導(dǎo)電混凝土研究

彭景元

（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣東廣州 510006）

1 導(dǎo)電混凝土技術(shù)

1.1 導(dǎo)電混凝土定義

導(dǎo)電混凝土是由導(dǎo)電性材料部分或全部取代普通混凝土中的骨料，然后和膠凝材料、水、摻合料以一定的比例混合制作而得到的具有一定的導(dǎo)電性能和力學(xué)性能的特種混凝土。

根據(jù)膠凝材料不同可以將導(dǎo)電混凝土大體分為三種類(lèi)型：無(wú)機(jī)類(lèi)（由導(dǎo)電性無(wú)機(jī)材料作為主要材料制作而成的導(dǎo)電混凝土）、有機(jī)類(lèi)（由有機(jī)導(dǎo)電材料制作的導(dǎo)電混凝土）和復(fù)合類(lèi)（如新型導(dǎo)電性聚合類(lèi)材料制作的導(dǎo)電混凝土）。

1.2 導(dǎo)電混凝土主要性能指標(biāo)

導(dǎo)電混凝土的工程性能指標(biāo)還包括抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)電性的好壞以及滿(mǎn)足一些特殊性能要求的耐久性和熱傳導(dǎo)性等。導(dǎo)電性用電阻率來(lái)衡量，導(dǎo)電混凝土的電阻率視其用途而異，變化范圍一般為10-3～102Ω·m。混凝土強(qiáng)度影響因素很多，跟普通混凝土相比較，導(dǎo)電相材料本身的機(jī)械強(qiáng)度、粒度、形狀、級(jí)配和含量對(duì)混凝土的強(qiáng)度有較深的影響，尤其是碳質(zhì)導(dǎo)電相材料，由于其自身的強(qiáng)度性能較差，它在混凝土中所占的體積百分率對(duì)導(dǎo)電混凝土的強(qiáng)度起決定性作用。對(duì)使用環(huán)境有特殊要求時(shí)，還需要考慮混凝土的干縮性和導(dǎo)熱性等指標(biāo)。

2 不同導(dǎo)電混凝土制作手法

導(dǎo)電混凝土可根據(jù)其導(dǎo)電相材料不同進(jìn)行劃分種類(lèi)，導(dǎo)電相材料一般有如下幾類(lèi)：碳纖維、石墨、鋼纖維等。通常情況下，碳質(zhì)導(dǎo)電相材料會(huì)對(duì)混凝土的強(qiáng)度有較大的影響。制造過(guò)程只需要澆筑和成模設(shè)備即可，且其用法和常規(guī)混凝土基本類(lèi)似。

2.1 石墨導(dǎo)電混凝土

石墨具有良好的導(dǎo)電性，與一般金屬粉末相比，具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，且具有較好的耐酸堿、抗氧化性能。但是，摻量足夠大時(shí)才能在混凝土內(nèi)部形成相互連通的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，而且石墨導(dǎo)電混凝土需水量也較大，直接導(dǎo)致了混凝土強(qiáng)度的下降。因此，石墨導(dǎo)電混凝土適合應(yīng)用在對(duì)混凝土強(qiáng)度要求不太高的地方，如建筑物的非承重部位?？紤]到石墨導(dǎo)電混凝土強(qiáng)度低的弊端，可以采用濕法高壓擠壓成型制作工藝，使得石墨導(dǎo)電混凝土既能具有良好的導(dǎo)電性，又能較好地提高其力學(xué)強(qiáng)度。但該方法在制作上需要能提供較大壓力的機(jī)械。

周浩、陳隆道等人[1]的研究發(fā)現(xiàn)，石墨含量會(huì)明顯地影響導(dǎo)電混凝土的電阻率，當(dāng)石墨含量低于一定值時(shí)，電阻率會(huì)以較快速度下降。吳少鵬等人[2]用滲流模型來(lái)模擬研究石墨導(dǎo)電瀝青混凝土的導(dǎo)電效應(yīng)，當(dāng)石墨含量達(dá)到滲流閾值后，電阻率會(huì)以指數(shù)的形式下降，導(dǎo)電混凝土以及導(dǎo)電高分子復(fù)合材料都會(huì)存在一定的電導(dǎo)滲流現(xiàn)象。

2.2 碳纖維導(dǎo)電混凝土

碳纖維綜合具有碳和纖維的多種優(yōu)良特性。碳纖維導(dǎo)電混凝土具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，可以充分利用其導(dǎo)電、發(fā)熱性能將其應(yīng)用在多種工程環(huán)境中。碳纖維混凝土有著比石墨混凝土更為出色的導(dǎo)電性能，是由于碳纖維密集地分布在混凝土中，更容易在混凝土中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而提高其導(dǎo)電能力。唐祖全等人[3]研究發(fā)現(xiàn)，水泥漿中加入碳纖維后，滲流閾值會(huì)保持在0.85%附近。當(dāng)混凝土中含有較多的碳纖維時(shí)，混凝土?xí)捎诓痪鶆驍嚢瓒霈F(xiàn)纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，同時(shí)在攪拌時(shí)不可避免地會(huì)引入大量氣泡，從而增加了混凝土的氣孔率，降低混凝土的平整性以及力學(xué)強(qiáng)度。因此，制作中通常需要加入一定量的分散劑（如甲基纖維素和消泡劑）。制作時(shí)應(yīng)先用分散劑將碳纖維在水中充分分散，再和水泥、砂石一同進(jìn)行攪拌。在碳纖維混凝土中加入適量的硅灰能夠部分降低混凝土的電阻率，同時(shí)可在一定程度上提高碳纖維的分散性。

在選用較粗的骨料配制用于發(fā)熱的導(dǎo)電混凝土?xí)r，不宜摻入太多的石子。侯作富等人[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水泥、砂、石子摻量為1：1：2時(shí)，碳纖維導(dǎo)電混凝土的綜合性能最佳。

2.3 鋼纖維導(dǎo)電混凝土

鋼纖維最大的特點(diǎn)就是具有較高的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)又能夠有較好的導(dǎo)電性能。所以，鋼纖維常常作為制作導(dǎo)電混凝土的導(dǎo)電相材料。有學(xué)者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，混凝土中鋼纖維的電阻率會(huì)隨著時(shí)間的推移明顯增大，原因是混凝土呈堿性，金屬在其中會(huì)銹蝕形成膜，從而加大其電阻率。

魏小勝等人[5]在試驗(yàn)中采用長(zhǎng)度25～45mm、直徑0.5～0.8mm的鋼纖維配制導(dǎo)電混凝土來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在鋼纖維體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.5%之前，鋼纖維導(dǎo)電混凝土的電阻率會(huì)隨著含量的增加而明顯下降。所以，導(dǎo)電混凝土不宜單獨(dú)采用鋼纖維或是金屬粉末作為導(dǎo)電介質(zhì)。

3 導(dǎo)電混凝土的發(fā)展展望

目前，在世界范圍內(nèi)，用工業(yè)鹽融雪化冰還是最為主要和普遍的除雪方法。但這種方法局限性太多。①施撒工業(yè)鹽需要工人無(wú)論在多么極端的天氣下去人工撒鹽融化冰雪；②工業(yè)鹽對(duì)路面以及其他的混凝土都會(huì)有一定傷害，并且可能對(duì)環(huán)境造成一定的影響。利用導(dǎo)電混凝土的電熱效應(yīng)，道路和建筑上的積雪和冰會(huì)自動(dòng)融化，人們生產(chǎn)生活將不會(huì)受到冰凍天氣的影響。所以導(dǎo)電混凝土的研究發(fā)展會(huì)對(duì)人們的生產(chǎn)生活具有十分重要的意義。并且，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及材料科學(xué)的發(fā)展，導(dǎo)電混凝土一定會(huì)像普通混凝土那樣變得便宜，一定會(huì)在今后的工程中得到廣泛的應(yīng)用。

[1]周浩，陳隆道.導(dǎo)電混凝土及其應(yīng)用[J].混凝土與水泥制品，1992（04）：12～13.

[2]吳少鵬，磨煉同，水中和，等.導(dǎo)電瀝青混凝土的制備研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2002（05）：567～570.

[3]唐祖全，李卓球，錢(qián)覺(jué)時(shí).碳纖維導(dǎo)電混凝土在路面除冰雪中的應(yīng)用研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2004（02）：215～220.

[4]侯作富，李卓球，唐祖全.融雪化冰用碳纖維混凝土的導(dǎo)電性能研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（08）：32～34.

[5]魏小勝，肖蓮珍，李宗津，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（04）：11～13.