能。
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图 3 电压值随时间变化规律 Fig. 3 The voltage changed by time |
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图 4 不同纤维体积分数的电阻率 Fig. 4 The resistivity of mortar in different fiber volume |
图 5为不同纤维的体积分数砂浆屏蔽效能曲线。由图 5可以看出,不同纤维掺量条件下SE值随辐射频率的变化规律基本相同,金属纤维砂浆的SE值优于普通砂浆,表明镀铜金属纤维能够提高砂浆的屏蔽效能;随着纤维体积分数的增加,SE值呈现先增大后减小的趋势,说明镀铜织物纤维砂浆纤维体积分数存在一个阈值。体积分数为0.5%纤维砂浆的SE曲线与体积分数为1.5%的SE曲线基本重合,表明两者SE大致相同,体积分数为1%的SE优于其他两种体积分数,原因可能是体积分数为1.5%的纤维砂浆纤维易结团,难以拌合,导致纤维在砂浆内部非均匀排列,影响屏蔽效能。在2 000～3 000 MHz频段内,体积分数为1%的纤维砂浆较普通砂浆的SE提高约5 dB,在2 500 MHz频段其SE值达到最大值-32.64 dB,为普通砂浆的1.59倍。
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图 5 不同纤维体积分数砂浆屏蔽效能曲线 Fig. 5 Shield performance bight in different volume fraction |
图 6为不同纤维长度砂浆屏蔽效能,分析图 6可知,纤维长度对砂浆电磁屏蔽效能影响较明显,随着纤维长度的增加,SE值逐渐增强。纤维长度为5 mm的砂浆SE曲线与普通砂浆大致重合,表明两者在各个波段对电磁波的屏蔽效能大致相同,纤维长度为5 mm对砂浆电磁屏蔽效能改善不明显;纤维长度从5 mm增加大到10 mm时,屏蔽效能在2 000～3 000 MHz范围内SE增加明显,增幅平均约为5 dB,纤维长度为20 mm时,其屏蔽效能在各个频段范围内显著增加,在0～700 MHz和2 000～3 000 MHz波频范围SE较普通砂浆增加约10 dB,在2 500 MHz频段SE达到最大值32 dB。分析原因可知,0.5 mm长度纤维在砂浆中分散均匀,中间填充水泥和细骨料,隔断纤维之间联结,纤维与纤维之间并没有形成导电通路,故SE并没有显著改善,长纤维能够增加纤维彼此搭接形成导电通路的机率,所以SE明显提高。
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图 6 不同纤维长度砂浆屏蔽效能 Fig. 6 Shield performance bight with different fiber length |
图 7为体积分数1%、纤维长度为10 mm时不同厚度砂浆在各个频段内的屏蔽效能曲线,分析图 7可知:厚度为1 cm和2 cm的纤维砂浆的SE值大致相当;砂浆厚度由2 cm增加大3 cm时,SE值增加明显,在1 500 MHz～3 000 MHz频段内,3 cm厚度纤维砂浆的SE几乎为2 cm厚度纤维砂浆的2倍,其SE均超过20 dB,最大值为50 dB;在500～3 000 MHz频段内,1 cm厚度纤维砂浆SE较2 cm厚度普通砂浆SE好,说明该镀铜金属纤维能够提高砂浆在中高频范围内的SE。
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图 7 不同砂浆厚度屏蔽效能曲线 Fig. 7 Shield performance of cement mortar in different thickness |
本研究通过对镀铜金属纤维砂浆力学性能、导电性能和屏蔽效能的试验研究,得出如下主要结论:
(1)金属纤维能够提高砂浆的力学性能,纤维砂浆抗折强度比普通砂浆增加约14.2%～17.8%,抗压强度增加约7.3%～23.1%。
(2)纤维砂浆电阻率随着纤维的体积分数的增加逐渐降低,纤维的体积分数为1.5%时对应的电阻率仅为普通砂浆的3.5%。
(3)砂浆掺入金属纤维后,SE值增加,金属纤维的体积分数存在一个阈值,体积分数为1%时,SE最好,在2 500 MHz频段其SE达到最大值-32.64 dB,建筑中推荐掺入体的积分数为0.5%～1.0%。
(4)随着纤维长度的增加,砂浆SE逐渐增大,5 mm长度纤维对砂浆SE改善不明显,纤维长度为20 mm时,其屏蔽效能在各个频段范围内显著增加,在0～700 MHz和2 000～3 000 MHz波频范围SE较普通砂浆增加约10 dB。
(5)砂浆厚度对屏蔽效能影响明显,民用建筑中推荐砂浆厚度为3～4 cm。
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