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(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。
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(jī)械強(qiáng)度和溫度穩(wěn)定性。同時(shí)應(yīng)能在組分局部過熱時(shí)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(yàn)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(dú)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(xì)骨料和導(dǎo)電相粗骨料。
2. 電極設(shè)計(jì)
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(shí)性, 所以電極設(shè)計(jì)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(dòng)系數(shù)也不大, 同時(shí)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(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)量百分率對導(dǎo)電混凝土的強(qiáng)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(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 ～102Ω •m。
(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、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(shí)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Sherif Yehiat 等對同時(shí)摻加鋼纖維和鋼屑的混凝土性能進(jìn)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 ～ 1000Ω •cm , 抗壓強(qiáng)度為30 ～40MPa 。研究同時(shí)還發(fā)現(xiàn), 隨時(shí)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(qiáng)混凝土CFRC ( Carbon Fiber - Reinforced Concrete) 。CFRC 不僅具有較高的抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)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(qiáng)混凝土具有良好的電學(xué)和力學(xué)性能, 但昂貴的價(jià)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(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。
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(jī)械強(qiáng)度和溫度穩(wěn)定性。同時(shí)應(yīng)能在組分局部過熱時(shí)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(yàn)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(dú)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(xì)骨料和導(dǎo)電相粗骨料。
2. 電極設(shè)計(jì)
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(shí)性, 所以電極設(shè)計(jì)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(dòng)系數(shù)也不大, 同時(shí)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(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)量百分率對導(dǎo)電混凝土的強(qiáng)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(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 ～102Ω •m。
(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、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(shí)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Sherif Yehiat 等對同時(shí)摻加鋼纖維和鋼屑的混凝土性能進(jìn)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 ～ 1000Ω •cm , 抗壓強(qiáng)度為30 ～40MPa 。研究同時(shí)還發(fā)現(xiàn), 隨時(shí)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(qiáng)混凝土CFRC ( Carbon Fiber - Reinforced Concrete) 。CFRC 不僅具有較高的抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)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(qiáng)混凝土具有良好的電學(xué)和力學(xué)性能, 但昂貴的價(jià)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(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。
