導電混凝土研究現狀

　　導電混凝土是一種新型的混凝土,其基本原理是導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性能的特種混凝土。導電混凝土具備熱和電的感知和轉換能力,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。因此關于導電混凝土的研究受到越來越廣泛的關注。

1.導電相骨料

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

2.電極設計

在導電混凝土的應用中,主要的測量和測控參數是材料的電阻值,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、與被測試樣及外導線接觸良好與否及在使用中的耐久性等,都直接關系到測試結果的精確度和真實性,所以電極設計就顯得尤為重要。

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:外粘式和預埋式。研究證明,表面涂導電膠,上壓貼銅導線和石墨布,然后固化所得到的電極測試電阻值是最小的,且結果變動系數也不大,同時也不破壞試件的完整性。

3.導電混凝土的主要性能指標

(1)強度。導電混凝土的力學性能通常以抗壓強度來表征。導電混凝土的抗壓強度仍按普通混凝土抗壓試驗方法測得。影響導電混凝土強度的因素很多,與普通混凝土不同的是,導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。尤其是碳質導電相材料,由于其自身的強度性能較差,它在混凝土中所占的質量百分率對導電混凝土的強度起決定作用。

(2)導電性。導電混凝土或是在電場下工作,或是作為輸導電流的導電材料,因此導電性是衡量導電混凝土性能的主要物理參數。它應具有給定的數值,并且在一定的時間、允許荷載和溫度范圍內保持其穩(wěn)定性。衡量導電性的指標一般為電阻率。導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)定性是導電混凝土作為導電材料基本的要求。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,導電混凝土的電阻率應保持相對穩(wěn)定;導電混凝土在通電過程中,通電時間、通電次數以及一定范圍內的電壓高低等對電阻應沒有明顯的影響。只有保持穩(wěn)定的電阻率,其導電過程才具有可控性。

4.研究現狀

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,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,表面產生氧化鈍化層,使混凝土的導電性能降低。

目前國內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力的改變而改變,這些都引起國內外一些學者對其性能和應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和力學性能,但昂貴的價格限制了它在很多領域的應用。近來沈剛、董發(fā)勤開始利用鋼纖維和鋼渣作為導電相來研究混凝土的導電性。

5.結語

導電混凝土是一種新型的特種功能混凝土,其電阻率取決于導電材料的種類、性能與摻量,具備熱和電的感知和轉換能力,是一種“智能”型材料。導電混凝土具有材料來源廣泛、制備簡單、經濟等特性。隨著科學技術的發(fā)展,今后在結構工程、電工工程以及家庭取暖等領域將會被廣泛應用。

原作者：李文剛劉樂平