導(dǎo)電混凝土研究綜述

(廣州大學(xué) 廣東 廣州 510006)

混凝土是目前使用量最大的一種建筑材料之一，因?yàn)槠鋬?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。并且隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，混凝土逐漸向高功能和高性能發(fā)展。由于混凝土的優(yōu)異性能，世界各地都在修建混凝土路面的路橋。而冰雪災(zāi)害導(dǎo)致路面結(jié)冰又是交通事故中很重要的影響因素[1]。

以前我們處理橋梁路面的融雪多是使用氯鹽，但是長(zhǎng)期使用氯鹽來(lái)除雪不僅對(duì)結(jié)構(gòu)有強(qiáng)烈的腐蝕性進(jìn)而造成經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染導(dǎo)致植物的壞死[2]。近年來(lái)，很多國(guó)家都開(kāi)始關(guān)于導(dǎo)電混凝土在橋梁路面除冰應(yīng)用方面的實(shí)驗(yàn)研究。所謂的導(dǎo)電混凝土，是在普通的混凝土中添加一定含量的導(dǎo)電材料制成的新型水泥基復(fù)合材料。它既有普通混凝土承受荷載的能力，又有良好的導(dǎo)電性和電熱特性。運(yùn)行的原理就是，在外加電流作用下，導(dǎo)電混凝土?xí)蜃陨黼娮瓒a(chǎn)生熱量，使得路面溫暖升高，從而達(dá)到融雪除冰的目的[3]。

導(dǎo)電混凝土可以根據(jù)導(dǎo)電相骨料和膠凝材料的不同組分和質(zhì)量而具有不同的導(dǎo)電能力。目前廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域有：接地裝置、建筑物的避雷設(shè)備、消除靜電裝置、建筑采暖地面等。

一、導(dǎo)電混凝土主要性能指標(biāo)

導(dǎo)電混凝土要求在滿足工程程度的基礎(chǔ)上，具有良好的導(dǎo)電性。其主要的性能指標(biāo)包括強(qiáng)度、電導(dǎo)率或電阻率以及滿足一切特殊性能要求的干縮性、導(dǎo)熱性、耐久性等。

在設(shè)計(jì)導(dǎo)電混凝土的過(guò)程中，存在許多需要克服的問(wèn)題。其中主要的問(wèn)題是，在不降低混凝土機(jī)械性能的情況下，成品的導(dǎo)電特性必須達(dá)到適合特定用途的要求[5]。

導(dǎo)電混凝土的電阻率取決于導(dǎo)電相的電學(xué)性能、物理性能以及導(dǎo)電相與膠凝材料的相互作用。普通混凝土拌合物雖然是導(dǎo)電的，但雖然是電阻率很小，但是不適用。當(dāng)拌合物硬化時(shí)，電阻率又會(huì)變大。所以要考慮往混凝土中摻入導(dǎo)電材料，使得整個(gè)混凝土基質(zhì)中出現(xiàn)相連的導(dǎo)電粒子鏈，借助于電子的運(yùn)動(dòng)使之導(dǎo)電。由此看來(lái)，可以考慮摻入少量屑狀、球狀或者粒狀的金屬制成導(dǎo)電混凝土[6]。

二、導(dǎo)電混凝土的制備與理論基礎(chǔ)

研究表明,導(dǎo)電水泥混凝土及導(dǎo)電高分子復(fù)合材料存在電導(dǎo)滲流現(xiàn)象。在導(dǎo)電組分材料與絕緣基體材料進(jìn)行復(fù)合時(shí),當(dāng)導(dǎo)電相的體積含量小于某一臨界值時(shí),復(fù)合材料的電阻率隨導(dǎo)電相體積含量的增加而緩慢減小,當(dāng)導(dǎo)電相體積含量達(dá)到臨界值時(shí),復(fù)合材料的電阻率急劇減小,減小到幾個(gè)甚至十個(gè)數(shù)量級(jí)以上。當(dāng)導(dǎo)電材料的體積含量超過(guò)臨界值后,電阻率趨于平緩。導(dǎo)電材料的臨界體積含量成為滲濾悶值[7]。

因此,要制備具有良好導(dǎo)電性能的混凝土,導(dǎo)電材料的體積摻量應(yīng)達(dá)到足以產(chǎn)生電導(dǎo)滲流的臨界含量,即滲流闌值,但不宜超過(guò)太多[8]。

導(dǎo)電材料的形狀和尺寸對(duì)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成具有重要的影響,主要表現(xiàn)為:(l)導(dǎo)電纖維比導(dǎo)電粒子更容易形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò);(2)纖維越細(xì),相同體積含量時(shí),纖維與纖維間更易于搭接,從而形成相互連通的導(dǎo)電纖維網(wǎng)絡(luò);(3)纖維越長(zhǎng)越易搭接[9]。

由此可知,滲濾鬧值與導(dǎo)電相的長(zhǎng)徑比有關(guān)。對(duì)纖維直徑小,單絲長(zhǎng)度大的纖維,摻人較少體積含量即會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)電滲流現(xiàn)象,從而獲得良好的導(dǎo)電性能。

因?yàn)槠胀ɑ炷恋碾娮杪矢撸话阍?06～109Ω·cm范圍內(nèi)，無(wú)法直接發(fā)電。所以需要特別的制備。目前用于配制導(dǎo)電混凝土的導(dǎo)電組分一般可以分為：石墨、碳纖維、鋼纖維以及鋼渣等[10]。

石墨不僅具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，而且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐酸堿，抗氧化性好。但必須在摻量較高時(shí)才能在混凝土內(nèi)形成相互連通的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。但因?yàn)槭杷亢艽螅@會(huì)大大增加混凝土拌合物的用水量，使得混凝土的強(qiáng)度大幅度的降低[11]。

因?yàn)樽鳛榻饘伲摾w維和鋼渣具有良好的導(dǎo)電性。在混凝土中加入鋼纖維，可以提高混凝土的抗拉、抗彎、抗剪等力學(xué)性能，并使得混凝土的抗沖擊、抗疲勞、抗裂和耐久性有較大的提高。但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼纖維表面產(chǎn)生的氧化鈍化膜會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電混凝土的電阻率上升[12]。

關(guān)于形成金屬氧化膜的問(wèn)題，可以通過(guò)使用不受水泥漿影響的導(dǎo)電材料加以解決。比如說(shuō)碳類，但是，這些碳對(duì)水灰比也會(huì)有不良作用，從而也會(huì)對(duì)成型后的收縮及強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響[13]。

但是因?yàn)殇摾w維和鋼渣導(dǎo)電混凝土的電阻率相對(duì)較大，所以這兩者都不是制備導(dǎo)電混凝土的最佳導(dǎo)電成分。

三、小結(jié)

目前在導(dǎo)電混凝土的研究應(yīng)用中還有一些問(wèn)題有待解決：

(1)對(duì)于顆粒狀或粉末狀的石墨粉、碳粉以及鋼屑這類導(dǎo)電材料的摻量比較不好控制。當(dāng)摻量小時(shí)，不能形成良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)電性能差。當(dāng)摻量較大時(shí)，因?yàn)閷?dǎo)電材料的吸水性，會(huì)加大混凝土的需水量，使得混凝土強(qiáng)度降低。所以，目前還需要更好的研究和兼顧導(dǎo)電混凝土在力學(xué)與導(dǎo)電這兩方面的性能要求。

(2)導(dǎo)電混凝土的造價(jià)普遍較高而且某些導(dǎo)電相的混凝土制備工藝還較為復(fù)雜。其中對(duì)相對(duì)較好的碳纖維來(lái)說(shuō)，雖然在摻量方面，摻量較低時(shí)就可以形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。但由于其纖維搭接的接觸面較小，其電導(dǎo)率低，需要加大纖維的摻量才能改善其導(dǎo)電性能。但是與此同時(shí)，過(guò)高的纖維又會(huì)使得纖維在攪拌時(shí)容易結(jié)成團(tuán)，難以分散，也容易引入大量的氣泡。因此，在制作過(guò)程中還需要加入消泡劑。