導(dǎo)電混凝土研究現(xiàn)狀

　　導(dǎo)電混凝土是一種新型的混凝土,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、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。

1.導(dǎo)電相骨料

導(dǎo)電混凝土的導(dǎo)電相骨料應(yīng)具有必需的導(dǎo)電性、足夠的機械強度和溫度穩(wěn)定性。同時應(yīng)能在組分局部過熱時具有抗氧化作用,它不應(yīng)與膠凝材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)電相與膠凝材料的線膨脹系數(shù)值應(yīng)相近,導(dǎo)電相的導(dǎo)電性對溫度的依賴性應(yīng)最小。所以,并非所有電阻率低的導(dǎo)電材料均適宜作導(dǎo)電相材料。試驗表明,在眾多的導(dǎo)電材料中,碳質(zhì)骨料最適宜作為導(dǎo)電混凝土的骨料,現(xiàn)在研究最多的也就是碳纖維導(dǎo)電混凝土和石墨導(dǎo)電混凝土。導(dǎo)電材料可取代部分骨料摻入或作為單獨組分直接摻入。根據(jù)導(dǎo)電相骨料在混凝土中取代的成分不同,導(dǎo)電相骨料常分為導(dǎo)電相細骨料和導(dǎo)電相粗骨料。

2.電極設(shè)計

在導(dǎo)電混凝土的應(yīng)用中,主要的測量和測控參數(shù)是材料的電阻值,電極是聯(lián)系被測試樣和測試儀表的橋梁。因此電極電阻率的大小、與被測試樣及外導(dǎo)線接觸良好與否及在使用中的耐久性等,都直接關(guān)系到測試結(jié)果的精確度和真實性,所以電極設(shè)計就顯得尤為重要。

一般地,測試電阻值主要是由試件電阻、電極電阻、電極與試件間的接觸電阻以及電極與外引導(dǎo)線間的接觸電阻四部分組成?？梢允褂玫碾娮璋雌湫螤罘钟?布狀電阻(如石墨布),片狀電阻(如銅片),線狀電阻(如銅絲);按其與混凝土的連接方式可分為:外粘式和預(yù)埋式。研究證明,表面涂導(dǎo)電膠,上壓貼銅導(dǎo)線和石墨布,然后固化所得到的電極測試電阻值是最小的,且結(jié)果變動系數(shù)也不大,同時也不破壞試件的完整性。

3.導(dǎo)電混凝土的主要性能指標(biāo)

(1)強度。導(dǎo)電混凝土的力學(xué)性能通常以抗壓強度來表征。導(dǎo)電混凝土的抗壓強度仍按普通混凝土抗壓試驗方法測得。影響導(dǎo)電混凝土強度的因素很多,與普通混凝土不同的是,導(dǎo)電相材料本身的機械強度、粒度、形狀、級配和摻量對混凝土的強度影響較大。尤其是碳質(zhì)導(dǎo)電相材料,由于其自身的強度性能較差,它在混凝土中所占的質(zhì)量百分率對導(dǎo)電混凝土的強度起決定作用。

(2)導(dǎo)電性。導(dǎo)電混凝土或是在電場下工作,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:隨使用時間的延長、環(huán)境溫度和溫度的變化,導(dǎo)電混凝土的電阻率應(yīng)保持相對穩(wěn)定;導(dǎo)電混凝土在通電過程中,通電時間、通電次數(shù)以及一定范圍內(nèi)的電壓高低等對電阻應(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.研究現(xiàn)狀

美國SherifYehiat等對同時摻加鋼纖維和鋼屑的混凝土性能進行了研究。研究表明,摻入1.5%～2%鋼纖維和10%～20%鋼屑,混凝土的電阻率為500～1000Ωcm,抗壓強度為30～40MPa。研究同時還發(fā)現(xiàn),隨時間的延長,鋼纖維鋼屑混凝土的電阻率明顯增大。主要是由于鋼纖維在水泥的堿性環(huán)境中,表面產(chǎn)生氧化鈍化層,使混凝土的導(dǎo)電性能降低。

目前國內(nèi)外研究較多的主要為碳纖維增強混凝土CFRC(CarbonFiber-ReinforcedConcrete)。CFRC不僅具有較高的抗壓強度與抗拉強度,更重要的是其體積電阻率隨外界應(yīng)力的改變而改變,這些都引起國內(nèi)外一些學(xué)者對其性能和應(yīng)用開展了一系列的研究工作。

雖然碳纖維增強混凝土具有良好的電學(xué)和力學(xué)性能,但昂貴的價格限制了它在很多領(lǐng)域的應(yīng)用。近來沈剛、董發(fā)勤開始利用鋼纖維和鋼渣作為導(dǎo)電相來研究混凝土的導(dǎo)電性。

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、制備簡單、經(jīng)濟等特性。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)粡V泛應(yīng)用。

原作者：李文剛劉樂平