導(dǎo)電混凝土的研究綜述

譚源福

摘 要：文章綜合國內(nèi)外文獻(xiàn)概述了導(dǎo)電混凝土的發(fā)展過程和特點(diǎn)，介紹了導(dǎo)電混凝土的導(dǎo)電原理，導(dǎo)電相材料的常見類型以及性能要求，總結(jié)了導(dǎo)電混凝土的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)電混凝土；導(dǎo)電原理；電阻率；導(dǎo)電相材料

引言

混凝土是一種家喻戶曉的建筑材料。它的發(fā)展雖然只有100多年，如今已成為世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣、用量最大的建筑材料。盡管混凝土的發(fā)展非常迅速，但其性能與使用要求之間仍存在較大差距。例如傳統(tǒng)的混凝土在干燥情況下的電導(dǎo)率一般在106-109Ω·m，潮濕狀態(tài)下達(dá)到101-104Ω·m，都不具有良好的導(dǎo)電性能[1]。若要改善其導(dǎo)電性能，則需加入某種導(dǎo)電介質(zhì)，制成導(dǎo)電混凝土。

1 概述

1.1 導(dǎo)電混凝土的定義

導(dǎo)電混凝土是指由膠凝材料、導(dǎo)電相、介電骨料和水等組分，按照一定配比混合凝結(jié)而成的多相復(fù)合材料，是由導(dǎo)電相部分或全部取代混凝土中的普通骨料配置而成，具有規(guī)定的導(dǎo)電性能和一定力學(xué)性能的混凝土[2]。

1.2 導(dǎo)電混凝土的特點(diǎn)

導(dǎo)電混凝土既能發(fā)揮混凝土的優(yōu)點(diǎn)，又能安全、簡答、快捷的解除除雪化冰問題。而且采用導(dǎo)電混凝土將使除冰工作效率大大提高，對保證車輛行駛、飛機(jī)起降的安全性起到重要作用。此外，導(dǎo)電混凝土具有很好的機(jī)敏性，可以通過測定電阻率的變化反映路面內(nèi)部情況。

2 導(dǎo)電混凝土的發(fā)展過程

導(dǎo)電混凝土最早被人們開始研制是在二十世紀(jì)30年代左右，包括前蘇聯(lián)，美國，英國，德國，加拿大在內(nèi)的多個國家都開始探索了混凝土導(dǎo)電性能的可能性。

二十世紀(jì)50年代，前蘇聯(lián)不僅研究了混凝土導(dǎo)電性能的可行性，而且制定了相應(yīng)的電工混凝土標(biāo)準(zhǔn)。他們把電工混凝土分為三類，即絕緣混凝土，導(dǎo)電混凝土，特種導(dǎo)電混凝土。

二十世紀(jì)70年代，人們冬季在路面上撒布除冰鹽來消除路面和橋面上的冰雪，但確造成了混凝土的嚴(yán)重腐蝕。因此，美國和一些北歐國家開始關(guān)注混凝土通電加熱性能。

二十世紀(jì)80年代，我國也加入了導(dǎo)電混凝土的研制隊(duì)伍里[3]。

二十世紀(jì)90年代，人們在導(dǎo)電混凝土的研制和開發(fā)階段獲得了長足的進(jìn)步。Banthia等人研究了碳纖維-鋼纖維水泥復(fù)合材料的導(dǎo)電性。其28d齡期的導(dǎo)電混凝土的電阻率在31.9-78Ω·cm。

Xie等人又將導(dǎo)電混凝土分為兩類：導(dǎo)電纖維增強(qiáng)混凝土和含有導(dǎo)電骨料的混凝土。并在美國申請了導(dǎo)電混凝土的相關(guān)專利，指出導(dǎo)電混凝土復(fù)合材料具有較低的電阻率和較高的抗壓強(qiáng)度。

1988年Yehia等人開發(fā)了一種由石墨和碳質(zhì)部分取代鋼屑，并在所有配比中摻入體積分?jǐn)?shù)為1.5%的鋼纖維的導(dǎo)電混凝土。該混凝土在2001年成功的用其熱電效應(yīng)進(jìn)行除冰化雪。

我國的唐祖全等人[1]在研究了混凝土融雪化冰的可能性后，闡明導(dǎo)電混凝土是可以應(yīng)用于建筑采暖和路面融雪的。唐祖全又由硅酸鹽水泥、鋼渣和水為原材料制成了鋼渣導(dǎo)電混凝土，并成功獲得了發(fā)明專利。

1998年，李仁福[4]等進(jìn)行過一次利用水墨水泥凈漿制作室內(nèi)采暖地面的嘗試，取得了較為滿意的結(jié)果。

沈剛[5]等人研究了混凝土導(dǎo)電率與溫度的關(guān)系。他們發(fā)現(xiàn)：當(dāng)溫度低于100攝氏度時，電阻率隨溫度的升高而下降；當(dāng)溫度高于100攝氏度時，電阻率隨溫度的升高而上升。

3 導(dǎo)電混凝土的導(dǎo)電原理

混凝土的導(dǎo)電方式由兩部分組成。第一部分是由分散在基體中的導(dǎo)電組分材料形成網(wǎng)絡(luò)，并通過隧道效應(yīng)連通網(wǎng)絡(luò)間的絕緣而傳導(dǎo)。第二部分是通過水泥石的傳導(dǎo)，即水泥石的傳導(dǎo)。有學(xué)者將第二部分細(xì)分為：一種是通過自由的可蒸發(fā)水的離子導(dǎo)電；另一中是通過凝膠、凝膠水及未反應(yīng)的水泥顆粒的電子導(dǎo)電。

4 常見導(dǎo)電相材料

4.1 炭黑

炭黑粒子的粒徑分布會影響其導(dǎo)電性，粒徑分布寬的粒子的導(dǎo)電性優(yōu)于粒徑分布窄的粒子。此外如果炭黑表面含有大量活性基團(tuán)也會影響他的導(dǎo)電性能。

4.2 石墨

石墨層內(nèi)的導(dǎo)電率溫度系數(shù)呈正值，具有金屬特性。石墨層間的導(dǎo)電率溫度系數(shù)呈負(fù)值，是半導(dǎo)體。研究表明，只有在石墨的摻量比較高的時候才能使混凝土具有導(dǎo)電性，且混凝土的導(dǎo)電率在10-1-106Ω·m之間，但是混凝土的強(qiáng)度會大大降低。

4.3 碳纖維

水泥混凝土中摻入適量短切碳纖維后，除了可以提高水泥基體的韌性，提高他的抗拉強(qiáng)度外，還可以將他的電導(dǎo)率降低在102以內(nèi)。相較于石墨，碳纖維的導(dǎo)電性優(yōu)于石墨，也不會使混凝土的力學(xué)特性大幅降低。但是碳纖維的制作過程相當(dāng)繁雜，成本較高。

吳少鵬[6]等人研究發(fā)現(xiàn)：石墨和碳纖維復(fù)合可制備具有良好導(dǎo)電性能的混凝土，其路用性能有所提高，但是電學(xué)性能的穩(wěn)定性與路用性能的耐久性有待深入探究。

4.4 鋼纖維

鋼纖維本身作為金屬就具有良好的導(dǎo)電性。將鋼纖維摻入到混凝土中不僅可以顯著提高它的力學(xué)性能，而且可以改善他的耐久性和抗沖擊性能。

魏小勝等人[7]在配置導(dǎo)電混凝土?xí)r采用的是長35mm左右，直徑6.5mm左右的鋼纖維。經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)在還未達(dá)到0.4%時，電阻率隨著摻量增加顯著下降，隨后下降平緩。因此，鋼纖維及金屬粉末都不太適合作為導(dǎo)電介質(zhì)添加在混凝土中。

4.5 鋼渣

將鋼渣摻入混凝土中，不僅成本低廉，而且混凝土的力學(xué)性能也不會降低。

錢覺時、李長太等人[8]利用風(fēng)淬鋼渣制備出來了導(dǎo)電混凝土。經(jīng)試驗(yàn)研究后，發(fā)現(xiàn)鋼渣的質(zhì)量比上水泥的質(zhì)量小于0.5時，混凝土的體積電阻率沒有太大變化；當(dāng)鋼渣的質(zhì)量比上水泥的質(zhì)量在0.5-1.0時，其體積電阻率迅速降低；之后，混凝土的體積電阻率的變化趨于平穩(wěn)。

5 導(dǎo)電混凝土的發(fā)展趨勢

導(dǎo)電混凝土除了可以除去路面的冰雪外，而且還可以用于室內(nèi)采暖、動物養(yǎng)殖場制造溫室[6]。使用導(dǎo)電混凝土制造采暖地面相較于傳統(tǒng)的采暖方式，摒棄了安裝金屬片、建造鍋爐房這些舉措，不僅工藝簡單，而且成本低廉，穩(wěn)定性好。

由不同導(dǎo)電相材料制成的導(dǎo)電混凝土，在電阻器、接地工程、工業(yè)防靜電、金屬防腐陰極保護(hù)技術(shù)、等領(lǐng)域都起著不可忽視的作用。

6 結(jié)束語

導(dǎo)電混凝土經(jīng)過數(shù)十年的研究，尤其是自二十世紀(jì)九十年代以來，優(yōu)秀的研究成果不斷涌現(xiàn)，使得導(dǎo)電混凝土的研究日趨成熟，相應(yīng)的力學(xué)性能和耐久性也變得穩(wěn)定。在路面的除雪，電站的接地、地面的采暖等方面都有成功的應(yīng)用。

但是導(dǎo)電混凝土還存在導(dǎo)電性能和力學(xué)性能不可兼得，導(dǎo)電材料組分制造工藝復(fù)雜等問題。為此，我們還需要對導(dǎo)電混凝土進(jìn)行更深層次的研究，為推廣該材料奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]唐祖全，錢覺時.導(dǎo)電混凝土研究進(jìn)展[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報，2006.

[2]周永祥，冷發(fā)光，何更新，等.導(dǎo)電混凝土技術(shù)綜述[J].中國建材科技，2009.

[3]陳德明，管永良.國外導(dǎo)電混凝土的研究與應(yīng)用[J].混凝土，1991.

[4]李仁福，戴成琴，等.導(dǎo)電混凝土采暖地面[J].混凝土，1998.

[5]沈剛，董發(fā)勤.碳纖維致熱混凝土的阻溫特性研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2004.

[6]吳少鵬，磨煉同，水中和石墨改性瀝青混凝土的導(dǎo)電機(jī)制[J].自然科學(xué)進(jìn)展，2005.

[7]魏小勝，肖蓮珍，等.鋼纖維水泥基材料的導(dǎo)電機(jī)理和水化特性[J].混凝土，2006.

[8]錢覺時，李長太，等.風(fēng)淬鋼渣用于制備導(dǎo)電混凝土的試驗(yàn)研究[J].建筑材料學(xué)報，2005.