導電瀝青混凝土電極材料與布設形式研究綜述

楊文平，王云鵬，邊雪偉，楊明珠 （華北水利水電大學土木與交通學院，河南 鄭州 450045）

1 引言

在寒冷季節，特別是北方道面積雪結冰現象嚴重地區，使得行車安全和人民生命財產受到威脅，路面積雪結冰還可能迫使交通中斷，給人們的出行帶來不便。導電混凝土是一種新型材料，屬于高度絕緣體，要使其導電就必須添加導電相材料，并在外部電流的作用下，由焦耳定律可使導電混凝土生熱。20世紀30-40年代，人們開始研制導電混凝土。20世紀50年代末，前蘇聯將炭黑摻入到鈉質水玻璃混凝土中，得到電阻率為10-3Ω·m ～10-2Ω·m 的導電混凝土。20世紀70年代，美國、加拿大及北歐等國家為解決融冰氯鹽對混凝土的腐蝕性，進行對導電混凝土研究。我國在20世紀80年代對導電混凝土開始進行研究。Minsk[1]在1968年首次發表了導電瀝青混凝土的研究，他用的導電相材料是石墨。研究表明，電極的材料與布設形式會對導電混凝土的各項性能都會產生影響。針對電極材料與布設對導電混凝土的影響，特做以下綜述，為導電混凝土電極布設研究以及導電混凝土在道面除冰雪的運用奠定基礎。

2 導電混凝土的概述

2.1 導電混凝土的定義

本身是高度絕緣混凝土要變成導體需要在混凝土中摻入導電材料，使得混凝土的電阻率達到導電生熱的要求，同時與普通的混凝土相比各項性能沒有損失或損失較小。水泥混凝土由于水水化后自身含有一定量的Ca2+、SO42-等離子成分，在潮濕的環境下本身具有一定的導電能力，而傳統瀝青混凝土的電阻率為106Ω·m～1012Ω·m，屬于高度絕緣體[3]。美國的 sherif Yehia和Christopher Y.tuan[2]提出對于融雪化冰用導電瀝青混凝土來說,其電阻率至少要在10Ω·m以下?？梢哉f研究導電混凝土就是研究導電混凝土的電阻率。

2.2 導電混凝土的類型

根據導電材料的差異性可以把導電混凝土按材料名稱命名和分類，導電相填料有碳纖維、石墨、石墨烯、鋼渣、鋼纖維、炭黑等。把參加碳纖維的導電混凝土叫做碳纖維導電混凝土、鋼纖維的混凝土稱為鋼纖維導電混凝土等。還有在混凝土中摻加多種導電材料，如加入石墨和碳纖維的混凝土叫石墨碳纖維導電瀝青混凝土，加入了兩種或者多種導電材料的混凝土，統稱為復合導電混凝土。由于瀝青混凝土具有優越的路用性能，導電瀝青混凝土更具有使用價值，其中比較新穎的是澆注式導電瀝青混凝土，澆注式導電瀝青混凝土就是在澆注式瀝青混凝土中加入導電相填料，使得其具有澆注式瀝青混凝土優良性能的同時也具導電性，從而達到融冰雪的效果，由于澆注式導電瀝青混凝土油石比高，價格較昂貴，目前研究主要是用于橋面的鋪裝，但還沒有實體工程。

3 研究導電混凝土的意義

我國受冰凍影響地區廣泛，其中路面積雪結冰使得人們出行受阻。為了不影響人們的出行就需要除冰雪。除冰雪的方法有很多，其中人工除雪法除雪比較徹底，但效率低且影響交通。機器除雪法除雪速度快，除雪面積達，但價格昂貴，甚至要中斷交通或者增加機械閑置費用?；瘜W劑法中國內外常用的是撒布氯化物融雪劑，撒布融雪劑可以有效除去道面冰雪，提高路面安全系數，車輛附著系數恢復，保證了道路的暢通。然而撒布融雪劑使得氯離子下滲入到混凝土中使得鋼筋纖維銹蝕、路面剝離破壞，還可能給道路沿線的土壤造成鹽侵蝕。已有案例說明了融雪劑帶來的負面影響。例如，1988年，由于使用氯鹽融雪劑使得美國已經建成的60萬座鋼筋混凝土橋出現損害，需要投入2000億美元修復,相比于建設費用，復修的費用是當初建橋費用的4倍[3]。因此很迫切的需要研發一種新型的道路融冰化雪方法來代替傳統的方法。Yehia S和C.Y.Tuan等[4]在導電混凝土中通入48V的電壓,輸出功率為5l9W/m2就可以使得路面無積雪和結冰,經計算每場降雪的能量消耗約為$0.7/m2～$1.0/m2，從此可以發現導電混凝土的研究存在巨大的經濟潛力。

4 導電混凝土電極材料與布設形式

導電混凝土要設置電極才能與外導電相連而導電，因此有必要研究導電混凝土中的電極。電極材料，電極電阻以及與測試試樣之間的接觸關系，都會影響導電瀝青混凝土電阻測試結果。楊元霞，劉寶舉[5]等在導電混凝土及機敏混凝土電阻測試研究中，以銅片和石墨布為原材料制備了電極進行研究，研究發現：使用石墨布（4cm×4cm）電極與外電線膠粘，并且在試件養護后表面涂導電膠，上壓貼銅導線和石墨布后固化測得的電阻率最小為2.84kΩ·cm，變異系數為12。韓寶國，關新春，歐進萍[6,7]等采用銅網、鋼網、鋼片為電極材料，人為測試碳纖維導電混凝土的電阻率，對比了有埋入式和外貼式兩種布設對電阻進行測試，研究發現，埋入式的網狀電極測量較準確。唐祖全、錢覺時等[8]人研究發現：在導電混凝土中內埋不銹鋼板電極升溫速率最快且板中心溫度最高。侯作富、李桌球等[9]通過試驗研究發現上下式網狀電極與混凝土接觸比左右式不銹鋼電極較緊密，升溫速率高。王朝輝，韓曉霞[10]等全面研究了電極布設方式、碳纖維撒布量、導電相材料參變量對澆注式導電瀝青混凝土傳導熱效果的影響，研究在考慮經濟與施工難易程度的條件下選擇鋁電極，布設方式選擇豎向并在電極和試樣之間撒布碳纖維以減少接觸電阻，碳纖維撒布量為170g/m2，電壓輸出方式為交流電，大小宜為54V。劉鵬[11]采用石墨烯作為導電瀝青混凝土電極材料，采用仿真模擬結合室內升溫實驗的方法確定電極的布設方案。建立石墨烯電極導電瀝青混凝土電熱模型；進行了仿真模擬與室內試驗驗證，驗證石墨烯電極方案具有較高的升溫速率。并研究電極的工作性能的影響因素。但是目前所研究的導電瀝青混凝土都是單層結構，還沒有運用雙層結構的研究。綜上所述，電極材料可以選用鋁片、不銹鋼、銅片、銅網、石墨片、石墨烯等?？紤]經濟性等原因，推薦采用的電極材料為銅絲網。布設形式根據施工情況和電極的耐久性確定采用上下設置和側面設置，鑒于上下埋設的電極電阻穩定性不足，隨著時間的延長而變大，故此推薦選用側面設置，側面設置電極容易連接外部導線，并在布設側面電極時在導電混凝土與電極之間撒布微量石墨。

5 結語及展望

在廣義上研究導電混凝土就是研究導電材料和電極，目前導電瀝青混凝土還在成長期，還沒有用于道路實體工程，考慮到傳導熱效果和制作簡便的原因，許多研究都只考慮單層導電瀝青混凝土的電熱性能研究，因此有必要廣泛的研究導電瀝青混凝土。從以上的分析可以發現導電混凝土中電極布設形式采用埋入式可獲得較好的導電生熱效果，融冰效率更高。導電混凝土的研究將會給路面融冰雪技術注入新鮮的血液，更加的節約經濟成本，并成為一種無污染的融冰雪技術。