導(dǎo)電混凝土的研究與應(yīng)用

摘要：導(dǎo)電混凝土是一種特種混凝土,其基本原理是導(dǎo)電材料部分或全部取代混凝土中的普通骨料,它是具有符合規(guī)定的電性能和一定的力學(xué)性能的特種混凝土。導(dǎo)電混凝土具備熱和電的感知和轉(zhuǎn)換能力,這就使得它不僅能作為一種建筑承載材料使用,而且還將在電工、電子、電磁干擾屏蔽、防靜電、電加熱器、鋼筋陰極保護(hù)、建筑地面采暖、路面除冰融雪等方面發(fā)揮重要作用。因此關(guān)于導(dǎo)電混凝土的研究受到越來越廣泛的關(guān)注。

關(guān)鍵詞:導(dǎo)電混凝土電阻率石墨碳纖維混凝土鋼纖維混凝土導(dǎo)電介質(zhì)導(dǎo)電性能

混凝土因其優(yōu)良的物理力學(xué)性能在土木工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，是目前用量最大的一種建筑材料。普通混凝土的電阻率高，電阻率一般在10⁶～10⁹Ωcm范圍內(nèi)。屬電的不良導(dǎo)體。對(duì)于交流電來講，干燥的混凝土是良好的絕緣體，其電阻率約為10¹³Ωcm^[1]。但隨著混凝土中水分的增加，混凝土的電阻率降低。由于混凝土中水泥水化后有很多離子性的物質(zhì)(電解質(zhì))溶解于水中，這些溶解鹽也可以充當(dāng)電介質(zhì)，并通過毛細(xì)管互相連接，因此混凝土隨著水分的增加，其導(dǎo)電性能也增加。當(dāng)完全飽和時(shí)，混凝土的電阻率可降至10²～10³Ωcm^[2]。所以普通混凝土是一種介于絕緣體和導(dǎo)體之間的材料。

如果在普通混凝土中添加一定量的導(dǎo)電組分材料，可使其導(dǎo)電性能大大改善，從而形成具有較好導(dǎo)電性能的導(dǎo)電體。導(dǎo)電混凝土既有結(jié)構(gòu)材料的特點(diǎn)，又具有導(dǎo)電性。這不僅使混凝土作為一種結(jié)構(gòu)材料使用，以及在電工、電磁干擾屏蔽、工業(yè)防靜電、電力設(shè)備接地工程、電加熱器、鋼筋陰極保護(hù)、建筑地面采暖、路面除冰融雪等方面發(fā)揮重要作用。

１導(dǎo)電混凝土的導(dǎo)電機(jī)理

導(dǎo)電混凝土是指由膠凝材料、骨料、導(dǎo)電組分材料和水等按一定配合比組成的多復(fù)合材料，是在普通混凝土中摻入適量導(dǎo)電組分材料而形成的一種水泥基功能復(fù)合材料。其中導(dǎo)電組分作為分散相，導(dǎo)電性能好；混凝土或水泥作為基體相，導(dǎo)電性能差。導(dǎo)電混凝土的導(dǎo)電一個(gè)方面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)連同網(wǎng)絡(luò)間的絕緣而傳導(dǎo)，另一方面是通過水泥石傳導(dǎo)。對(duì)于前者，如碳纖維、石墨粉及鋼纖維為電子導(dǎo)電，電流通過彼此搭接或接觸形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳導(dǎo)。同時(shí)，導(dǎo)電顆?；蚶w維分散在水泥集體中，受絕緣的水泥基體阻隔，形成壁壘。當(dāng)間隔距離減小，使水泥基體形成的勢(shì)壘足夠小，或電子從外界或得充足的能量時(shí)，就會(huì)越過勢(shì)壘，從一個(gè)導(dǎo)電體越到另一個(gè)導(dǎo)電體，從而形成導(dǎo)電^[3]。對(duì)于后者，及水泥石的導(dǎo)電，whittington^[4]等人認(rèn)為可分為兩部分:一部分是通過可自由蒸發(fā)的水離子進(jìn)行導(dǎo)電。另一部分是通過膠凝、膠凝水以及未反應(yīng)的水泥顆粒的電子導(dǎo)電，主要是鐵、鋁、鈣的化合物。

2 常用的導(dǎo)電組分材料

導(dǎo)電混凝土既可以作為結(jié)構(gòu)混凝土使用，也可以和常規(guī)混凝土混合使用。導(dǎo)電混凝土比?；炷凛p，其質(zhì)量是常規(guī)混凝土的70%，而且導(dǎo)電混凝土的熱穩(wěn)定性一點(diǎn)也不比常規(guī)混凝土遜色;導(dǎo)電混凝土的制造過程只需要傳統(tǒng)的混合和澆筑設(shè)備即可，且其用法和常規(guī)混凝土基本類似。

導(dǎo)電混凝土主要是依靠導(dǎo)電材料的相互接觸進(jìn)行導(dǎo)電的。目前可以作為導(dǎo)電混凝土骨料的材料，主要是碳質(zhì)材料。碳質(zhì)材料的骨料主要有石墨骨料、炭黑、碳質(zhì)輕骨料、碳纖維等。

2.1 石墨材料

石墨是一種可行的導(dǎo)電材料，也是應(yīng)用最早的導(dǎo)電骨料，它具有強(qiáng)度不較高、導(dǎo)電性能比較好等特點(diǎn)。但是，石墨要制成一定粒度的骨料，在目前技術(shù)上有一定難度，配置的導(dǎo)電混凝土電阻不夠，再加上其價(jià)格較高，在應(yīng)用上受到很大限制。

2.1 炭黑材料

炭黑是以含碳原料(主要為石油)經(jīng)不完全燃燒而產(chǎn)生的微細(xì)粉末。外觀為純黑色的細(xì)?；蚍蹱钗铩ｎ伾纳顪\，粒子的細(xì)度，密度的大小，均隨所用原料和制造方法的不同而有差異。炭黑不溶于水、酸、堿;能在空氣中燃燒變成二氧化碳。炭黑的主要組成物是碳元素，還含有少量的氫、氧、硫、灰分、焦油和水分^[5]。

炭黑的種類和用途很多，用于導(dǎo)電混凝土的炭黑主要有導(dǎo)電炭黑、超導(dǎo)電炭黑等。炭黑雖然在價(jià)格上比石墨低廉，但在成粒上也有很大難度，存在著與水泥漿體粘結(jié)性差等缺點(diǎn)，也不利于在導(dǎo)電混凝土中應(yīng)用。

2.3 碳質(zhì)輕骨料

碳質(zhì)輕骨料是英國(guó)Marconi通信系統(tǒng)公司研制成功的一種碳質(zhì)骨料，也是一種導(dǎo)電性能較好的骨料，我國(guó)在此基礎(chǔ)上已有所改進(jìn)。這種導(dǎo)電骨料具有電阻率小、質(zhì)量輕、價(jià)格低、雜質(zhì)少等優(yōu)點(diǎn)，其壓實(shí)堆積密度為960kg/m³，松散堆積密度為800kg/m³，其pH值一般為7.1左右^[6]。

這種骨料不僅克服了石墨材料嚴(yán)重不足，而且其價(jià)格較低。實(shí)驗(yàn)證明，這種材料的吸水率雖然比較大，在飽和面干狀態(tài)(含水率0.2%)時(shí)的吸水率可達(dá)到15%，但是瞬時(shí)性的，且吸水膨脹性很小。在掌握這一特性后，有利于在設(shè)計(jì)配合比和施工工程中更容易控制水灰比。但是，與水泥漿體的粘結(jié)性較低，雖然不如普通砂石，但要比石墨和炭黑高。 

2.4 碳纖維材料

碳纖維是一種導(dǎo)電性材料，不僅可以代替普通混凝土中的細(xì)骨料，而且又可以作為一種增強(qiáng)材料。在混凝土中加入碳纖維后，不僅不會(huì)像其他碳質(zhì)骨料一樣，對(duì)導(dǎo)電混凝土強(qiáng)度有不利的影響，反而還可以提高導(dǎo)電混凝土的強(qiáng)度，特別是對(duì)混凝土的抗彎強(qiáng)度提高更為顯著^[7]，更重要的是其體積電阻率隨著外界應(yīng)力的改變而改變。因此，其混凝土結(jié)構(gòu)直接可以作為一個(gè)良好的傳感器而被廣泛應(yīng)用。

2.5 金屬材料

金屬的電阻率和各種電解質(zhì)相比是極低的，如銅的電解率僅為1.7×10^-8Ωcm、鐵的電阻率為9.7×10^-8Ωcm等。由此看來，在水泥混凝土拌和物中摻入研磨、切削或刮下來的少量屑粉、球粉或粒狀金屬，比較適合配制成導(dǎo)電混凝土。

對(duì)于大多數(shù)的導(dǎo)電材料來說，一般不能直接用于制作導(dǎo)電混凝土，必須首先對(duì)這些材料進(jìn)行必要的加工處理，制作成一定的粒度、形狀和級(jí)配，才能作為導(dǎo)電骨料用于混凝土。在導(dǎo)電混凝土中，除碳纖維導(dǎo)電混凝土外，其他碳質(zhì)材料對(duì)混凝土強(qiáng)度均有不力影響。目前，大多數(shù)導(dǎo)電混凝土是用碳質(zhì)輕骨料作粗骨料，用碳纖維作為細(xì)骨料，碳質(zhì)輕骨料的最大粒徑不應(yīng)大于20mm。

３導(dǎo)電混凝土的主要性能指標(biāo)

(1)強(qiáng)度。

導(dǎo)電混凝土的力學(xué)性能通常以抗壓強(qiáng)度來表征。導(dǎo)電混凝土的抗壓強(qiáng)度仍按普通混凝土抗壓試驗(yàn)方法測(cè)得。影響導(dǎo)電混凝土強(qiáng)度的因素很多，與普通混凝土不同的是，導(dǎo)電相材料本身的機(jī)械強(qiáng)度、粒度、形狀、級(jí)配和摻量對(duì)混凝土的強(qiáng)度影響較大。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質(zhì)量百分率對(duì)導(dǎo)電混凝土的強(qiáng)度起決定作用^[8]。

(2)導(dǎo)電性。

導(dǎo)電混凝土或是在電場(chǎng)下工作，或是作為輸導(dǎo)電流的導(dǎo)電材料,因此導(dǎo)電性是衡量導(dǎo)電混凝土性能的主要物理參數(shù)。它應(yīng)具有給定的數(shù)值，并且在一定的時(shí)間、允許荷載和溫度范圍內(nèi)保持其穩(wěn)定性。衡量導(dǎo)電性的指標(biāo)一般為電阻率。導(dǎo)電混凝土的電阻率視其用途而異，一般可變化在10^-3～10²Ωm。

(3)電阻率的穩(wěn)定性。

電阻率的穩(wěn)定性是導(dǎo)電混凝土作為導(dǎo)電材料基本的要求。穩(wěn)定性的要求主要為:隨使用時(shí)間的延長(zhǎng)、環(huán)境溫度和溫度的變化,導(dǎo)電混凝土的電阻率應(yīng)保持相對(duì)穩(wěn)定；導(dǎo)電混凝土在通電過程中，通電時(shí)間、通電次數(shù)以及一定范圍內(nèi)的電壓高低等對(duì)電阻應(yīng)沒有明顯的影響。只有保持穩(wěn)定的電阻率，其導(dǎo)電過程才具有可控性。

４存在的問題

對(duì)顆粒狀、粉末狀的石墨粉、碳粉、焦炭及鋼屑等導(dǎo)電材料，由于其長(zhǎng)徑比小，當(dāng)摻量較小時(shí)，導(dǎo)電材料難以相互接觸，不能形成良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，顧其導(dǎo)電性能差;當(dāng)摻量較大時(shí)，一反面由于炭黑、焦炭等本身強(qiáng)度較低，另一方面由于導(dǎo)電材料的吸水性，將加大混凝土拌和的需水量，是混凝土的強(qiáng)度大幅降低，難以滿足土木工程對(duì)力學(xué)性能的要求^[9]。對(duì)碳纖維，雖然摻量較低時(shí)可以形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，但由于纖維搭接面較小，因此其導(dǎo)電性能較低。當(dāng)摻量較大時(shí)，將使纖維在攪拌是結(jié)團(tuán)成束，難以分散。在成型時(shí)易引入大量的氣泡，降低混凝土強(qiáng)度。而對(duì)于鋼纖維，其粒徑較粗，當(dāng)纖維產(chǎn)量較低時(shí)，難以形成相互搭接的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)電性能差。但纖維摻量過高時(shí)，混凝土工作性又差，采用常規(guī)施工較為困難。因此，目前研究的導(dǎo)電混凝土難以較好的兼顧導(dǎo)電性能和力學(xué)性能的要求。

５結(jié)語

導(dǎo)電混凝土是一種新型的特種功能混凝土,其電阻率取決于導(dǎo)電材料的種類、性能與摻量,具備熱和電的感知和轉(zhuǎn)換能力,是一種“智能”型材料。導(dǎo)電混凝土具有材料來源廣泛、制備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)等特性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,今后在結(jié)構(gòu)工程、電工工程以及家庭取暖等領(lǐng)域?qū)?huì)被廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]葉青，張澤南，胡國(guó)軍.摻碳纖維水泥基

導(dǎo)電材料的物理性能研究[J].混凝土與水泥制品,1995,3:46～49.

[2]孫普生.英國(guó)研究出能快速變熱的導(dǎo)電混凝土[J].石油工程建設(shè),1998,6:54.

[3]張躍，職任濤，朱逢吾等，碳纖維(LCF)-無宏觀缺陷(MDF)水泥基復(fù)合材料電學(xué)性能的研究[J].材料科學(xué)進(jìn)展，1992,6(4):357～362.

[4]SanMingqing.LinZhuoqiu.Maooizhao.Shondarong.Studyontheholecondactionphenomenaincarbonfiberre-inforcedconcrete.CementandConcreteResearch.1998，2:549～553.

[5]YunshengXu.D.D.L.Chung.Si-lane-treatedcarbonfiberforreinforeingcement.Carbon.2001.

[6]SihaiWen.D.D.L.Chung.Carbon

Fiber-reinforcedcernentasaTbermistorCementandConcreleResearch.1999,2:961～965.

[7]毛起邵，楊元霞，沈大榮,等，碳纖維增強(qiáng)壓敏性影響因素的研究。硅酸鹽學(xué)報(bào),1997,6.

[8]李文剛,劉樂平.導(dǎo)電混凝土研究現(xiàn)狀[J].中國(guó)建筑文摘,2007,5:36～38.

[9]Chung.D.D.L.Cement-matrixCom-positesforSmartStructures.SmartMaterialsandStructures.2009,9:389～401.